让物理概念在课堂中自然生成——基于《圆周运动》案例的比较研究，本文主要内容关键词为：圆周运动论文,物理论文,概念论文,案例论文,自然论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、背景及案例举例
《圆周运动》是人教版新课标高中《物理》必修2第五章第四节的内容。圆周运动是继平抛运动之后又一种特殊的、较为复杂的曲线运动，平抛运动和匀速圆周运动都是在必修1直线运动基础上的深化，平抛运动通过运动的合成与分解可以“化曲为直”，而圆周运动则必须用特有的物理量来反映其特征。从教学内容上看，《圆周运动》一节的教学重点是对描述匀速圆周运动快慢的物理量的理解，难点是比较匀速圆周运动快慢的方法；从教学方法上分析，这是一节物理概念教学课，物理概念是学生学好物理的关键，而学生形成、理解、掌握物理概念又是一个复杂的认知过程，既要以感觉、知觉、表象为基础，又要进行分析、综合、抽象、概括等活动。通过学情分析可以发现，学生在学习物理概念时，不注重理解概念的内在本质，在实际应用中错误百出，造成目前公认的物理难学的现状。
笔者在教学中发现，物理概念教学关键在于教师以怎样的呈现方式进行教学，不同的呈现方式直接导致教学目标的达成度不同。下面针对三则教学案例进行比较研究。
案例1
1.问题引入
学生观察四幅图片，如图1所示：物体轨迹的特点怎样？
2.如何比较匀速圆周运动快慢的研究
（1）以教室内的挂钟为例分析，学生讨论：时针和秒针端点哪个运动得快？说出你的依据。
生1：相同时间内，路程（弧长）大则运动得快。
生2：相同、路程比较时间。
教师引导：时针、秒针转过一圈分别需要多少时间？谁快？
生3：比较转过一圈所用时间的长短。
（2）学生阅读教材，说出比较匀速圆周运动快慢的方法。
（3）学生根据教材说出描述匀速圆周运动快慢的物理量，有线速度、角速度、周期；教师再补充频率与转速，并对每个物理量的定义式、字母表达、单位等逐一讲解，指出匀速圆周运动的实质是匀速率圆周运动。
3.线速度、角速度、周期的关系式：v=2πr/T，ω=2π/T，v=ωr
列出例题：假设秒针长度为20cm，求秒针端点的线速度与角速度大小。让学生解答。
案例2
1.问题引入
教师直接引入课题：今天学习一种新的运动形式——圆周运动，请大家举出几种生活中常见的圆周运动的例子。
生：钟表指针、电扇、过山车、自行车……
2.问题探究——如何比较匀速圆周运动的快慢
（1）学生思考与讨论：自行车的大齿轮、小齿轮、后轮边缘的质点都在做圆周运动，哪些点运动得更快些？说说你判断的理由。
生1：我认为大齿轮边缘上的点运动最快。
生2：我认为后轮边缘上的点运动最快。
学生对判断理由表述不是很清楚，有的学生干脆说是凭个人经验或感觉得出的结果。
（2）教师对学生的回答先不做评判，从教室外推出一辆准备好的自行车倒置在讲台上，如下页图2所示。在自行车的大齿轮、小齿轮、后轮边缘处做好三个记号，教师摇动自行车脚踏板，请学生仔细观察三个记号哪一个运动得快？
教师追问：你是如何比较匀速圆周运动快慢的？
师生合作：教师转动自行车脚踏板，学生分组利用停表测出自行车脚踏板和后轮的转动周期；然后比较两者在相同时间内转过的圈数，从而比较出后轮与小齿轮上述两种情况下的快慢。
（3）学生根据实验总结以下方法：
比较物体在一段时间内通过的圆弧长短；
比较物体转过一圈所用时间的多少；
比较物体在一段时间内半径转过的角度大小；
比较物体在一段时间内转过的圈数。
（4）学生阅读教材，把比较匀速圆周运动快慢的各种方法与书本对照，找出相关物理量：线速度、角速度、周期、频率、转速。
教师适当点评，并提出问题：
