影響學(xué)生理解加速度概念的因素探討

摘要: 加速度概念是物理學(xué)的重要概念，也是人類認(rèn)識(shí)史上最難建立的概念之一，是每個(gè)初學(xué)物理的人最不易真正掌握的概念。本文從概念本身的因素和學(xué)生的認(rèn)知水平等角度探討影響理解加速度概念的因素，以期給教學(xué)實(shí)踐提供一些參考。

關(guān)鍵詞: 加速度概念理解因素認(rèn)知水平

加速度概念是物理學(xué)的重要概念;加速度是描述質(zhì)點(diǎn)速度變化的物理量，貫穿質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程;加速度深刻地揭示了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，是聯(lián)系力與運(yùn)動(dòng)的橋梁。

但是在教學(xué)實(shí)踐中，許多教師有共同的體會(huì):加速度概念難學(xué)難教。這是人類認(rèn)識(shí)史上最難建立的概念之一，也是每個(gè)初學(xué)物理的人最不易真正掌握的概念[1]。筆者從概念本身的因素和學(xué)生的認(rèn)知水平等角度探討影響理解加速度概念的因素。

1.加速度概念本身的因素

加速度的概念是由伽利略首先提出來(lái)的。

加速度的定義:加速度是速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值。若用△v表示速度的變化量，用△t表示發(fā)生這一變化所用的時(shí)間，則有a=△v/△t。加速度與速度沒(méi)有直接關(guān)系。速度大，加速度不一定大;反之，加速度大，速度不一定大。

加速度是個(gè)矢量。加速度的大小和方向由物體所受合外力和質(zhì)量決定。

加速度是一個(gè)多級(jí)變量:物體位置的變化→位移，

困難之一:對(duì)加速度概念的建立來(lái)說(shuō)，前面的每個(gè)環(huán)節(jié)都要鏈接起來(lái)。

困難之二:多維的因素，不僅要考慮速度變化的大小，還要考慮速度變化的方向，并且要考慮對(duì)應(yīng)的變化的時(shí)間。

困難之三:是建立在抽象概念之上的抽象概念。日常生活中，沒(méi)有對(duì)應(yīng)物，難以建立表象。

加速度是用比值定義式來(lái)定義的。它描寫(xiě)的不是物體自身固有性質(zhì)[2]，而是外在的狀態(tài)。物體的速度和加速度的數(shù)值會(huì)隨著參考系選擇的不同而變化，即便在同一個(gè)參考系中，也可隨著作用力、力的作用時(shí)間的不同而變化，所以不能說(shuō)速度和加速度是物體自身的一種屬性。比值量的定義式中，有一類相比的物理量并不具有確定的取決于物體自身的數(shù)量關(guān)系。比如，速度的定義式中，路程與時(shí)間，就不一定具有確定的比例關(guān)系，反映在函數(shù)圖像上，物體的“s—t”圖像可以是斜率不同的直線，也可以是曲線、折線等。在加速度的定義式中，速度變化量與時(shí)間，也不一定具有確定的比例關(guān)系。而且，在比值量的定義式中，相比的兩個(gè)物理量之間不具有一定的因果關(guān)系，對(duì)于加速度來(lái)說(shuō)，時(shí)間的改變并不一定導(dǎo)致速度的改變。

這一類比值量應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生利用比值比較不同事物的能力為其重要任務(wù)。以加速度的教學(xué)為例，為了幫助學(xué)生形成加速度的概念，教師一般需引入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢不同的兩物體的實(shí)例，分析表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的方法。通過(guò)回顧速度概念形成過(guò)程中比較物體運(yùn)動(dòng)快慢的方法可知，有兩種比較物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變快慢的方法:第1種是比較相同時(shí)間內(nèi)不同物體速度變化的大小，第2種是比較發(fā)生相同的速度變化所需時(shí)間的長(zhǎng)短一般選用第一種方法，且用單位時(shí)間作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)定義加速度。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生解決了比較什么、怎樣比較、怎樣選擇比較標(biāo)準(zhǔn)等一系列問(wèn)題。通過(guò)類似概念的教學(xué)，學(xué)生比較事物的能力就會(huì)逐步得到培養(yǎng)和發(fā)展。在教學(xué)中，如果教師僅依據(jù)分析某一事物的某一現(xiàn)象或某種性質(zhì)時(shí)得到的單個(gè)(或同樣少)比值來(lái)定義相應(yīng)的比值量，而不是將諸多事物的同一性質(zhì)或者將同一事物的不同現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，就會(huì)造成該比值量的引入缺乏充分的基礎(chǔ)，學(xué)生也就不容易深刻理解相應(yīng)概念的內(nèi)涵。例如，在幫助學(xué)生建立速度概念的過(guò)程中，如果教師僅以某個(gè)物體做某種勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)路程與時(shí)間的單個(gè)(或同樣少)比值為基礎(chǔ)定義速度，那么學(xué)生對(duì)速度概念的理解就肯定是不透徹的。速度概念的建立，既可以對(duì)同一物體的不同運(yùn)動(dòng)快慢的分析為基礎(chǔ)，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上不同物體的不同運(yùn)動(dòng)快慢的討論為基礎(chǔ)。

