创设问题链促进物理概念教学

苏元宗

摘 要：物理概念具有高度的抽象性和概括性，一般高于学生的认知，概念教学是物理教学的核心之一。本研究采用“问题-发现”模式创设问题链，让学生“参与”概念的建立；采用“精加工”策略创设问题链促进概念的巩固；采用认知冲突策略创设问题链，“诱出”前概念，引发认知冲突，促进概念的正确运用。最后，阐明创设问题链是促进物理概念教学的一种有效策略。

关键词：物理概念；问题链；“问题-发现”模式；精加工；前概念；认知冲突

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）8-0077-4

学习物理，概念是基础和关键。在物理概念的形成过程中，科学思维最重要，因此物理概念的教学应该着眼于发展学生的思维。著名的瑞士心理学家皮亚杰从认知发生和发展的角度提出认知的主要过程是同化、顺应和平衡。由于物理概念形成的复杂性，皮亚杰认知理论可以把物理概念的建立、发展和完善的过程用下面的模式来概括（图1）：

新的刺激可以来自教师创设的问题链。问题链是教师根据学生的原有知识或前概念，预计学生可能产生的困惑或错误，把教学内容分解成一连串的教学问题；这些教学问题具有系统性，层次鲜明，互相联系又相对独立。本文以认知心理学理论为指导，以具体概念的教学为案例，探讨如何创设问题链，以建立、巩固、运用物理概念。

1 运用“问题-发现”模式创设问题链，促进物理概念的建立

“问题-发现”教学模式的目标是发展学生的思维能力、科学态度和意志力，具体做法是教师引导学生发现、解决问题。物理概念学习的主要障碍是感性认识不足。运用该模式在新概念的教学中可以让学生增加感性认识。下面以“位移”的教学为案例，在该模式下创设问题链，让学生在问题发现、解决过程中参与概念的建立。

1.1 教材、学情分析

位移是高中生要学习的第一个描述运动的矢量概念。虽然描述运动的日常语言非常丰富，但不如矢量语言准确、简洁，且矢量语言不依赖选择坐标系。基于这些优点，物理概念中有大量的矢量。对第一次接触矢量的高中学生，学习、掌握矢量工具比较困难。初学者既感到奇怪又难以理解，这些不仅有大小还有方向的矢量运算法则还和标量不同。因此，在矢量教学中要重点展现和标量的不同。

1.2 直接讲解的弊端

因为学生的认知结构中缺乏相应的知识储备，如果运用“传递-接受”模式，直接按照课本内容提问“北京到重庆有什么不同和相同”，然后仓促得出位移的概念，会导致感性认识不足，在后继的学习和应用中容易重复犯错，并且负迁移到其他矢量的学习，忽略矢量的方向性。久而久之，极易造成被动学习、机械学习，不利于学生学习主动性的发挥。

1.3 运用“问题-发现”模式让学生参与概念的建立

由于开学前刚经历过军训，感性认识较为丰富，因此笔者以教官指挥学员行走为问题情境，创设了如下的问题链：设一学员处于位置O，东西南北方位如图2所示。听从教官的下列指令后，他的位置会在哪里？

问题①：“行走8米”。学生沉思一会，发现这个指令不明确，只是交代路程8米，没有具体行走方向，末位置不能确定。经交流讨论后，得出他可能处于以O为圆心、半径8米的圆面内（如图3）。这个问题可以使学生的发散性思维得到一定展现。

问题②：“直行8米”。有了第一个问题作为铺垫，学生很快回答：他可能的位置在这个圆周上，但末位置还是不确定的。

问题③：“向东直行8米”。这次运动方向明确，因此有了明确的末位置A（如图4）。

问题④：“沿着曲线走到A点”（图5）。学生回答后，教师再提示比较③和④的不同：运动路径不同（③是直线运动，④是曲线运动），路程不同，但位置变化相同。

经过这几个问题，学生充分感受到了位置变动方向的重要性，方向不同，到达的位置也不同。从认知心理学角度理解，学生从最初试图用路程同化位移，到后来发现两者根本的不同，只好顺应，建立了新的命题网络。学生参与了位移概念的建立，明确了位移概念引入的必要性，位移的定义也可以顺理成章的得出。

初步了解了位移和路程的区别后，继续设问，加深位移具有方向性的理解。

问题⑤：“从A回到O”，位移和路程和④相比都相同吗？此时起点为A，终点为O，位置变化方向与④相反，位移不同，但路程相同。

位移的学习在新知识构建形式中，既不是上位学习，也不是下位学习，而是并列结合学习。学生在思考问题过程中新旧概念发生相互作用、建立实质联系，新的概念在学生的认知结构中基本形成。虽然所花时间是直接讲解的几倍，但学生经历了概念的形成过程，为长时记忆和远迁移起到了较好的促进作用。关于矢量和标量、一维直线运动的位移可以就这个情境继续设问。