①匀速圆周运动中哪些物理量是变化的，哪些是不变的？②线速度、角速度、周期、频率、转速间的定量关系是什么？③根据定量关系，分析自行车大齿轮、小齿轮、后轮边缘的质点中，哪些点运动得更快些？
3.教师总结重要结论
同一传动各轮边缘上线速度相同；同一轮上各点的角速度相同。
课堂训练：教材第18页问题与练习。
案例3
1.问题引入
你在生活中看到哪些物体在做圆周运动？
生：钟表指针、自行车车轮、运动员弯道跑、电风扇叶子等。
2.如何比较匀速圆周运动的快慢研究
（1）用PPT介绍场地自行车比赛中个人追逐赛和计时赛，如图3所示，学生观看视频材料后，思考这两项比赛中如何判定胜利者？
（2）教师拨动教室内挂钟的秒针、分针，请学生比较谁走得快？
（3）学生讨论总结：可以用哪些方法比较做圆周运动物体的快慢？
教师点评，结合课本给出相关物理量：线速度、角速度、周期、频率、转速。
3.教师演示
（1）教师在挂钟的秒针中点处做好记号，请学生比较秒针端点与中点两处，哪个点跑得快？
（2）教师把准备好的齿轮模型（如图4）向学生演示，让学生比较齿轮边缘的两点谁跑得快？
4.课堂训练（略）
二、三则教学案例的比较与分析
三则教学案例的设计思路基本相同：用学生熟悉的生活实例引出课题——在学生的认知基础上展开对生活实例的研究——生成新的物理概念——理解与简单应用。这充分表明了物理来源于生活、关注学生的课堂主体与需求、开展合作探究的新课程理念已经逐步被教师接受，并落实到课堂教学行为之中。三则教学案例都把“如何比较匀速圆周运动的快慢”作为教学的核心，充分利用学生对生活中圆周运动的已有认知，通过观察现象、实验探究、合作讨论、比较分析等多种形式，使学生在对情景的体验与感悟中建立对线速度、角速度、转速、周期等物理概念的认识。这样一来，学生对物理概念的认识、了解、理解就是在生活经验上不断提升、总结得出的.是自然生成的，不是教师灌输与学生强记形成的，这样，学生便会欣然接受。
三则教学案例在教学环节的具体实施，即问题的设置、教师的教学呈现方式、课堂氛围与教学目标的达成上体现出一定的差异。
（1）案例1在对挂钟的时针、秒针转动快慢研究中，教师通过设置一个开放性问题，给予学生充分思考和讨论时间，并适时指导，让学生在不断的互动对话中交流想法，从现象到物理概念的形成，都建立在学生认知的不断发展基础上；师生围绕学习内容，共同参与，在对话与合作的方式中产生交互影响，在具体情境中推进学习过程。整节课没有花哨的形式，在师生的问与答中开始——发展——结束。但给人的感觉是“太平”，缺乏起伏与高潮，过于顺畅、线性化的学习过程，不仅缺少思维的碰撞，而且难以提高学习效果。另外，问题的设置有两点不足：①指向性不明确。如“物体轨迹的特点怎样？”前三幅图中物体的轨迹应该是一个面，改成“物体端点运动轨迹的特点怎样”较好；②思考深度不够。如“时针和秒针端点哪个运动得快？说出你的依据。”学生早已知道结果，改成“你可以从哪些方面比较三针的转动快慢？”较好。
（2）案例2注重学生的参与和自主探究，整节课紧紧围绕自行车展开，激发了学生高涨的学习热情。学生凭借经验猜想、教师转动自行车脚踏板的事实反映、学生的自主探究，结合实验得出了比较转动快慢的方法和描述匀速圆周运动快慢的物理量，既是对教材的创造性使用，又符合学生的认知心理与知识层次。在此过程中，也较好地实现了知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维教学目标，学生对概念的理解与掌握程度比案例1好。