2.學(xué)生的認(rèn)知水平

皮亞杰認(rèn)為，對(duì)于速度的比率概念，即速度是關(guān)于時(shí)間和行駛距離的關(guān)系，進(jìn)入具體運(yùn)算階段(7—11歲)才能形成;而要真正理解時(shí)間和速度的關(guān)系，則要進(jìn)入形式運(yùn)算階段(7-l5歲)才行[3]。

吳嫻等人的研究中發(fā)現(xiàn)，低年級(jí)兒童距離概念處于優(yōu)勢(shì)維度，時(shí)間概念處于非優(yōu)勢(shì)維度。[4]

黃湘武等人對(duì)兒童速度概念發(fā)展所做的研究發(fā)現(xiàn)，小學(xué)到初中階段的學(xué)生速度概念的發(fā)展，經(jīng)歷下列4個(gè)典型的階層:階層一:只考慮距離或時(shí)間一個(gè)量;階層二:綜合考慮距離和時(shí)間兩個(gè)量;階層三:保持距離或時(shí)間其中一個(gè)量恒定，通過(guò)另一量進(jìn)行判斷;階層四:任意條件下都能正確把握距離和時(shí)間比的關(guān)系進(jìn)行判斷。

那么，學(xué)生對(duì)加速度概念的理解，是否也存在相似的階層呢?是否也有優(yōu)勢(shì)維度的存在呢?這是有待于研究的問(wèn)題。

在解決問(wèn)題時(shí)，學(xué)生往往表現(xiàn)出兩種不同的水平:直覺(jué)水平和邏輯水平[5]。學(xué)生頭腦中，對(duì)加速度和速度的關(guān)系記得比較牢，有著正確的位置、速度和加速度的定義。學(xué)生能重述上述定義，能直接用定義判斷一些說(shuō)法的正誤，但卻不能用于解決復(fù)雜情境中的問(wèn)題。同時(shí)，他們頭腦里還存在著錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，例如認(rèn)為物體的位置在前，速度就大，加速度就大;速度大，加速度也大;速度為零，則加速度也為零……學(xué)生在遇到實(shí)際問(wèn)題，特別是復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，往往不能應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)概念和知識(shí)去解決問(wèn)題，即不能在邏輯水平上使用正確的概念去解決問(wèn)題，而是在直覺(jué)水平上使用錯(cuò)誤概念。兩套系統(tǒng)并存，其實(shí)就是加速度的概念沒(méi)有真正建立，或者說(shuō)不牢固。

孔祥艷在對(duì)高中物理教學(xué)內(nèi)容認(rèn)知水平的研究中發(fā)現(xiàn)，理解難易程度不同的知識(shí)內(nèi)容，要求學(xué)生的認(rèn)知水平不一樣。[6]如果教學(xué)內(nèi)容的要求的認(rèn)知水平與學(xué)生具有的認(rèn)知水平相當(dāng)時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果最好;而當(dāng)教學(xué)內(nèi)容要求的認(rèn)知水平比學(xué)生具有的認(rèn)知水平高時(shí)，需要教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，尋求適當(dāng)?shù)拇胧詼p少學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的思維障礙。她認(rèn)為學(xué)生在運(yùn)算模式上要有理論推導(dǎo)和函數(shù)關(guān)系，在認(rèn)知水平上達(dá)到形式運(yùn)算水平，才能夠理解加速度這個(gè)概念。

而丁詠在研究高中學(xué)生物理認(rèn)知水平時(shí)，發(fā)現(xiàn)84%的被試學(xué)生物理認(rèn)知水平處于具體運(yùn)算階段，16%的學(xué)生達(dá)到形式運(yùn)算階段。[7]美國(guó)曾經(jīng)進(jìn)行大規(guī)模的研究，發(fā)現(xiàn)只有13.2%的初中學(xué)生，15%的高中學(xué)生和22%的大學(xué)生達(dá)到了形式運(yùn)算階段。

