張?jiān)谰?浙江省杭州第十四中學(xué)青山湖學(xué)校

理解物理概念是立教之本，講不清基本概念，其他任何研究都無從進(jìn)行。但當(dāng)下，由于教師對(duì)物理概念理解不到位、對(duì)物理規(guī)律理解不深刻，導(dǎo)致教學(xué)活動(dòng)不得要領(lǐng)、教學(xué)效率低下的情況仍普遍存在。為達(dá)成有效甚至高效教學(xué)，教師不僅需要理解物理概念，還需要理解教學(xué)規(guī)律和學(xué)生認(rèn)知，從而科學(xué)、合理地對(duì)物理概念進(jìn)行解構(gòu)與建構(gòu)。

一、從解構(gòu)到建構(gòu)的概念教學(xué)框架

物理概念不是孤立存在的，而是與許多相關(guān)知識(shí)、方法、技能、觀念等聯(lián)系在一起，進(jìn)而組成學(xué)科大概念。因此，從整體上理解概念，需要對(duì)概念進(jìn)行解構(gòu)，即對(duì)與之相應(yīng)的學(xué)科大概念進(jìn)行梳理，對(duì)知識(shí)本質(zhì)進(jìn)行提煉，聚焦核心素養(yǎng)，找出概念的核心所在。物理教學(xué)中，對(duì)概念的解構(gòu)是為了建構(gòu)概念，而建構(gòu)概念離不開學(xué)生的參與，因此，教師需要理解學(xué)生，并通過分析學(xué)生學(xué)習(xí)概念的物理現(xiàn)實(shí)和思維斷檔處，尋求學(xué)習(xí)支持條件。只有理解了概念、理解了學(xué)生，教師才能按照知識(shí)發(fā)生發(fā)展的規(guī)律以及學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念建構(gòu)。筆者經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐，提煉出從解構(gòu)到建構(gòu)的概念教學(xué)框架，具體如圖1 所示。

圖1 從解構(gòu)到建構(gòu)的概念教學(xué)框架

對(duì)圖1 需要作三點(diǎn)說明：（1）解構(gòu)是從物理學(xué)科的視角理解概念，通過解析大概念的學(xué)習(xí)時(shí)間表、知識(shí)發(fā)生發(fā)展的線路圖，尋找概念的核心所在，從而明晰概念“是什么”；（2）學(xué)習(xí)支持條件是從學(xué)生的視角理解概念，通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)概念的物理現(xiàn)實(shí)和思維斷檔處進(jìn)行分析，從而明確概念“如何學(xué)”，并為建構(gòu)提供支持；（3）建構(gòu)是從教學(xué)的視角理解概念，將概念解構(gòu)后，結(jié)合學(xué)習(xí)支持條件，按照“問題情境—抽象概念—數(shù)學(xué)表達(dá)—實(shí)驗(yàn)探究”路徑組織教學(xué)，從而確定“怎么教”。

二、從解構(gòu)到建構(gòu)的概念教學(xué)實(shí)踐

速度是描述物體運(yùn)動(dòng)的重要物理量，是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的核心內(nèi)容，在“如何準(zhǔn)確描述物體運(yùn)動(dòng)”中有著奠基作用。速度是其他物理量的基礎(chǔ)，如動(dòng)量、能量、加速度等都與物體的速度有關(guān)。學(xué)習(xí)速度，學(xué)生能加深對(duì)“物理量的變化”的認(rèn)識(shí)［1］。下面，筆者以“速度”概念為例，具體闡述如何對(duì)物理概念進(jìn)行解構(gòu)與建構(gòu)。

（一）“速度”概念的解構(gòu)路徑

從物理學(xué)科的視角出發(fā)，教師可解析構(gòu)成“速度”概念學(xué)習(xí)的時(shí)間表，以及知識(shí)發(fā)生發(fā)展的線路圖，尋找“速度”概念的核心所在，引導(dǎo)學(xué)生達(dá)成對(duì)“速度”概念本質(zhì)的理解。

