物理概念教學中發展學生科學思維的問題設計策略

摘要：核心素養導向下的物理概念教學，不能只教給學生“是什么”，更應關注學生概念形成的過程.在物理概念教學中，如何設置問題探查學生的前概念，厘清學生的迷思概念，引導學生經歷概念形成的一系列思維活動，感悟物理的思想方法，最終形成對概念的理解.

關鍵詞：物理概念教學；科學思維；問題設計

作者簡介：付鸝娟（1973-），女，湖北人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

建構主義教學觀認為，學習者本身并不是“一張白紙”，他們有著豐富的存在著相互差異的經驗世界，教師應根據學習者已有的經驗設置問題，幫助學生實現自我建構.

概念需要解釋事物的本質特征，它具有高度的抽象性和嚴密的邏輯性，所以我們在進行概念教學時，要引導學生認同概念的產生價值，關注概念的本質特征，經歷概念的形成過程.

物理概念的習得過程，應是學生自我建構的過程.學生從已有的認知出發，往往要經歷 “觀察—比較—概括—抽象—表征—遷移應用”的科學思維過程，有時要反復經歷，不斷嘗試，才能習得科學的物理概念.

在物理概念教學中，如何設置問題促進學生科學思維的發展？本文以《物體運動快慢的描述——速度》一節為例，談物理概念教學中問題設計的策略.

1探查學生前概念的認知程度，問題情境具有綜合性

前測問題的目的并不是指向答案，而是指向對學習者認知程度的探查，探查學生原有概念的認知起點.問題情境的創設綜合性較強，讓學生在解決復雜問題的過程中展示思維的起點.

通過前測，發現學生對于速度等于路程除以時間這一公式非常熟悉，如果教師的問題是“初中我們學習過速度，什么是速度？”，多數學生能順利說出答案.但是學生在回答這一問題的過程中，僅僅是通過記憶回顧知識，沒有深層次的思維活動.

教學之初利用一段新聞視頻提出問題：北京高速公路實行區間測速，參訪中發現很多司機對區間測速這一新事物并不了解，“如果你是交警，如何向司機解釋區間測速呢？”

學生首先要把這個實際問題抽取為一個物理問題；其次，要應用物理規律分析原理，根據速度等于路程除以時間，已知區間的距離，測出汽車通過的時間，就可以知道汽車的速度；最后，要把這個物理問題還原于實際——測的是汽車的平均時速.這個過程看似簡單，學生卻經歷了建模、遷移和應用等高階的思維活動.并且通過學生對這個問題的回答，了解到學生很好地掌握了速度公式，對平均速度有一些模糊的認識，認為變速運動的物體路程除以時間就是平均速度.這樣可以更加明確這節課的教學重點和教學起點.

2揭示物理概念的本質，問題條件具有隱蔽性

概念的本質往往和概念建立的實際價值密不可分，問題的設計要讓學生在應用概念的過程中主動體會概念的價值.這種體驗是學生從概念建立的原因去思考，主動認識得到的.因此，問題的設計應具有一定的隱蔽性.

速度的方向性是描述位置變化的一個重要維度.在速度矢量性的教學過程中，如果教師的問題是“一個物體以10m/s的速度向東運動，另一個物體以10m/s的速度向西運動，它們的速度是否相同？”這個問題中“方向”這一要素提示得太明顯，沒有體現速度的方向性在描述物體位置變化時的實際意義.

教師利用新聞視頻提問：“如果已知汽車的平均時速是90km/h，從學校出發，你能否預測1小時之后汽車的位置？”

學生1：平谷（北京市的郊區）.

學生2：學校到平谷的距離是直線距離，你去平谷不能走直線.

教師：很好，這個同學其實談到了位移和路程的區別.如果假設北京到平谷的距離就是90公里，1小時后汽車一定在平谷嗎？

學生3：不一定，因為不知道方向.

教師：汽車可能的位置在哪？

學生4：以學校為圓心，以90公里為半徑的圓上（全班笑）.

教師：可見，要更好地描述物體位置變化的快慢，應該把位移和時間的比值定義為速度.

這一問題，把速度的方向性這一要素隱藏了起來，學生在尋找答案的過程中發現，如果不知道方向就不能描述位置，因而速度的方向性必不可少.這個問題，還凸顯了引入速度這一物理量的實際意義——若物體的初始位置一定，只要已知速度和時間就能預測物體的位置，這也是研究物體機械運動的價值.

3引領學生科學思維的提升，問題架構具有層次性

問題的設置應該遵循學生思維發展的序列，注重層次性.

在平均速度和瞬時速度的教學環節中，教師根據學生的思維設置問題串如下.

3.1有效觀察——基于實驗設計問題

教師展示演示實驗：用細線穿著一個珠子，給珠子一個初速度，讓學生觀察珠子沿水平細線的運動.接著，讓水平細線穿過如圖1所示的雙激光測速儀兩端的探頭.學生通過觀察，發現珠子在離開手之后運動一段時間停了下來.珠子通過儀器兩桿之后，左端屏幕上迅速顯示一個數值.

問題1：儀器上顯示的數據是什么？請設計方案驗證你的猜想.

設計意圖：一是引導學生進行有效的觀察.珠子離開手之后運動一段距離停下來，說明珠子在做減速運動，儀器顯示的是一個恒定的數值，一般計時儀器都是連續記錄，數值應該不斷變化，因此猜測測量的是速度；二是培養學生的證據意識，對實驗數據進行合理的分析和解釋是基本的科學能力.

