摘 要：根據(jù)牛頓第二定律，設計并開發(fā)了可視化自制教具“水平加速度計”.通過該教具在課堂中的實際使用，將“思維可視化”應用于高中物理核心概念“加速度”教學中，通過圖示技術推動學生的思考，將抽象的概念轉化為可視化的思維過程，加深了學生對“加速度”概念定性與定量的理解.

關鍵詞：思維可視化;加速度;高中物理教學;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2019）13-0002 中圖分類號：G6337 文獻標識碼：A

作者簡介：尹慶豐（1978-），男，江蘇常州人，本科，中學高級教師，常州市高中物理學科帶頭人，研究方向：理論研究、教學研究.

1 問題的提出

“加速度”是高中物理運動學中的重要概念，是動力學的核心概念，也是高中物理課程中極為抽象的概念之一.在學生以往的學習、生活與實踐中，與加速度有關的現(xiàn)象描述并不多，這給學生理解加速度概念帶來了一定的困難.趙凱華和羅蔚茵教授在《新概念物理教程·力學》中就明確指出：“這是人類認識史上最難建立的概念之一，也是每個初學物理的人最不易真正掌握的概念.”

在傳統(tǒng)的加速度教學中，為了激起學生對這個概念的認識并加深印象，教師一般會進行如下教學設計：一方面采用“汽車、輪船與火車”啟動比賽視頻，增強感觀認識;另一方面結合“速度”的概念采用類比的方法，讓學生更容易理解加速度的概念形成過程.而在教學過程中速度的變化方向（加速度方向）是難點之一，在借助加速運動與減速運動的基礎上，采用分析引導的方式，使學生更直觀地理解速度的變化及方向，這是常見的教學方法.

雖然上述教學方法也引入了多媒體的教學手段，試圖激發(fā)學生的思維，可是并沒有給予學生參與思考的機會，只是被動地接受，因此，教學效果大大地打了折扣，而學生對概念的理解也沒有變得更清晰.

可是，如何將這么抽象的一個物理核心概念轉化為感性認識，將物理問題變得形象具體？這是筆者多年來在“加速度”課堂教學中一直反復思考的問題.

2 “思維可視化”的學習技術

思維可視化，顧名思義，就是指運用一系列工具，把發(fā)生在大腦中，原本處于混沌的、看不見摸不著的思維過程，以可視化的形式清晰地呈現(xiàn)出來，變得形象、具體、直觀，比如思維導圖就是其中的一種表達方式.

思維可視化的起源可以追溯到1967年，哈佛大學的“零點計劃”，由哲學家Nelson Goodman領銜，最初是希望通過對藝術教育的研究來提升思考能力和學習效率.到2017年，“零點計劃”的研究領域已經(jīng)從單純的藝術拓展到智力、理解、思維、創(chuàng)造力、跨學科和跨文化思維，以及道德的研究調查，從科學和藝術的角度，對思維進行研究.

思維可視化的主旨，就是通過畫圖等方式，教會學生一系列思考問題的正確方式，通俗地講，就是我們常說的思路：厘清或混沌未覺、或雜亂無章的思緒，反復訓練，久而久之，內化為固定的思維習慣.

掌握思維可視化的學生，會在大腦里架起一條條清晰的思路，這些思路或從思維的深度，或從思維的廣度，或從創(chuàng)造力等方面入手，對問題和知識點進行高效而深度的處理.

因此，“思維可視化”的培養(yǎng)應該引起教育者的重視，尤其是在學科核心素養(yǎng)物理觀念的教學中，如果能夠將思維可視化合理引入并應用，將為學生抽象思維能力的提升奠定基礎.

筆者在2017年開始接觸 “思維可視化”的學習技術，發(fā)現(xiàn)如果在課堂教學中能夠讓學生通過自己動手進行實驗探究，將抽象的概念轉化為可視化的體驗，“看得見，畫得出”，那么既可以加深學生對核心概念的理解，又可以培養(yǎng)學生的思維方式，激發(fā)學生的學習興趣.

其中，底座下方設有用于底座水平調節(jié)的調平螺絲，直桿一端固定在轉軸上可繞轉軸在豎直平面內自由轉動，另一端與用于指示加速度值的指針聯(lián)結固定.角度測量或加速度測量標尺固定在立板中下部，為一以轉軸為中心、半徑不小于直桿長度的圓弧形，同時標注有角度和與角度對應的加速度值（為計算方便，此處g = 10 m/s2）.測量前，若指針與加速度標尺中部的“0”刻度線位置之間有偏差，可通過調節(jié)底座下方的調平螺絲，進行調零.

由于該教具適用于水平運動中加速度的測量，因此正式命名為“水平加速度計”.該教具結構簡單直觀、成本低、不易損壞，可以直接從加速度標尺上讀取水平加速度值，最為關鍵的是，可將其固定在任何水平運動物體上，為水平加速度的定性與定量研究提供了一種可視化的途徑，可以幫助學生通過圖示技術把學習過程中的思考方法和思考路徑呈現(xiàn)出來.