1.時(shí)間表

物理概念的學(xué)習(xí)只能是以時(shí)間先后順序展開，概念學(xué)習(xí)的時(shí)間順序構(gòu)成了概念學(xué)習(xí)的時(shí)間表。時(shí)間表既能揭示概念發(fā)生發(fā)展的邏輯順序，也能揭示學(xué)生學(xué)習(xí)概念的認(rèn)知順序。人教版普通高中教科書《物理》（以下簡(jiǎn)稱“人教版《物理》”）必修第一、二冊(cè)“速度”學(xué)習(xí)時(shí)間表如表1所示。

表1 人教版《物理》必修第一、二冊(cè)“速度”學(xué)習(xí)時(shí)間表

從表1 可以看出：速度是運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)，與許多物理量有關(guān)；“速度”概念的學(xué)習(xí)是一個(gè)比較長(zhǎng)的過程，其教學(xué)安排不能一步到位。

2.線路圖

線路圖能揭示知識(shí)之間的聯(lián)系。要把握知識(shí)發(fā)生發(fā)展的脈搏，就需要理清知識(shí)發(fā)生發(fā)展的線路圖。例如，在描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們需要明確以下幾點(diǎn)：（1）研究對(duì)象是什么（質(zhì)點(diǎn)）；（2）用什么工具來研究（參考系）；（3）如何描述運(yùn)動(dòng)的快慢（速度），而為了進(jìn)一步精確描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢，需要引入平均速度和瞬時(shí)速度的概念；（4）如何描述速度變化快慢（加速度），以及有哪些物理模型和數(shù)學(xué)描述的方法。這一邏輯線索構(gòu)成了“速度”概念發(fā)生發(fā)展的線路圖，具體如圖2所示。

圖2 “速度”概念發(fā)生發(fā)展的線路圖

從圖2可以看出，“速度”概念處于核心地位，可以毫不夸張地說，理解了速度，就理解了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

3.概念核心

概念核心反映了概念的本質(zhì)屬性?！八俣取备拍畹暮诵氖敲枋鑫锢砹康淖兓?，是用位移與時(shí)間的比值來刻畫運(yùn)動(dòng)的快慢。

為了描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢，物理學(xué)用位移與發(fā)生這段位移所用時(shí)間的比（即速度）來表示。為了進(jìn)一步精確描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢，又引入平均速度和瞬時(shí)速度概念。平均速度表示某段時(shí)間內(nèi)，物體平均運(yùn)動(dòng)的快慢程度；瞬時(shí)速度表示在非常非常小的時(shí)間跨度內(nèi)的平均速度，即物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)間趨于0 時(shí)的平均速度。

（二）“速度”概念的學(xué)習(xí)支持條件

教師的教是為了學(xué)生的學(xué)，這表明從概念解構(gòu)到概念建構(gòu)，教師還需要分析學(xué)習(xí)支持條件。如何分析概念的學(xué)習(xí)支持條件呢？筆者認(rèn)為，可結(jié)合學(xué)生的物理現(xiàn)實(shí)，估計(jì)其思維可能出現(xiàn)的斷檔，引導(dǎo)學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)建構(gòu)。

1.物理現(xiàn)實(shí)

學(xué)生頭腦中已有的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)又稱為物理現(xiàn)實(shí)，它體現(xiàn)了物理知識(shí)之間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)。物理現(xiàn)實(shí)包括物理知識(shí)、物理經(jīng)驗(yàn)、物理方法、物理觀念、物理規(guī)律和物理核心素養(yǎng)等，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念的基礎(chǔ)。在教學(xué)中，我們可以分析具體物理現(xiàn)實(shí)的上位概念、下位概念、平行概念，以及其中蘊(yùn)含的思想方法和核心素養(yǎng)。例如，對(duì)于“速度”概念，我們可以列出如下物理現(xiàn)實(shí)清單。

