“惯性大小与速度有关”的概念转变及教学片段设计

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qi_anwei1986
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  读了《走出惯性的深层误区》与《如何理解惯性与速度无关》,笔者对“惯性大小与速度无关”的教学意犹未尽.笔者认为,学生以为“惯性大小与速度有关”是学生在日常生活经验中产生的前概念,要转变这一概念,需要充分分析其产生原因,再加以针对性的教学设计.
  1 “惯性大小与速度有关”前概念及其产生原因
  1.1 “惯性大小与速度有关”
  在高中人教课本中,有关惯性大小有如下描述:“对于任何物体,在它们受到相同的作用力时,决定它们运动状态变化难易程度的唯一因素就是它们的质量.”学生不难理解惯性与质量有关,但却很难理解这种关系的唯一性——很多学生认为“惯性大小与物体的速度有关”,速度越大惯性越大、速度越小惯性越小.
  1.2 物理中的“难易程度”
  人教版关于惯性的阐述是:物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质.物体具有惯性,即具有抵抗运动状态变化的“本领”.惯性的大小是保持原来运动状态“本领”的大小,也就是改变物体运动状态的难易程度(以下称“难易程度”).物体的运动状态越难改变,速度越难变化,惯性越大;运动状态越易改变,速度越易变化,惯性越小.而“难”与“易”,表现为相同外力下的速度变化快慢情况:在相同外力作用下,运动状态越难改变,则速度变化得越慢,加速度越小;运动状态越易改变,则速度变化得越快,加速度越大.因此,高中阶段,在研究影响惯性大小的影响因素时,作为衡量“难易程度”的物理量是相同外力作用下物体的加速度.
  1.3 学生前概念中的“难易程度”
  学生的认知中存在这样的物理情景:两辆质量相等而速度不等的车,速度大的车比速度小的车更“难”停下来.他们认为:物体速度越大,越难停下,即运动状态越难改变;速度越小,越容易停下,即运动状态越容易改变,表明惯性大小与速度大小有关.这种分析不仅在控制了质量这一变量的前提下提出速度影响惯性,而且推理过程看似完全合理.而这种推理的结果却明显是错误的.学生前概念中的“难”实为:快车的速度减到零,位移较大,由于“滑得比较远”所以说明难以停下.即“难易程度”的表现被理解为位移的大小.
  1.4 “惯性大小与速度有关”的产生原因
  物理上,物体运动状态变化难易程度表现为相同力作用下的加速度;学生前概念中,则没有明确这一点,甚至在不同物理情景中会偷换概念.这两者存在明显的矛盾.
  因此,对描述性语言“运动状态变化难易程度”的表征不明确,是学生不能否认“惯性大小与速度有关”的原因.
  2 基于概念转变理论的教学思考
  在建构主义中,将知识纳入认知结构中的适当部位,这种过程叫做认知结构的“同化”;如果原有认知结构与新知识差别太大或发生矛盾,则主体必须先对原知识结构进行修改或重建新的机构,依靠修改(或重建)后的认知结构去组织新知识,这个过程叫认识结构的“顺应”.通过不断的“同化”和“顺应”,形成新的概念和规律,发展认知结构.
  学生原有认知为“惯性大小与速度有关”,而待构建的新认知为“惯性大小与速度无关”.两者存在明显的矛盾,需要“顺应”.因此,教学过程应该让学生明确并认同用于表征惯性大小的物理量是加速度,在此基础上再通过探究以得知惯性大小的影响因素,重新组织相关知识.倘若学生已经理清了应该观察什么物理量以判断惯性的大小,则转变“惯性大小与速度有关”这前概念将不再困难.因此,本文要解决的教学难点为:使学生明确并认同惯性大小的表征,即最终认同用加速度而非位移等物理量去表征惯性的合理性.
  根据波斯纳的概念转变模型,对前概念的不满意是促使学生概念转变的关键因素.因此利用引发认知冲突的方法来促进前概念转变,对于纠正学生的错误概念是一种极为有效的教学策略.
  要转变学生“惯性大小与速度有关”的前概念,可以通过创设能使学生产生认知冲突的物理情景,引起学生注意到尚未明确的用于衡量惯性大小的物理量,再进行讲授,来使学生明确并认同用加速度来衡量惯性大小的合理性.
  3 教学片段设计
  据以上的分析,笔者认为在教学中,应该添加一个片段,用以帮助学生明确自身认知中关于“难易程度”理解的偏差.笔者尝试根据概念转变理论,设计教学以帮助学生明确与认同“应该用加速度来表征改变物体运动状态的难易程度”,进而与《如何理解惯性与速度无关》的实验设计衔接,以改善该知识点的教学.
  3.1 明确前概念中用于衡量难易程度的物理量
  教师提问:为什么认为速度越大,惯性越大呢?是否有事实依据?
  学生回答:两辆质量相同的汽车,速度大的较难停下,速度小的容易停下.
  教师提问:其中的“难”与“易”是就什么物理量而言的?
  学生讨论与回答:停下来的过程中,速度大的物体位移大,所以比较难;速度小的物体位移小,所以比较容易.
  教师重申:也就是说,在这种情景中,我们用位移来衡量“难易程度”.
  3.2 利用课件呈现引起认知冲突的情景
  给学生呈现以下两个情景.
  情景一 A、B两车同向匀速行驶,A在后、B在前,A的速度较大,B的速度较小;当A赶上B时,两车同时开始刹车,A滑行的距离较长,B滑行的距离较短.
  情景二 与情景一类似,但A滑行的距离较短,B滑行的距离较长.
  教师提问:这两个情景有什么区别?
  学生回答:情景一中速度大的车停下过程中滑行距离较长,而情景二中速度大的车滑行距离较短.
  (实际上情景一是显化学生认知中已有的刹车瞬间情景,而紧接着的情景二则意在与学生认知的已有情景产生冲突.)
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