概念圖在力學教學改革中的設計及應用

阮 文,宋紅蓮,伍冬蘭,余曉光

(井岡山大學，江西 吉安 343009)

概念圖在力學教學改革中的設計及應用

阮 文,宋紅蓮,伍冬蘭,余曉光

(井岡山大學，江西 吉安 343009)

基于大學物理《力學》課程的教學特點,結合目前該課程教學的現狀及對大學物理教學改革的要求,對力學課程部分內容實施設計概念圖進行教學,用于調整力學課程的課堂教學方式,促進學生更好地理解和掌握力學概念和知識體系，培養學生的發散思維和創新能力。

概念圖；力學教學；發散思維；創新能力

0 引言

高等學校教學改革正在緊鑼密鼓地進行，其中在教材的建設方面已取得較好成果,但教學觀念、教師的課堂教學及學生的學習方式等方面，仍然以傳統方式為主。有些傳統方式已經嚴重阻礙了學生學習的積極性。只有在傳統教學方式中進行改革和調整，將學生的學習方式轉變過來,促進學生更好地理解和掌握科學概念和知識體系，促進學生發散思維和創新能力的提高,才能算是真正意義上的教學改革。

力學課程不僅是大學物理專業的基礎課程,也是其他理工專業的基本工具,但是力學知識概念多,理論體系復雜。盡管中學教育讓學生對力學部分有了較多的接觸和了解，但對于初入大學的學生,在成為物理專業技術人員之前,對力學課程的學習很多概念不清晰，基本框架比較模糊。我們認為把概念圖引入到力學的教學中,符合大學物理教學改革的要求，并且也是行之有效的方法之一。經過幾年的教學實踐,證明了在已有的教學手段上,引入概念圖可以取得較好的效果,有助于學生自主學習和探究。概念圖是康乃爾大學的諾瓦克(J.D.Novak)根據奧蘇貝爾(David P.Ausuber)的有意義學習理論提出的一種教學技術[1]，通過概念圖,能夠將未知概念與學生認知結構中已有概念建立聯系,使學生能以最快的速度發現自身的認知結構和知識本身的結構體系之間的差別,從而完成學習過程，同時還可根據學生已有的知識和經驗,沿著各種不同的方向展開,進行多角度、多側面、多層次和多結構的思維。通過推測、想象和創造性的思維過程,培養學生發散思維,使學生的思維更靈活,并向更高、更新的方向探索,產生出創造性的解決問題的能力。以下我們討論概念圖在力學教學中的設計及應用,教材依據漆安慎、杜嬋英先生編著的由高等教育出版社出版的普通物理學教程《力學》[2]。

1 設計力學概念圖遵循的原則

1.1 概念的層次由大到小的原則

概念的分層應遵從由大到小的原則，如剛體力學部分中要求掌握的概念和知識點非常多。理順概念間的關系,明確它們的地位及相互關系,建構相應的知識結構,是掌握這些概念和知識點的關鍵,否則易造成概念混亂，學習起來費力且費神。依據概念的層次由大到小的原則,設計了如圖1所示的概念圖,以“剛體力學”作為中心概念,將“運動類型”、“研究內容”、“相關物理量”放在第二層分支,處于中心概念的下級分支。然后,從第二層分支開始再設計它們的下層分支及更下層分支。若某一分支下的概念與其它分支的概念還有聯系,即可用連接線及相應的標注描繪,如“速度”與“角速度”及“加速度”與“角加速度”等概念是緊密相聯的,在概念圖中就可用連接線連接起來。這樣就形成了一個層次分明的網絡概念圖,由上而下層層深入,同樣的原則也可以應用到各個章節。