（1）上位概念：機(jī)械運(yùn)動(dòng)，比值計(jì)算。

（2）下位概念：平均速度、瞬時(shí)速度，速度—時(shí)間圖像，初中階段學(xué)習(xí)過的“速度”概念。

（3）平行概念：位移，時(shí)間，加速度。

（4）思想方法：數(shù)形結(jié)合思想，微元法與極限思想。

（5）核心素養(yǎng)：運(yùn)動(dòng)觀念，科學(xué)思維。

這些物理現(xiàn)實(shí)清單是學(xué)習(xí)速度的基礎(chǔ)，以此組織教學(xué)，能幫助學(xué)生全方位、多角度地理解“速度”概念，形成“運(yùn)動(dòng)觀念”。

2.思維斷檔處

在物理大概念網(wǎng)中，有些認(rèn)知結(jié)構(gòu)與學(xué)生已知的認(rèn)知結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性較弱，即概念網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)不連續(xù)就會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知斷檔，繼而出現(xiàn)思維斷檔。思維斷檔處往往是學(xué)生容易出錯(cuò)的地方，同時(shí)也是教學(xué)必須突破的關(guān)鍵所在。抓住概念網(wǎng)中不連續(xù)的節(jié)點(diǎn)，就抓住了教學(xué)難點(diǎn)。反之，教學(xué)難點(diǎn)的確定就會(huì)出現(xiàn)偏差。學(xué)生在初中階段就對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的快慢有一定的認(rèn)識(shí)，但在比值定義、概念的建構(gòu)方面還較為薄弱，主要有如下兩個(gè)思維斷檔處。

其一，從初中的標(biāo)量進(jìn)階到高中的矢量來認(rèn)識(shí)“速度”概念，是學(xué)生思維上的第一個(gè)斷檔處。這是因?yàn)?，學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)的“速度”概念是路程與時(shí)間的比值，而高中階段學(xué)習(xí)的“速度”概念是位移與時(shí)間間隔的比值。

其二，從平均速度過渡到瞬時(shí)速度，學(xué)生首次接觸到極限思想，這是第二個(gè)思維斷檔處。學(xué)習(xí)瞬時(shí)速度時(shí)，由于涉及極限思想，其解釋需要用到數(shù)學(xué)中的微積分知識(shí)，而此時(shí)學(xué)生尚未接觸過微積分，因而存在理解上的困難。比如，常常有學(xué)生認(rèn)為某一時(shí)刻物體的時(shí)間間隔和位移都是0。導(dǎo)致出現(xiàn)這種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的原因是，學(xué)生在認(rèn)知上把物體固定在一個(gè)點(diǎn)，其根本是缺乏極限思想。

因此在教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)從學(xué)生的已有知識(shí)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、科學(xué)探究，從而建構(gòu)速度、平均速度、瞬時(shí)速度等概念。

（三）“速度”概念的建構(gòu)路徑

物理概念的習(xí)得過程，往往要經(jīng)歷“觀察—比較—概括—抽象—表征—遷移應(yīng)用”的科學(xué)思維過程［2］。因此，物理概念的建構(gòu)，也應(yīng)從實(shí)際背景出發(fā)，抽象出物理概念，再用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行表達(dá)，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。按照這一邏輯，筆者提煉出概念建構(gòu)的路徑，具體如圖3所示。

圖3 概念建構(gòu)的路徑

1.問題情境（真實(shí)情境）

物理概念是對(duì)物理現(xiàn)象和物理事實(shí)的科學(xué)抽象，它能夠用來描述物理過程和狀態(tài)的本質(zhì)，科學(xué)準(zhǔn)確的物理概念是探索物理規(guī)律和解釋物理現(xiàn)象的有力工具［3］。因此，物理概念的建立往往是從真實(shí)問題（基于學(xué)生的物理現(xiàn)實(shí)的真實(shí)問題）開始的。

