(1. 首都師范大學(xué)物理系，北京　100048；2. 首都師范大學(xué)教育學(xué)院，北京　100048)

①本文系人民教育出版社課程教材研究所“十二五”課題“高中物理必修教科書中科學(xué)方法的呈現(xiàn)研究”(KC2014-049)階段性成果之一.

邢紅軍1　胡揚洋2

高中物理“速度”概念的高端備課①

(1. 首都師范大學(xué)物理系，北京100048；2. 首都師范大學(xué)教育學(xué)院，北京100048)

①本文系人民教育出版社課程教材研究所“十二五”課題“高中物理必修教科書中科學(xué)方法的呈現(xiàn)研究”(KC2014-049)階段性成果之一.

邢紅軍1胡揚洋2

名師簡介：邢紅軍，首都師范大學(xué)物理系教授，博士，物理課程與教學(xué)論博士生導(dǎo)師.教育部全國高校教師網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)中心特聘教授，北京市教委高師培訓(xùn)中心“大學(xué)教學(xué)技能”主講教師.1986年以來，先后在《教育研究》、《課程·教材·教法》等刊物上發(fā)表論文210篇，出版著作12部.1996年被授予河南省優(yōu)秀教學(xué)標兵，1997年獲河南省優(yōu)質(zhì)課教學(xué)“特等獎”.2013年獲北京市基礎(chǔ)教育教學(xué)成果二等獎.

摘要：高中物理速度概念的引入存在“相同位移比時間”和“相同時間比位移”兩種思路，研究表明，以時間作為直接比較對象是不符合學(xué)生認知規(guī)律的.在比值定義法的內(nèi)涵與邏輯下，位移應(yīng)作為定義速度的比較對象，而時間是比較的標準，其背后有著深刻的心理學(xué)原因.

關(guān)鍵詞：速度；位移；優(yōu)勢維度；比值定義法

1教材分析

高中物理“速度”一節(jié)是高中物理教材首章“運動的描述”中的核心內(nèi)容之一，也是學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)點、位移、坐標系之后遇到的第一個“復(fù)合”物理量.由于該節(jié)是高中物理“開局之章”的關(guān)鍵一節(jié)，關(guān)乎學(xué)生對高中物理學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法體系的適應(yīng)和接受，以及物理學(xué)習(xí)信心的建立.因此，本節(jié)教學(xué)就很有必要彰顯物理學(xué)的知識內(nèi)涵、方法特征與物理思想.如何有效達成以上目標，還需要教學(xué)設(shè)計的系統(tǒng)思考.

怎樣引入速度概念？現(xiàn)行教材從比較不同物體運動的快慢入手，提出一種觀點：不同的運動，位置變化的快慢往往不同，也就是說，運動的快慢不同.要比較物體運動的快慢，可以有兩種方法：一種是相同時間，比較物體運動位移的大小，位移大，運動得快；另一種是相同位移，比較所用時間的長短，時間短的，運動得快.認真分析上述觀點，我們發(fā)現(xiàn)，“比較物體運動的快慢可以有兩種方法”的觀點雖然在物理本質(zhì)層面是正確的，但這種觀點卻不符合物理的教學(xué)規(guī)律，也不符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律.

這是因為，當深入分析學(xué)生建立速度概念的認知機制時，首先需要思考學(xué)生建立速度概念時的感覺、知覺乃至表象是以位移為支撐，還是以時間為支撐？顯然，學(xué)生所觀察到的物體運動快慢主要是物體位移的變化，這一變化具有直觀性.與位移相比較，學(xué)生對時間的感知卻遠遠不如所“觀察”到的位移變化更明顯，同時也難以精確衡量.這樣，就決定了速度概念定義的最佳方式只能是在相同時間內(nèi)比較物體位移的大小，而不是采用位移相同，比較所用時間長短來定義的方式.

“比較要選取相同的標準”是比值定義法的根本要求，但并非比值定義法應(yīng)用的首要步驟，這是在應(yīng)用比值定義法定義物理量時需要明確的一點.現(xiàn)行教材在應(yīng)用比值定義法定義速度時提出：“那么，怎樣比較汽車與百米賽跑運動員的快慢呢？這就要找出統(tǒng)一的比較標準.物理學(xué)中用位移與發(fā)生這個位移所用時間的比值表示物體運動的快慢，這就是速度(velocity)，通常用字母v代表.”

顯然，教材的這一陳述缺乏關(guān)鍵話語的呈現(xiàn)——汽車運動的快慢需要比較的對象是什么？在沒有明確提出比較對象的前提下，就直接提出統(tǒng)一的比較標準，這就存在著邏輯斷裂.

有鑒于此，對于速度這個貌似沒有任何問題的物理概念定義進行重新梳理，就顯得尤為必要.

2教學(xué)設(shè)計

速度概念須經(jīng)由比值定義法得出已被普遍認同，但怎樣在速度概念建立過程中真正體現(xiàn)出比值定義法的精髓，還需要認真研究.以下是體現(xiàn)比值定義法邏輯并彰顯速度特征的教學(xué)設(shè)計，共分為兩個教學(xué)環(huán)節(jié).