認(rèn)知水平，很大程度上限制了學(xué)生對(duì)加速度概念的真正理解。

3.外部提供的支持

3.1生活經(jīng)驗(yàn)的支持

概念學(xué)習(xí)要經(jīng)歷“感知覺(jué)—意象—定義—運(yùn)用”的四個(gè)階段構(gòu)成的過(guò)程。要形成正確的物理概念，充分理解物理概念的內(nèi)涵和外延，靈活解決物理問(wèn)題，學(xué)生首先必須獲得有關(guān)客觀事物足夠多的感性材料，其次感知后形成的表象要鮮明完整，如果感知后形成的表象不夠鮮明或殘缺不全，會(huì)影響進(jìn)一步的思維加工。而加速度，卻難以在日常生活中找到對(duì)應(yīng)物，缺少了表象。在人們的日常生活中，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體，可以問(wèn)它走了多遠(yuǎn)，這是距離的概念;可以問(wèn)它走多快，這是速度的概念。然而，在各國(guó)的語(yǔ)言中都沒(méi)有與加速度相對(duì)應(yīng)的詞。不學(xué)物理，在人們的頭腦里是不會(huì)自發(fā)地形成加速度的概念的。人們只有籠統(tǒng)的快和慢的概念，這有時(shí)指的是速度，有時(shí)指的是加速度。最接近加速度概念的就是速度的概念了，它們?cè)诙x上有相似之處，都是變化率。加速度表示速度的變化率，而在現(xiàn)實(shí)情況下，如果速度的變化不夠快時(shí)就很難感覺(jué)到它的變化。不少學(xué)生無(wú)法區(qū)別速度和加速度[1]。對(duì)中國(guó)學(xué)生來(lái)說(shuō)，還有個(gè)特有的困難。加速度和速度在詞型上相似，太接近，往往會(huì)導(dǎo)致兩者混淆。而英語(yǔ)中的速度是“velocity”，加速度是“acceleration”，詞型不相似。

3.2教師采取的教學(xué)方式的影響

傳統(tǒng)的教學(xué)以“講授—解題”為主，往往忽視概念的真正全面理解而只顧解題，不利于學(xué)生物理概念的建立。在教學(xué)實(shí)踐中，典型的物理課就是教師簡(jiǎn)單地引入概念或規(guī)律，然后在舉例說(shuō)明、驗(yàn)證和練習(xí)上花大量的時(shí)間，以為“精講多練”，學(xué)生就會(huì)懂了。結(jié)果使得學(xué)生的精力主要集中在解題技巧、解題策略上，而不是對(duì)基本概念的真正理解上。這樣的學(xué)習(xí)，會(huì)遇到很多困難，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難和厭學(xué)情緒。研究還表明傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤概念的改變作用是很小的，[5]企圖通過(guò)告訴學(xué)生一個(gè)科學(xué)的概念而使學(xué)生在頭腦中建立起該科學(xué)概念往往是無(wú)效的。鄭淵方在研究中發(fā)現(xiàn)，“探究式教學(xué)方法”與傳統(tǒng)的“講授—接受”為主的教學(xué)法方法相比，更有利于學(xué)生達(dá)到對(duì)密度概念的深層理解，使學(xué)生概念發(fā)展水平較早地出現(xiàn)較大幅度的提高。接受探究式教學(xué)方法的學(xué)生，概念發(fā)展水平顯著高于接受傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生。[8]

3.3數(shù)學(xué)水平對(duì)物理概念的建立也有影響

學(xué)生能接受加速度在文字上的定性的定義，但是對(duì)加速度在數(shù)學(xué)上的定量關(guān)系——變化率，就不太容易接受。

參考文獻(xiàn):

[1]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程:力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1995:18.

[2]王志宏，李衛(wèi)平.談比值法定義的兩類物理量及其教學(xué)[J].物理教師，2007，Vol.28，(4):6-7.

[3]皮亞杰，英海爾德.兒童心理學(xué)[M].北京:商務(wù)印書(shū)館，1980.

[4]吳嫻，趙光毅，羅星凱.一項(xiàng)關(guān)于低年級(jí)兒童速度概念發(fā)展的研究.廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版)[J].2005，41(1):95-97.

[5]曲亮生，郭玉英.認(rèn)識(shí)我們的教師和學(xué)生(1)[J].物理教師，2000，21(5):4-10.

[6]孔祥艷.高中物理教學(xué)內(nèi)容認(rèn)知水平的研究[D].北京:首都師范大學(xué)，2004.

[7]丁詠.高中學(xué)生物理認(rèn)知水平的研究[D].北京:首都師范大學(xué)，2003.

[8]鄭淵方.初中學(xué)生物理概念發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶:西南師范大學(xué)，2001.