如果教師的問題是“這是一個測速儀，請問它的原理是什么？”這樣的問題，沒有留給學生思維的空間.教師在實驗之初并沒有強調讓學生觀察什么，但是學生觀察的細致與否很大程度上決定了其能否順利解決問題.

對于儀器顯示的數據，有的學生猜測記錄的是時間，也有的學生猜測記錄的是速度.提出的驗證方案是：可以做兩次實驗，一次珠子出手時速度大，一次珠子出手時速度小.如果測量數據變小，說明測的是速度，如果數據變大，說明測的是時間.然后學生動手實驗，驗證自己方案的可行性，發現測量的是速度.教師追問，測量的是什么物體的速度？學生答，是珠子通過兩桿之間的平均速度.教師繼續追問：是如何實現的？學生答，兩桿之間的距離是一定的，只要測出珠子通過兩桿的時間，就可以計算珠子通過兩桿之間的平均速度，直接顯示在屏幕上.

3.2思維過程可視化——基于多重表征設計問題

珠子在做變速運動，測量的是一個恒定的值，這個恒定的數值和變速運動的速度之間有什么樣的聯系呢？需要學生經歷比較、概括、抽象等一系列的思維活動進行分析.

問題2：請畫出珠子離開手之后的速度—時間圖象，并把平均速度定性地在圖象上表示出來.

設計意圖：一是建立物體的實際運動和圖象語言的聯系；二是體會對于一個變速運動的過程，為什么在通過雙激光測速儀的過程中只測出了一個“恒定的數據”，初步體會等效思想，從而為理解瞬時速度做好鋪墊.

要求學生畫出速度—時間圖象符合學生的認知.學生雖然還沒有瞬時速度的概念，但對珠子做變速運動有直觀的認識，而且在初中對于圖象也有定性的了解，因此畫出珠子的速度—時間圖象并不困難，難點在于真正理解圖線上每一個點的物理意義.

圖2是學生的典型答案，通過學生的答案可以分析學生理解平均速度時的思維障礙.

圖2（a）中，學生用圖線②表示平均速度，反映出學生雖然能定性知道平均速度的大小，但表征平均速度時，無法將文字表征和圖象表征統一起來.

圖2（b）中，學生憑直覺認為平均速度應該在中間，但說不出理由.反映出學生僅僅是從數學的角度理解“平均”的含義.

圖2（c）中，學生畫出的速度—時間圖象是曲線，但認為平均速度仍然在中間.反映出這個學生對珠子做變速運動有更加深入的思考，但無法理解平均速度的意義.

教師追問：在畫平均速度時，你的依據是什么？

學生：面積相等.

教師追問：為什么？

學生：因為位移等于速度乘以時間，所以面積代表位移，面積相等說明位移相等.

教師追問：哪兩部分的面積相等呢？

學生上黑板表示如圖2（d）中，長方形面積和陰影部分面積相等.

教師總結：一個物體做變速運動，另一個物體做勻速運動，如果兩個物體在相等的時間內通過的位移相等，說明他們的位置變化得一樣快.我們就可以用這個勻速運動物體的速度描述那個變速運動物體在這段時間內運動的快慢，這就是平均速度.

從等效的角度理解平均速度，賦予了平均速度這一概念建立的價值.

3.3概念內化——基于遷移應用設計問題

能應用概念解決陌生情境的問題，是衡量是否真正理解概念的重要標準.

問題3：如果想測出珠子通過雙激光測速儀第一組桿時的速度，實驗上應該如何實現？

學生很快說出可以把第二組桿靠近第一組桿.因為瞬時速度是Δt→0時的速度，當兩組桿之間的距離很近時，珠子通過的時間很短，可認為是瞬時速度.這說明學生能用日常語言和實物操作表征瞬時速度.

問題4：請在速度—時間圖象上表示珠子通過第一組桿時的速度.

學生對這一問題表現出無從下手，說明學生對前面學習的畫平均速度的方法還沒有達到遷移應用的水平.

教師在黑板上畫出圖3（a）中，0—t1時間內物體的平均速度如圖線②，因為矩形面積和三角形面積相等，說明兩個物體在t1時間內位移相等.

教師：如果要畫出0—t2時間內物體的平均速度，應該怎么辦？

學生：畫出圖3（b）中圖線③.

教師追問：圖線②和圖線③兩個平均速度誰更接近0時刻的瞬時速度？

學生：圖線③.

教師：請大家再思考剛才的問題，如何在圖中表示珠子通過第一組桿時的速度.

學生：就是圖3（b）中④那個點.

教師：速度反映的是物體位置變化的快慢，一個點位置怎么會有變化？

學生：取一小段時間0—t3，如圖3（c）中⑤，這一小段時間平均速度可以認為是0時刻的瞬時速度.

在上述學習畫平均速度圖象的活動中，學生經歷了時間Δt→0的抽象過程，把極限思想用圖象形象地表征出來，最終實現對瞬時速度這一概念多種表征方式的統一，理解瞬時速度的本質——在極短的時間內描述物體位置變化的快慢.

這節課的設計和以往的教學方式相比，最大的不同在于教學過程中不是急于直接讓學生獲得正確的概念，而是通過學生已有的認知分析生活中的現象，在分析的過程中不斷提出問題，在解決問題的過程中，促進學生完善自己的思維發展路徑，最終形成概念的準確定義.

筆者認為，概念教學的核心就是形成概念，不斷尋找概念的邊界，在這個過程中，培養學生的物理思維.正如學生在本節課最后所發出的感慨：如果把汽車通過測速區間的時間和整個宇宙的時間進行對比，測的就是瞬時速度.可見，只有把物理知識上升到哲學層面才能使學生真正體會到物理學的魅力.

參考文獻：

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