在“速度”概念的教學(xué)中，筆者設(shè)計(jì)了如下情境與問題。

真實(shí)情境：張老師駕車從杭州第十四中學(xué)青山湖學(xué)校到杭州第十四中學(xué)鳳起校區(qū)，開啟了北斗高清導(dǎo)航。到終點(diǎn)后，導(dǎo)航上顯示39千米、48分鐘（圖略）。

問題1：39 千米的含義是什么？（路程，不是位移）

問題2：根據(jù)39 千米和48 分鐘，可以計(jì)算什么？（速度）

問題3：起點(diǎn)與終點(diǎn)之間連接的直線有何意義？（直線距離，對(duì)應(yīng)位移）

問題4：如果行駛了30 分鐘，你能否預(yù)測(cè)汽車的位置？

這些問題是基于學(xué)生的物理現(xiàn)實(shí)而設(shè)計(jì)的。通過這些問題，教師可引導(dǎo)學(xué)生在分析物體位置變化快慢的描述中，形成強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，顛覆初中時(shí)形成的認(rèn)知，從而明確應(yīng)該用位移與時(shí)間的比值作為速度，發(fā)展物理觀念核心素養(yǎng)。

2.抽象概念

物理概念是從物理學(xué)視角形成的對(duì)物理相關(guān)知識(shí)、觀念等的基本認(rèn)識(shí)。物理概念源于物理實(shí)際，抽象于感性認(rèn)識(shí)，應(yīng)用于生活實(shí)踐。在物理概念的學(xué)習(xí)中，我們可以通過觀察、類比、演繹推理等方法，從具體物理現(xiàn)象中抽象出概念。

為了從真實(shí)情境中抽象出“速度”概念，筆者繼續(xù)提出如下問題。

問題5：張老師在這段行程中，要在高速公路上行駛一段時(shí)間。高速公路上有區(qū)間測(cè)速，它測(cè)量的是什么速度？（平均速率）

問題6：在行駛過程中，張老師手機(jī)界面顯示的是什么速度？（瞬時(shí)速度，這個(gè)瞬時(shí)速度是由衛(wèi)星計(jì)算車輛在極短時(shí)間內(nèi)的位移與時(shí)間間隔的比值得出的）

問題7：張老師在里程為10 千米的區(qū)間測(cè)速段行駛，區(qū)間車速大于120 km/h 為超速。張老師用了6 分鐘通過該測(cè)速區(qū)間，那么他的區(qū)間測(cè)速超標(biāo)嗎？該區(qū)間某時(shí)刻汽車的瞬時(shí)速度可能超過120 km/h 嗎？（區(qū)間測(cè)速測(cè)的是平均速率，不超標(biāo)；某時(shí)刻汽車的瞬時(shí)速度有可能超過120 km/h）

對(duì)這些問題進(jìn)行思考，學(xué)生可建構(gòu)平均速度與瞬時(shí)速度的概念，發(fā)展科學(xué)思維核心素養(yǎng)。

3.數(shù)學(xué)表達(dá)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，也是一門遵循邏輯推理的科學(xué)，物理學(xué)的發(fā)展必須借助強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具。數(shù)學(xué)是物理的表達(dá)形式，數(shù)學(xué)能以簡(jiǎn)潔的語言刻畫物理世界的基本結(jié)構(gòu)，精確表達(dá)自然規(guī)律。因此，形成物理概念后，用數(shù)學(xué)表示是必不可少的，這也是培養(yǎng)科學(xué)思維的必由之路。

在“速度”概念的建構(gòu)中，數(shù)學(xué)表達(dá)體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是速度的定義，即位移與時(shí)間間隔之比，表示為二是用速度—時(shí)間圖像直接呈現(xiàn)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律；三是位移—時(shí)間圖像，割線的斜率表示平均速度，某點(diǎn)切線的斜率表示該點(diǎn)的瞬時(shí)速度。