4 教學實踐對比與反思

在“速度變化快慢的描述——加速度”一節(jié)中，有以下幾個重點和難點：（1）加速度概念的建立，知道加速度的意義;（2）加速度是矢量，有大小和方向;（3）會正確區(qū)分速度、速度的變化量及速度的變化率.

而將水平加速度計應用于這節(jié)課的目的就是為了通過“思維可視化”學習技術解決這些重點難點，化“難”為“易”的.

4.1 教學實踐對比

4.1.1 “加速度”概念的建立

【傳統(tǒng)教學：例題1】先觀看“汽車、輪船與火車”等啟動比賽視頻，然后給出材料，見表1.

由表1可知，自行車在4s內速度從2m/s增加到11m/s，怎樣描述物體運動的速度增加的快慢呢？

思考：飛機在空中飛行的速度最大，它的加速度一定很大嗎？

教師說明：給出加速度表達式

分別求得自行車下坡時的加速度為2.25m/s2;公共汽車出站時的加速度為3.0m/s2;輪船出航時的加速度為0.3m/s2;火車出站時的加速度為0.2m/s2;飛機在空中飛行時的加速度為零.

由此可以看出，加速度和速度的區(qū)別：（1）速度大，加速度不一定大;加速度大，速度不一定大.

（2）速度變化量大，加速度不一定大.

（3）加速度為零，速度可以不為零;速度為零，加速度可以不為零.

【可視化教學：探究實驗1】實驗儀器：水平加速度計（20cm×20cm×20cm），可載人遙控小汽車（說明書標注速度分高、中、低檔，最大速度范圍約為1.33-2.69 m/s）.

實驗內容：首先，將水平加速度計固定在遙控小汽車的座椅上，并調零，如圖5（a）所示;其次，通過遙控器對小汽車進行加速，運動方向為水平向右，達到穩(wěn)定（勻速運動）后持續(xù)一段時間.

需要說明的是，由于是演示實驗，所以筆者將加速度計的尺寸制作的稍微大一些（20cm×20cm×20cm），且實際操作中發(fā)現(xiàn)直桿會被車門擋住，影響學生的視線，因此將直桿上方再連動一個指針，標尺做成圓形，上下對稱，這樣兩端均可讀數(shù)，如圖5（b）所示，更方便全班學生觀察.

實驗說明：觀察實驗過程并填寫表2.其中，水平加速度計可以直接讀出水平運動的加速度，為了提高讀數(shù)的精確度，我們先讀角度，然后通過公式（2），a = g tan φ，求出加速度的具體數(shù)值.

表格設計時，考慮到學情，先研究速度，再研究加速度.“加速度計的狀態(tài)”由學生作圖，表格內容（斜體字部分）均由學生填寫或口頭回答，如果回答不出來，可以再重復一次實驗過程（探究實驗2、3亦采用相同方式）.值得一提的是，由于該演示實驗重現(xiàn)了乘坐汽車的過程，學生都有親身體會，因此更容易得到與實際相符的答案.

學生分析總結：從加速度計可以讀出指針偏轉角度，從而得到加速度的大小.從表2可以看出，速度為零的時候，加速度不為零;而速度最大的時候，加速度為零.這說明，加速度與速度大小無關.加速度的“加”字，并不是“增加”的意思，“加速度”也不是“增加速度”的意思，它反映的是速度變化快慢的程度.

4.1.2 明確“加速度是矢量”的概念

【傳統(tǒng)教學：例題2】做加速度不變運動的火車，在40s內速度從10 m/s增加到20 m/s，求火車加速度的大小.汽車緊急剎車時做減速運動，在2s內速度從10 m/s減小到零，求汽車的加速度大小.

解析： 根據(jù)加速度公式求解得.

教師說明：（1）加速度是矢量.加速度的方向與速度變化量的方向相同，在直線運動中，如果速度增加，則加速度方向與速度方向相同;如果速度減小，則加速度方向與速度方向相反.因而加速度方向與速度方向無關.

（2）加速度的正負僅表示方向，不表示大小.若取v0的方向為正方向，則加速運動，a > 0;減速運動，a < 0.

【可視化教學：探究實驗2】實驗儀器：同探究實驗1.

實驗內容：首先，通過遙控器對小汽車進行加速啟動，運動方向為水平向右，達到穩(wěn)定（勻速運動）后持續(xù)一段時間，再通過遙控器進行制動減速，直到小汽車速度為零.

教師說明：實驗開始前，提醒學生重點觀察啟動和制動兩個過程加速度計的指針變化，并將其畫下來，然后進行分析，見表3所示.