2.1通過直接比較兩質(zhì)點的位移來定義速度

為什么要以位移作為直接比較的對象來定義速度而非把時間作為直接比較的對象？這是因為，如前所述，位移與時間雖然都可以作為直接比較的對象，但是位移與學(xué)生觀察到的運動現(xiàn)象聯(lián)系更為緊密、更為直觀，而時間則不易直接感知.因此，把位移作為速度大小的直接比較對象就順理成章.

具體來說，在高速公路上，汽車在2s內(nèi)行駛了56m，百米賽跑運動員在10s內(nèi)跑完了100m全程，誰的“速度”更大？顯然，直接比較兩者位移的結(jié)果是，高速公路上行駛的汽車反而比百米賽跑的運動員運動的慢(56m<100m).針對這一佯謬，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析原因：導(dǎo)致直接比較位移出現(xiàn)錯誤的原因是沒有選取相同的時間標準.于是，解決問題的方法就是在比較時選取相同的時間標準.

2.2選取相同的時間標準繼續(xù)比較兩質(zhì)點的位移來定義速度

按照這一思路，汽車位移與時間的比值為27.8m/s，人的位移與時間的比值為10m/s，顯然，汽車在高速公路上行駛的速度比百米賽跑運動員的速度更快，這樣，位移與時間的的比值與我們的日常經(jīng)驗就達成了一致，于是速度概念得以定義.

由速度概念的定義可以引申出對教學(xué)的思考，這就是物理概念的定義需要遵循內(nèi)在的邏輯，也就是要符合物理學(xué)科內(nèi)涵與學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的雙重要求.如前所述，現(xiàn)行教材在教學(xué)伊始就呈現(xiàn)兩條路線，對學(xué)生造成了信息的龐雜與干擾，這就有違教學(xué)邏輯的簡約性.爾后在關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺失了“比較要選取相同的標準”的比較對象，有違教學(xué)邏輯的完整性.這個似乎并不起眼的問題，實則反映了教材編寫者對比值定義法本質(zhì)的理解有所缺憾，從而可能導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程邏輯思維環(huán)節(jié)的缺失，這是應(yīng)當加以指出的.

3研究討論

從心理學(xué)的角度看，速度是一個基本且重要的科學(xué)概念，其定義是位移與時間的比值，即v=s/t.這在成人看來可能是個很簡單的概念，但對兒童來說卻并非如此.兒童最早產(chǎn)生的速度概念并非以度量形式出現(xiàn)，而是以序數(shù)形式出現(xiàn)的[1].首先提出這個觀點的是瑞士心理學(xué)家皮亞杰，他認為兒童對于速度的理解有種“超越”的直覺，即若某運動物體前一段時間落后于另一物體，而后一段時間卻超越了后者，兒童會認為超越物體的速度大于被超越物體的速度，若運動物體始終落在另一物體之后，兒童就認為它的速度一定比另一物體的速度小.也就是說,兒童在判斷運動快慢時表現(xiàn)出明顯的位置決定論傾向，他們關(guān)注的是物體位置的前后順序，因而兒童早期的速度概念是以序數(shù)形式出現(xiàn)的，直到10～11歲時才能達到度量形式的水平.皮亞杰之后，國外的學(xué)者Cross和Pitkethly[2]以及我國臺灣的學(xué)者黃湘武[3]、王幸雯和簡淑真[4]對兒童速度概念的發(fā)展進行了拓展性的研究.

最新研究表明，在速度概念的獲得中，位移概念處于優(yōu)勢維度，時間概念處于非優(yōu)勢維度.這在其他一些強度量概念的研究也有類似的發(fā)現(xiàn).對于組成強度量的兩個廣延量，學(xué)生對待的程度是不一樣的，確有優(yōu)勢維度和非優(yōu)勢維度之分，比如，組成密度概念的質(zhì)量和體積，質(zhì)量之于體積就是優(yōu)勢維度.也就是說，兒童在判斷運動快慢時表現(xiàn)出明顯的位置決定論傾向[5].因此，在速度概念定義中只能采用位移與時間的比值，而不能采用時間與位移的比值，其實有著深刻的心理學(xué)背景，這是我們在進行速度概念教學(xué)中需要認真考量的.

參考文獻：

[1] J·皮亞杰，B·英海爾德著，吳福元譯.兒童心理學(xué)[M].北京:商務(wù)印書館,1980.

[2] Cross, R.T., & Pitkethly, A. Speed, Education and Children as Pedestrians: a Cognitive Change Approach to a Potentially Dangerous Naive Concept. Inter. Journal of Science Education, 1988, 10(5): 531-540.

[3] Hsiang-WuHuang&Hui-Ting Chang.A Study of Chinese Student’s Conceptual Developmenton Motion. International Conference Physics Teacher Education beyond 2000 PHYTEB, Barcelona, 2000 August 27 to September 1, Department of Physics, Taiwan Normal University.

[4] 王幸雯,簡淑真.兒童速度概念發(fā)展之研究[C].第十八屆科學(xué)教育學(xué)術(shù)研討會論文匯編.2002,臺灣科學(xué)教育學(xué)會、彰化師范大學(xué)科學(xué)教育研究所.

[5] 吳嫻,趙光毅,羅星凱.一項關(guān)于低年級兒童速度概念發(fā)展的研究[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2005，41(1)：95-98.

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