1.2 理論需要或思維發展的原則

設計概念圖可以根據理論體系建立的需要或者個人思維發展過程及思維習慣的原則，這也是一個較為常用的原則。圖2是對于質點運動學的教學概念圖,結合我們平時思維的習慣,教學的思維過程可以分劃為:“什么是質點運動學”→“如何描述質點運動”→“質點運動具有什么樣的規律”→“質點運動具有什么樣的圖像軌跡”等步驟，從而確定中心概念為“質點運動學”,下級分支分別為“描述質點運動的物理量”、“運動方程”和“軌道方程”。同樣,采用這樣的原則也可以設計剛體運動學的教學概念圖。

1.3 對稱性原則

物理學中的對稱性及守恒是一種藝術美學,其美學表現在力學基本定理及守恒定律上尤為突出。如動量定理指出力的時間累積過程必然導致一個狀態參量發生變化,由此科學地定義了動量，如果力在一個時間累積的過程中始終保持不變(合力為零)，則得到一個守恒量，即動量守恒；動能定理指出力的空間累積過程必然導致另一個狀態參量發生變化,因此定義了系統的狀態參量動能，特別是存在保守力做功的情況下，體系還存在勢能，因此定義了系統的機械能，并且僅在保守力做功的情況下，動能和勢能均發生變化，但兩者之和卻與過程無關,因而得到一個守恒量，即機械能守恒；角動量定理指出力矩的時間累積過程也必然導致一個狀態參量發生變化,也因此科學地定義了角動量,如果力矩在一個時間累積的過程中始終保持不變(合力矩為零)，則得到另一個守恒量，即角動量守恒。動量、能量和角動量在力學基本規律中是很重要的概念,明確了它們的引入、地位及意義,就能更好更深刻地掌握。圖3是按對稱性原則設計的力學三大基本定律的概念圖,在教學中如此歸納知識制作概念圖,不僅能讓學生更深刻地理解這些力學概念及基本規律,同時還給出了在力學中動量、能量及角動量這三個狀態量守恒的適用條件，使學生對物理思想有了更進一步的理解和認識。

1.4 類比原則

類比原則就是把物理意義相類似或者地位相當的概念作類比排列。如在歸納“質點運動”和“剛體定軸轉動”教學過程中，把“質量”和“轉動慣量”、“位置矢量”和“角坐標”、“位移”和“角位移”、“速度”和“角速度”、“加速度”和“角加速度”、“力”和“力矩”、“動量”和“角動量”這些概念都依據物理意義類似的原則作鄰近排列,設計概念圖如圖4所示，這樣在類比中可以加深學生對概念的理解。

總之,在設計概念圖時綜合考慮以上原則,同時,充分利用概念圖的靈活性,直觀地描繪出概念與概念之間的關系，一定可以設計出很多有利于課堂教學的概念圖。

2 概念圖在力學教學中的應用

設計概念圖并不是教學的目的,而是教學的一種策略,關鍵是利用概念圖教學能讓學生在學習過程中提出更多的問題并進行思考,培養發散性思維。因此,在設計及指導學生制作概念圖時,不能限制學生的思維,要盡可能多地羅列出與中心概念相關的分支概念。這是概念圖設計成功的保證,也是培養學生創新思維的關鍵。在力學教學中,根據不同的內容及教學要求使用概念圖,鼓勵學生設計出具有個性的概念圖，利用概念圖來輔助課堂教學,轉變學生的學習觀念,培養發散思維和創新能力，是非常值得借鑒的一種教學手段。

2.1 作為教師教學的輔助手段

在講授力學內容時,有些基本概念和定律學生中學已經學過,如牛頓定律。在教學中教師可以和學生一起復習,同時,進一步把把牛頓定律和動量定理、動能定理以及角動量定理等知識相互關聯起來,形成完整、系統的知識體系。以概念圖為主要線索,采用講授、提問及討論等多種手段相結合的形式逐步地把相應內容的概念圖繪制出來,如圖3。同時,教師應注意引導學生充分發揮想象力,開拓學生的創新思維。另外，概念圖可以作為引入新課及新概念的輔助手段，利用類比原則設計概念圖,如采用圖4的概念圖引入角動量概念,使學生對這一概念留下很深的印象,取得較好的教學效果。同樣,也可以采用同樣方法引入力學中其他物理量。