以瞬時(shí)速度的建構(gòu)為例，可設(shè)計(jì)如下問題進(jìn)行教學(xué)。

問題8：如圖4 所示，在勻變速運(yùn)動(dòng)中，AB段內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的平均速度如何表示？（過A點(diǎn)的割線AB的斜率）

圖4

問題9：在物理學(xué)科中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔非常小時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的平均速度就可以認(rèn)為是瞬時(shí)速度。你能借助圖4 的幾何表示作出解釋嗎？（縮短與A點(diǎn)的時(shí)間間隔的割線AC，其斜率反映的是在線段AC段內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的平均速度，進(jìn)一步縮小時(shí)間間隔，當(dāng)時(shí)間間隔非常非常小時(shí)，過點(diǎn)A的割線就會(huì)逼近切線，而切線的斜率準(zhǔn)確表示了t0時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)快慢，即瞬時(shí)速度）

問題10：請(qǐng)從數(shù)學(xué)的角度，說說你對(duì)瞬時(shí)速度的認(rèn)識(shí)。（從數(shù)學(xué)角度看，導(dǎo)數(shù)的幾何意義是某點(diǎn)切線的斜率，從這個(gè)意義上講，瞬時(shí)速度就是位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即v=x′(t)或v=借助數(shù)學(xué)表達(dá)v=學(xué)生能很好地理解瞬時(shí)速度的本質(zhì)，即在極短的時(shí)間內(nèi)描述物體位置變化的快慢）

可見，數(shù)學(xué)工具不僅能精確地描述一個(gè)物理量隨另一個(gè)物理量變化的規(guī)律，而且能通過數(shù)學(xué)、物理的跨學(xué)科融合，連接思維斷檔處，促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念本質(zhì)的理解。

4.實(shí)驗(yàn)探究

物理是以實(shí)驗(yàn)和邏輯推理為核心的自然科學(xué)。要想真正地學(xué)好物理，必須讓學(xué)生建構(gòu)的每個(gè)概念、規(guī)律都經(jīng)得起理論的推敲和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)都是為物理概念和規(guī)律建立的完整性而服務(wù)的，因此物理實(shí)驗(yàn)不僅要講實(shí)驗(yàn)原理，還要講清操作步驟。

【實(shí)驗(yàn)】用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量紙帶的平均速度和瞬時(shí)速度

實(shí)驗(yàn)原理：某點(diǎn)瞬時(shí)速度的測(cè)量，利用v=其中Δx為包含待測(cè)點(diǎn)的較近的一段距離，如圖5所示。

圖5

操作步驟：

步驟1：紙帶起始點(diǎn)為0，其后每3 個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)；

步驟2：測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到起始點(diǎn)0 的距離（設(shè)為x）；

步驟3：計(jì)算兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移Δx，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間Δt；

步驟4：計(jì)算速度，即Δx和Δt的比值，將記錄和計(jì)算的數(shù)據(jù)填入表2。

表2 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量紙帶的速度

根據(jù)Δx和Δt算出的速度可以代表在Δx這一區(qū)間內(nèi)任意一點(diǎn)的瞬時(shí)速度。隨著時(shí)間間隔的不斷減少，由平均速度求瞬時(shí)速度，可以直觀感知“無限逼近”的極限思想，從而連接學(xué)生思維斷檔處，幫助學(xué)生突破難點(diǎn)。在此過程中，學(xué)生通過探究合作、自主交流，提升了學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力。

三、小結(jié)

解構(gòu)是為了弄清物理概念的內(nèi)容是什么，在眾多內(nèi)容中哪些是核心內(nèi)容、核心概念，以及核心概念的核心是什么；建構(gòu)是為了弄清如何教概念，如何根據(jù)物理內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)表達(dá)。概念是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)概念的解構(gòu)與建構(gòu)進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，這也是提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的有效途徑之一。