2 运用精加工策略创设问题链，促进物理概念的巩固

“精加工”是巩固陈述性知识的一个策略，是在具体情境中对要巩固的知识精心增加相关额外的信息以达到记忆和理解的学习方法。相关额外的信息可以是知识的细节、应用的例子和推论或与其他概念的区别等。这种方法可以用于平均速度、瞬时速度和速率这几个概念的巩固。

2.1 学情分析——初学者的困惑

《速度》这节学习内容，从初中学的单一速度一下派生出平均速度、瞬时速度和速率这几个既有联系又有区别的概念。这几个相关概念对于初学者来说是不容易清晰区分的，和生活现象发生联系时如何辨别，都考验着初学者对这几个概念的理解和把握是否到位、深刻。对于极限思想是第一次接触，这种理论推导有什么现实意义？对于瞬时速度的定义会有疑惑：某一个位置竟然会有速度？对于瞬时速度的矢量性（具有方向）会很不习惯，很容易忽略。瞬时速度和速率有什么区别和联系？这些都需要补充相关的材料才能促进概念的巩固。

2.2 贴近生活的问题——让概念更生动

受教材里“STS”栏目费恩曼所举的有趣实例的启发，笔者创设了与学生生活经验有关的道路限速、测速的问题情境。

问题①：“这是我们校门口的交通标志，你们知道是表示什么意思吗？”出示图片（图6，红圈黑字），绝大多数学生都知道这是限速标志，已有的生活经验被调动起来。

问题②：“限的是平均速度还是瞬时速度？说出你的理由。”超过半数学生回答是瞬时速度，少数认为是平均速度。有的学生举出了道路测速仪为佐证，测速仪测的是该位置的速度，超过50 km/h即为超速，因此这个路段限速50 km/h指的是任何一个位置速度都不能超过50 km/h，所以是瞬时速度。教师赞赏学生的观察力和推理能力，接着播放视频（关于某司机超速被抓拍的新闻片段，如图7），为缺乏该生活经验的学生补充鲜活材料，并提出下个问题。

问题③：“视频测速的原理是什么？”这个问题有点难，对学生要求有些高，只有个别学生才能回答。学生回答后，出示图片（如图8），再次说明瞬时速度的测量完全是通过平均速度的测量进行替换的。△t越小，两者越接近。设计这个问题，一方面是从应用角度诠释极限思想的实际意义，另一方面为光电门测速和利用打点计时器测速作好铺垫。

问题④：“如果视频两次拍到同一辆车以相同速度经过同一位置，一次拍到车头，一次拍到车尾，说明该车——”反应快的学生马上接话“这辆车逆行了！”教师赞扬该学生“你可以做侦探了！”接着问：“从物理角度看，这两次速度相同吗？”因为有了照片的比对，学生很容易回答出“不同，因为方向相反”。生活中的速度和物理学的速度存在很多不一致的地方，强调速度的矢量性是物理的特征，这也是科学研究追求精确的要求。

问题⑤：“那么，开这辆车的司机能从驾驶室的速度计上看出两次的不同吗？”不能，因为速度计表示的是速率，即瞬时速度的大小。这个问题是把生活中的速度和物理中的速率之间的联系建立起来，有利于该知识的同化。

问题⑥：“只在一个位置安装测速仪，有什么缺点？”头脑灵活见识广泛的学生马上说，装上“电子狗”，有测速的地方开慢一点，没有的地方就开快一点。“你能想到有什么办法防止这个现象发生吗？”学生议论纷纷，各抒己见。

此时，教师打开新闻链接（2015-02-16 08：58：29杭州网）：浙江高速在上三线24公里新昌段试行区间测速，在同一段路安装两个监控点，记录同一辆车通过两个监控点的时间，计算该车在这一路段的平均行驶速度，判定车辆是否超速。新昌段限速90公里/小时，以这个速度行驶，至少需要16分钟。如果某车辆跑完这段路程的时间在16分钟内，说明该车平均速度超过了90公里/小时，就会被认定超速。

问题⑦：“新闻里平均速度和物理中平均速度含义一样吗？”学生经过思考发现两者不同，新闻里平均速度是以路程除以时间，物理中平均速度是位移除以时间。学生会疑惑了：“物理里有没有概念对应呢？”此时，教师适当解释平均速率的概念，只作了解。

新课标注重渗透STS教育，强调让学生在常见的生活现象中感受物理，将物理知识与熟悉的生活情境联系起来，逐步学会从物理的视角观察、分析社会生活与科学技术。以学生熟悉的道路这个情境作为创设问题链的背景，是秉承“从生活走进物理，从物理走向社会”的课程理念。经过这7个问题，学生对平均速度、瞬时速度、速率等物理概念和生活相关现象建立了有效的联系，知识得到了同化，概念得到了巩固。并且通过分析、比较、推理这些逻辑思维，原来只是陈述性知识的概念向程序性知识转化。