2.2 作為檢驗學生掌握知識的輔助手段

學生制作概念圖可以檢驗出學生對知識的理解和掌握程度，試想學生如果沒有對知識和概念的準確掌握和理解，是不可能制作出比較全面的概念圖的，只有在全面掌握和理解了所學知識點以及各個概念之間的關聯，才能制作出全面的知識概念圖,如圖3。同時學生在主動建構概念圖的過程中，可能激發他學習的主動性、創造性,使他們能夠感受到成功的快樂，從而促進其更好地自我學習和提高。

2.3 作為課后歸納總結的輔助手段

教師在課后歸納總結時,利用概念圖可使零散的知識結構化、條理化、系統化,如圖1。這有利于學生在頭腦中形成一個清晰的整體知識體系,并能長期有效地記憶和掌握知識體系。

3 結語

為培養適應21世紀競爭的高素質人才,力學教學必須由注重共性教育向兼顧個性教育轉變,創造有利于個性發展的空間,構建以學生為主體的教學模式[3]。在力學教學改革的探討和實踐過程中,人們做了很多有益的嘗試,并取得了一定的成效[4-6],但目前還未發現在力學教學中采用概念圖進行輔助教學。筆者認為利用力學概念圖輔助手段,在教學中可起到拋磚引玉的作用,讓學生在力學的學習過程中設計出符合自身特點的概念圖,化抽象思維為形象思維，將教師單向的枯燥理論教學化為師生多向的活躍思維,從而可以降低學生學習的難度,激發學生的學習興趣。每個學生都是一個獨立的主體,由學生設計的概念圖反映了學生的思維,具備學生自身的特征,學生設計具有個性的概念圖,對培養學生獨立思維及創新能力十分有利。因此,概念圖是力學教學中的重要輔助工具。對于學生來說,通過這樣的學習過程,不僅牢固掌握了力學知識,而且對其將來在實際工作中利用類似的方法進行學習和工作大有幫助。

[1] 李應.概念圖研究綜述及其應用[J].山西大同大學學報(社會科學版),2011,27(6):12-16．

[2] 漆安慎,杜嬋英.普通物理學教程:力學(第三版)[M].北京:高等教學出版社,2012.

[3] 阮文,余曉光,郭四玲.力學課程教學的調查分析與思考[J].職業時空,2014,10(7):116-118.

[4] 楊永明.力學課程教學改革探索[J].河北農業大學學報(農林教育版),2012,14(4):87-89.

[5] 阮文.《力學》課程教學改革的探討與實踐[J].技術物理教學,2010,18(3):14-15.

[6] 阮文.力學課程教學改革與物理專業學生創新能力的培養[J].廊坊師范學院學報(自然科學版),2016,16(3):111-113.

The Design and Application of the Concept Map on the Teaching Reform of Dynamics

RUANWen,SONGHong-lian,WUDong-lan,YUXiao-guang

(JinggangshanUniversity，Ji'An343009,China)

In order to change the classroom teaching and studying style, accelerate students' understanding and mastery of the concepts and knowledge system of college physics dynamics course, and to train their divergent thinking and innovation ability, the concept maps of dynamics are designed and applied by taking into consideration the teaching characteristics, the present teaching situation and the requirements of the teaching reform of dynamics course.

concept map;dynamics teaching;divergent thinking;innovation ability

2016-11-10

江西省教育科學規劃項目(13YB057);江西省高等學校教學改革研究課題(JXJG-10-15-16)；井岡山大學教學改革研究課題(XJJG-13-12)

阮文(1970-),男,博士,井岡山大學教授,研究方向:理論物理。

G642.0

A

1674-3229(2017)01-0106-04