探寻概念建构逻辑发展学生科学思维

2021-07-11朱海燕

中学理科园地 2021年2期

朱海燕

摘要：结合“加速度”教学实践，通过探寻加速度概念定义、性质、功用、与其它概念关系、关系网络及变式演练的建构逻辑，透视其发展学生科学思维的价值与意义，启发物理概念教学，落实发展学生科学思维目标。

关键词：概念;建构逻辑;科学思维;加速度

为适应时代进步和社会发展的需要，现代教育倡导能力型、发展式的学习。科学思维是重要的能力与品格，是把握客观事物本质属性、内在规律及关系、正确认识事物的思维，是物理学科核心素养的中心要素[ 1 ]。

概念教学是高中物理核心教学内容之一，是其它教学内容展开的前提与基石，概念教学效果的好坏直接影响到整个高中物理的教学效果。高中物理概念多数抽象程度高、内涵丰富，教学中教师若仅仅传授结论性知识只能达成学生浅层、机械的学习，学生遇到实际问题往往束手无策。建构主义学习理论指出，学生的学习是通过个人已有的知识、经验与新知识相互作用实现意义上的连接，从而建构新认知的[ 2 ]。新旧知识的顺利连接与融合通常需要教师的指引与帮助，尤其在抽象概念的学习中。教师引导学生经历物理概念的建构过程不仅能够帮助学生实现对该概念的理解与掌握，还能够在发展学生科学思维方面产生指引、启迪、培育的作用，实现学生知识、能力全面进展。物理概念如何建构，学生怎样经历，老师怎么引导，解决这些问题才能将帮助学生学习新知、发展科学思维落到实处，新知才有架构的阶梯，科学思维才有生长的土壤，概念建构逻辑正是指向解决这些问题的心智操作方式、方法和依据。只有老师把握为什么这么教、这么引导的逻辑才能设计恰当的教学情境、教学活动在教学过程中指导学生领会怎么想、为什么这么想的逻辑。

“加速度”是高中物理以及经典力学中的核心概念，抽象程度较高，学习中不易建构，各教材限于篇幅总体未能充分阐述方法性、思维性知识，教学中亟待老师深入把握概念建构逻辑，依托学生日常经验与认知，融合教材，启发思考，将知识动态化、结构化，准确而生动地实现建构。本文以“加速度”教学为例，着眼于逻辑视角，探寻加速度概念的生成足迹，透视发展科学思维价值，以期启发物理概念教学达成学生掌握新知、发展科学思维目标的思考。

1 定义概念，分析性质，强化类比思维

为何引入加速度概念？为比较速度变化快慢而引入，这是加速度概念建构的逻辑起点。怎么引入？学生已学习速度概念的定义，可类比思考，用速度变化对时间的比值比较，定义为加速度a。紧接着该探究它的性质，显然加速度是描述机械运动的物理量，自然要从最基本的时间、空间维度上探察。类比速度相关性质的分析方法，可得空间上加速度是矢量，时间上平均加速度对应时间、瞬时加速度对应时刻，在图象表达中分别对应速度时间图象割线斜率和切线斜率，新知识顺利同化纳入认知系统。类比思维常常在抽象知识的理解与建构中发挥具体化、简单化的作用，学生自初中以来已多次见识比值定义法，通过此次再度类比应用，他们的类比思维得以强化，定将应用得更熟练、更敏捷。

2 找寻意义，启导收敛思维

加速度大小用于反映速度变化快慢，它的方向有何功用？学生未接触曲线运动，只能在直线运动中寻找。可用正负代表矢量方向。仅着眼于加速度方向这单一信息，其物理意义难以显现任何端倪，收斂思维可以给予启示，在思维过程中，组织信息，指向中心点探察思考，获得发现或创意，解决问题。依据定义式，相关信息应为初速度、末速度、速度变化量、时间、加速度，初末速度大小的比较，速度方向的变化。斟酌各信息分析的必要性，指导学生依据惯性或加速度定义与运算分析得出速度不能突变，直线运动中，速度改变方向，必经减速再加速两阶段，可归结到速度大小变化情况中，不必独列信息。回到各类变速直线运动实例中，如表1，对比数据，聚焦正负，发现规律。

从表格数据中剔除速度变化量总与加速度同正、同负及时间都为正的特征，还能够发现的是都有加速度与初速度正、负相同（同向）时速度增大，加速度与初速度正、负相反（反向）时速度减小。这就是直线运动中探察出的加速度方向的物理意义。