3 运用认知冲突策略创设问题链，促进物理概念的运用

奥苏贝尔在《教育心理学：一种认知观》说过：“影响学习的最主要的因素是学生已知的内容”。通过生活经验和学习在学生头脑中已经形成的这些相关的已知内容可能是不完整、有偏差、甚至错误的，即前概念。在教学中，教师必须首先设法让学生暴露他们的前概念。即使在概念运用阶段，比如在月地检验教学中，很多前概念仍然影响着学生的思维活动。因此，创设问题链，揭示前概念，引发认知冲突，是行之有效的教学策略。

3.1 教材、学情分析

万有引力定律的发现是体现科学家严谨而又富有创造的科学态度的科学发展史，是培养和发展学生思辨能力的好素材。本章的教学应该在历史背景下，让学生用已有的知识储备，运用逻辑思维，自己“发现”万有引力定律。

万有引力定律的发现过程中，“月-地检验”是其中关键的一环。它统一了“人间”的力与“天上”的力，进而扩大到万物之间的引力。牛顿从苹果落地发现万有引力定律的故事影响巨大，教学中通常把月球和苹果相比较。这部分内容牵涉很多概念：引力、重力、匀速圆周运动、自由落体运动、向心加速度、重力加速度，以及由这些概念组成的规律——牛顿运动定律。而在进行两者比较的时候，选择的参考系也不同。研究月球的运动以地心为参考系，研究苹果则是忽略地球的自转，以地面为参考系。因此，这部分内容的教学是个难点。

3.2 问题门槛太高，学生接不上茬

听课时，笔者发现教师都是这样问：“苹果受到地球的重力而下落，如果苹果树长到月球一样的高度，苹果还会不会掉下来？”学生的反应很是出乎意料，同声回答“不会”。确实，月亮是“悬挂”在空中的，苹果到月亮那个高度也是悬挂着的。为什么该县最好的学生也会犯这样明显的错误呢？原因在于教师所提的问题。新课标的编写意图是引导学生像科学家一样思考，科学家是经常性甚至长年累月的思考相关问题，学生显然不能在短时间内思维层次达到科学家一样的高度。但学生已经学过牛顿运动定律和圆周运动，知识储备已经足够了，为什么不能运用呢？很显然，前概念起了干扰作用。

3.3 问题原始化，揭示前概念， 引发认知冲突

现代认知心理学认为，失去了有助于回忆的编码线索，长时记忆中信息不能提取。要想激活学生原有的知识储备，必须设计适切的问题，“引诱”出学生的前概念，造成认知冲突。因此，笔者设计了如下的问题链。

问题①：“苹果受地球引力从树上落下，月球也受地球引力，为什么不掉下来？”这个问题相当“原始”，也许很多人孩童时代都曾经产生过如此疑问。之所以这样问，是对学生前概念的了解。果然，声音最响亮的回答是“太阳对月球也有引力，把地球对月球的引力平衡了”。看来，刚学的天体间的引力相关知识产生了前摄抑制。并且他们的前概念是月球处于平衡状态，真的是“悬挂”在空中。另外一个回答是“苹果质量小，会掉下来；月球质量大，所以不掉下来。”第二个回答应用了牛顿第二定律，值得肯定，但暂后回应。

问题②对于第一个回答笔者将计就计，“既然两个引力平衡了，那么月球处于哪个位置呢？”学生根据平衡条件（大小相等、方向相反）得出月球处于太阳和地球的连线上。在出示图9的时候，就有学生反应过来：“这是月球在发生日全食时的位置”。对于大小是否相等，比较复杂，不讨论（实际上太阳对月球的引力是地球对月球引力的2.5倍）。

问题③：“月球处于平衡状态吗？”原来喊得最响的那些学生如梦初醒，“不对，月球在绕地球做匀速圆周运动。”出示两个数据：月球轨道半径3.8×108 m，月球公转周期是T=27.3天，让学生计算月球绕地球的线速度有多大。

学生经过计算发现，肉眼看上去不怎么动的月球速度竟是如此之快。并且引发了联想：“苹果速度也这么快，也会绕地球做圆周运动，不掉下来了。”如图10，这不就是牛顿的人造卫星发射原理吗？

问题④：“这位同学你刚才说月球质量大，所以不掉下来，能具体解释下吗？”该同学振振有词“根据牛顿第二定律F=ma”。有学生这样反驳：月球质量再大，也是有加速度的，尽管很小，经过很长很长时间月球最终还是会掉下来的。但几十亿年过去了，月球还是在空中运动。

问题⑤：“看来地球的引力对月球产生的加速度不是让它下落的加速度，那是什么？”讨论到这里，排除了前概念的影响，学生原有知识被激活了，记忆中的正确的信息才能被有效提取。学生陆陆续续回答“向心加速度”。如果还有学生不明白，再演示小实验过山车模型，当小球以足够速度经过最高点时，尽管受到重力，也不会掉下来。

通过上述问题的解决，思维障碍被一一扫除，概念得到了正确的运用，规律的应用水到渠成。

参考文献：

[1]皮连生.学与教的心理学[M].上海：华东师范大学出版社，1997.

[2]梁旭.普通高中物理新课程案例研究[M].杭州：浙江教育出版社，2010.

（栏目编辑 邓 磊）