學生分析總結：由表3“加速度計狀態(tài)”可以看出，在遙控小汽車啟動和制動兩個過程中，加速度的大小和正負都不同.而正負是用來說明加速度方向的，這就可以體現(xiàn)加速度是一個矢量，既有大小，又有方向.正，說明加速度的方向與約定的正方向相同，為水平向右;負，則相反，說明加速度的方向為水平向左.再結合速度的方向，可以進一步說明，加速度方向與速度方向無關，而與速度變化量的方向相同.如果加速度與速度方向相同，就是做加速運動;如果加速度與速度方向相反，就是做減速運動.這個結論跟學生看到的探究實驗實際情況完全吻合.

4.1.3 “速度變化量與速度變化率”的區(qū)分

【傳統(tǒng)教學：例題3】閱讀教科書P27“一些運動物體的加速度a /（m·s-2）”.

教師提問：速度、速度的變化量及加速度有什么區(qū)別？

學生分析回答：速度是用來表示物體運動快慢的物理量，它等于位移和所用時間的比值;而加速度是用來表示物體的速度變化快慢的物理量，它等于速度的變化量和發(fā)生這一變化所用時間的比值（速度的變化率）.

【可視化教學：探究實驗3】實驗儀器：水平加速度計，可載人遙控小汽車，秒表.

實驗內容：同探究實驗2.

教師說明：實驗開始前，提醒學生測量啟動和制動兩個過程的時間.啟動時間：小汽車接通電源到加速度計指針為零;制動時間：斷開電源到小汽車停止.然后進行分析，見表4所示.

學生分析總結：進一步對比啟動和制動兩個過程，由表4可以看出，兩個過程的速度變化量大小相同，而加速度的大小不同，說明加速度大小與速度的變化量大小無關.根據(jù)秒表所測啟動與制動的時間，可以發(fā)現(xiàn)，在速度的變化量大小相等的情況下，加速度大小與速度變化時間成反比，說明加速度在數(shù)值上等于單位時間內速度的變化，即速度對時間的變化率.由此可以說明速度、速度的變化量以及速度的變化率是三個不同的概念.

4.2 教學反思

“加速度”涉及運動觀以及力和運動的關系等物理觀念，教師應該讓學生初步建立“概念、結論要與可觀察的事實相符合，而且要用簡明的數(shù)學語言來表達它的結果”這樣的觀念，才能在課堂教學中落實物理核心素養(yǎng)之物理觀念.

經(jīng)過教學設計的對比，可以看出，傳統(tǒng)教學的特色是情景導入、習題導學，引入具體的情境讓學生自主探究，可是僅僅通過表格呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的方式，并不能做到將抽象的概念具體化.且整個過程中，概念由教師給出，公式由教師給出，結論也由教師給出，學生的主要探究就在解題，不能體現(xiàn)學生的主體地位，無法讓學生自己理解和消化“加速度”這個核心概念.

而筆者根據(jù)“水平加速度計”的特點設計的教案，選用“思維可視化”的學習技術為主線，創(chuàng)設問題情境，引入探究實驗，讓學生感同身受，突破抽象思維的瓶頸，從而推動學生的學習過程.將整節(jié)課的內容匯總后，可以得到表格5.

表5列出了3個探究實驗的結果，將本節(jié)課的3個重點和難點用“可視化的思維”解釋清楚，更是讓學生對“加速度”的概念一目了然，記憶深刻.“思維可視化”不僅使得“加速度”看得見畫得出，將難懂的物理概念由淺入深、由簡單到復雜，由現(xiàn)象到本質、由具體到抽象，層層深入，環(huán)環(huán)相扣，體現(xiàn)誘思、探究、自主、合作，不斷小結，突出重點.而且，在探究過程中，注重物理過程和物理方法，所有表格由學生填寫，避免直接得出結論，提高學生學習物理的興趣，激發(fā)其求知的欲望，大大提高學生參與度.

需要說明的是，此加速度計為機械式純手工制作，角度的最小分度值為1°，若要提高精度，可以使用傳感器等，進行智能化制作和操控.

5 結束語

實際課堂教學中，筆者發(fā)現(xiàn)，真實的實踐情境所蘊含的知識能夠加深學生對概念的理解，學習情境越真實，學生主體概念構建越可靠.因此，筆者通過自制教具“水平加速度計”，幫助學生親身感受“速度”“速度的變化”“速度變化快慢”三者的關系，逐步解析“加速度”這一核心概念，有利于轉化迷失概念，有利于內化物理觀念的形成.

隨著先進教學方法和理念的推廣，高中物理課堂已經(jīng)有所轉變，但是如何讓學生養(yǎng)成學習物理的主動性，并有持續(xù)學習物理的愿望和動力，現(xiàn)狀不容樂觀.要改變現(xiàn)狀，就需要一線教師不斷地對教學方法進行改革和創(chuàng)新，提高課堂教學的實效性，而“思維可視化”正是有助于改變現(xiàn)狀的方法之一，尤其是對于處在銜接環(huán)節(jié)的高一學生而言，將抽象變?yōu)榫唧w、將概念變得可視，讓學生感受到物理學習的趣味性、實用性，自然就能提升他們學習物理的意愿.

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（收稿日期：2019-05-08）