物理学研究中，概念的形成，规律的发现等无不闪烁着收敛思维的光芒，通过实例分析启发导用收敛思维，能够对学生灵巧组合信息、探察信息、捕捉规律予以重要的启发。

3 理论论证，打磨求证思维

以上通过实例分析找出了直线运动加速度方向的物理意义，科学研究中由于实际观察或实验无法穷尽所有的事例，由此得出的结论可信度不能确保，往往需要理论证实。这是日常生活中求证思维的反映，用自己掌握的知识和经验去验证某一个结论的思维。理论论证从何入手？当前只能从定义式运算入手，直线运动，Δυ=aΔt，Δυ=υt-υ0。能体现矢量方向关系和作用的最直观的方法应属作图运算，但刚入高一的学生还未系统地学习矢量的运算，仅对位移运算能够直观理解，教学中只能以直线运动位移的作图运算为脚手架指导直线运动速度的矢量运算。物体前进后再前进，位移运算图为;物体前进后返回，位移运算图为; 速度相关运算也可作图展现，直线运动加速时，作图有;直线运动减速时，作图有，明显有a、v0同向加速，a、v0反向减速，理论得证。

实验探究与理论求证是科学探求真理的一对翅膀，逻辑推理、理论论证是科学思维不可或缺的重要方面，物理学习中需要理论求证的情况俯拾皆是，但凡遇到，唯有教导学生严谨分析，细心打磨。

4 辨析关系，养成关联思维

事物间的联系是普遍的，只有了解事物与其它事物纵横交错的联系，才能对事物理解得更深入，把握得更准确。物理量间也存在各种关系，关系有直接与间接之分，直接关系较近、较浅显，影响较明显，只有掌握直接关系才能进一步探索间接关系。物理量间最常见的，较直接的是大小关系（矢量还有方向关系）、变化关系。仅有加速度定义式下能够思量的是加速度与速度，速度变化量间的大小关系、方向关系与变化关系[ 3 ]。例如，v大，是否a也大？v向右，是否a也向右？v变大，是否a也变大？等。如何正确辨析这些关系？需以定义式的计算、分析及实际事实为依据，如徐徐启动的火车，加速至很大速度，但加速度很小。经分析及较多实例支撑，可总结出这些关系中仅加速度与速度改变量大小同为零及方向始终相同有关联，其余皆无必然关系[ 3 ]。

找寻概念间的关系是概念学习的必要内容，也是关联思维的重要应用。关联思维引导学习者全面深入地挖掘关系，在学习新知识中起到积极的推进作用，如概念间的关联往往可推进到物理规律。辨析加速度与速度、速度变化量间的大小关系、方向关系、变化关系，是理解加速度概念的重要内容，也是帮助学生感悟关联思维、养成关联思维的重要举措。

5 绘制网络，培育系统思维

布鲁纳指出，知识只有被完满的结构联在一起才易于识记[ 2 ]。只有在结构中勾连纵横的知识才有活力。绘制知识网络图是一种帮助知识结构化的有效技术手段，用图表的形式表征知识之间的内在逻辑关系，将关系结构化、可视化，帮助知识保持、促进知识迁移[ 2 ]。这是系统思维的运用，系统思维是人们运用系统观点认识事物的思维方法。系统是客观事物的基本属性，只有运用系统思维，立足整体，统观全局，才能认识系统的全貌，抓住系统的本质，把握系统的变化规律。“站得高望得远”是其功能的生动写照。物理学的研究、应用与发展都凝结了系统思维的成果。指导学生或独立或合作绘制知识网络图不仅是巩固、促进学生对所学知识理解与掌握的有效途径，也是对学生培育系统思维的可行方式。图1是依据本文逻辑绘制的加速度知识网络树状图。

6 变式演练，熟习横向思维

学习物理概念的意义不仅在于认识，更在于应用[ 4 ]。实际问题普遍是复杂多变的，学生只有深层理解知识，综合联系、灵活应用知识才能应对。概念应用于实际，恰是概念具体化，促进深层理解的过程。变式演练，就是围绕同一概念，每次创设不同情境的问题，引导学生从不同角度分析，暴露各方面偏差，纠正、完善、深化理解，提升能力的方式[ 4 ]。变式的方式契合了横向思维，是一种联系各个相关事物从不同角度分析找出问题答案的思维[ 5 ]。变式演练既是横向思维的应用也是横向思维的熟习。现举一例说明。

例1：下列对直线运动判断正确的是（）

A.加速度为正时，速度变大

B.加速度正，速度正，则速度变大

C.加速度变小时，速度变小

D.速度变小时，加速度与速度反向

设计意图：创设不同情境，或遗漏因素，或设置无关因素干扰，或逆向反推条件，考查学生对直线运动中物体速度增减条件的领会与应用。

综观加速度概念建构逻辑的探寻，如果说变式演练契合横向思维的应用与发展，那么思索加速度概念定义、性质、功用及与其它概念关系的过程可以说是纵向思维的体现[ 5 ]，而绘制概念网络图则是纵向、横向思维的汇集，各方面科学思维有机地集结融合，水到渠成演进为高水平的综合思维。

探寻概念建构逻辑，教学具有邏辑性，才能调动学生的思维参与教学过程[ 4 ]，帮助学生充分分化知识，准确理解知识，有效发展思维，有力提升素养。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2010：162-163.

[3] 李挺.速度、速度变化量、加速度三者的关系辨析[J]，湖南中学物理，2014（6）：79，65.