（3）案例3中的教学手段多样化，实物展示、PPT课件与视频的动静结合，容量大、节奏快，使学生能够多感官参与，印象深刻。采用情景的对比，激发学生进行思维激辩，在观察比较中，将隐性的物理概念显性化、形象化，从而达成对物理概念的认识与理解。但由于视听媒体的过多使用，学生被声音、影像强烈吸引，反而造成了对现象与问题的思考深度与集中度不够的结果；部分学生热衷于自行车比赛的讨论，不能及时关注学习问题的研究。
三、关于高中物理概念在课堂中生成的几点思考
物理概念是特殊的“科学概念”，是反映物理现象、物理过程本质属性的一种抽象，是在大量观察、实验的基础上，运用逻辑思维方法，把一些事物本质的、共同的特征集中起来加以概括而形成的。中学物理中的基础知识主要是指物理概念和规律，其中，物理概念是形成物理规律的前提、是进行物理科学方法培养的媒体、是解决物理问题的核心。物理概念是整个物理知识体系的支撑点，没有科学的物理概念，就无法准确、科学的描述物理规律和物质结构。因此，物理概念的学习至关重要，学生对物理概念的理解和掌握程度，将直接影响到他们该学科的学习质量，对学生在实际生活中应用物理知识解决实际问题的能力素养等方面具有重要意义。然而，现实中教师感到物理难教，学生感到物理概念难学的“两难”状况一直困扰着广大师生。
要使枯燥的物理概念变得丰富有趣，让物理概念在课堂教学中自然生成，可从以下几个方面做起：
1.关注物理概念形成中学生的心理过程
教育心理学研究表明，学生物理概念的形成必须做好以下教学环节的工作：
（1）变式。变式是指交替变更所提供的形式，以便显示出其中本质的教学措施。物理现象的本质特征往往比较隐蔽、抽象，不易直接观察，且难于把握，教学中应当充分采取变式，突出其本质特征。
（2）比较。有比较才有鉴别，才能使学生真正理解物理概念的内涵和外延。例如，反映匀速圆周运动快慢的物理量较多，首先应比较它们分别是从哪个角度定义的；其次，再在比较中寻找相互间的联系，如线速度与角速度的关系、线速度与周期的关系等。
（3）下定义。下定义是使有关概念明确、清晰的提炼过程，也是把有关物理概念用语言精确地加以表述的过程。定义既可以帮助我们理解概念的本质，又有助于记忆所研究的问题。
（4）形成概念体系。物理概念不是孤立的，也不是一句话或一个公式能表达的，而是由概念的定义、物理意义、运算及运算规则、概念的种类等要素构成的。通俗地讲，就是通过概念教学，教师应把握从某一“知识点”出发，完善学生的概念转变的心理机制，形成对某部分内容认识的“知识链”，最终使学生在头脑中形成清晰的知识认识体系。
2.关注概念教学在问题情境中的生成
熟悉心理学研究表明：学习的内容与学生的生活背景越贴近，学生自觉接纳知识的程度就越高。问题情境即设置一种具有一定困难，由学生寻找完成任务的途径、方式，而又在学生能力范围内的学习情境，简而言之，就是在认知冲突的形成与解决中构建概念。
如何达成问题情境与生活场景、学习情景的融合？关键是问题情境要以直观方式再现书本知识所表征的实际事物或实际事物的相关背景。教学过程中解决的是学生认识过程中的形象与抽象、实际与理论、感性与理性以及旧知与新知的关系和矛盾。捷克教育家夸美纽斯说过：“一切知识都是从感官开始”。虽然这种论述未免有绝对化之嫌，但也的确反映了教学过程中学生认识规律的一个重要方面：直观情景可以使抽象的知识具体化、形象化，有助于学生感性认识的形成，并促进理性认识的发展。例如，案例1设置了研究挂钟指针转动快慢的问题情境；案例2设置的有关自行车的问题情境贯穿整节课堂，既关注学生的前概念，又通过问题情境引发学生的认知冲突，使学生对转速、角速度等概念的认识与理解是在问题情境中不断发展与生成的；案例3的齿轮模型则带给了学生全新的认识。
总之，创设情境既要为学生的学习提供认知停靠点，又要激发学生的学习兴趣，这是情境的两大功能，也是促进学生有意义学习的两个先决条件。