淺析支架式教學(xué)模式在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用*

黃樹清 王素云 黃 薇

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350007)

1 支架式教學(xué)的內(nèi)涵及其模式理念

支架式教學(xué)理論基礎(chǔ)主要是來源于建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論和維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)”理論[1].維果斯基把學(xué)生的發(fā)展水平分為兩種：一種是學(xué)生的現(xiàn)有水平，即學(xué)生能夠獨(dú)立解決問題的智力水平，稱為第一發(fā)展水平；另一種是學(xué)生即將達(dá)到的發(fā)展水平，即借助外界的幫助可以達(dá)到解決問題的發(fā)展水平，稱為第二發(fā)展水平[2].維果斯基把這兩種水平之間的差距即稱為“最近發(fā)展區(qū)”.支架式教學(xué)模式基于該理論基礎(chǔ)，教師根據(jù)學(xué)生兩種發(fā)展水平，準(zhǔn)確制定教學(xué)目標(biāo)，找準(zhǔn)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上搭建一系列幫助學(xué)生自主建構(gòu)概念的學(xué)習(xí)支架，借助支架的支撐作用把學(xué)生的智力從已有水平提升到潛在發(fā)展水平，從而進(jìn)行有效教學(xué)，如圖1所示.

圖1 “最近發(fā)展區(qū)”理論

在教學(xué)中，教師要介入學(xué)生的發(fā)展，就必須找到最適宜的介入點(diǎn)，而最近發(fā)展區(qū)為教師提供了一個(gè)理想的空間[3].

2 在概念教學(xué)中運(yùn)用支架式教學(xué)的環(huán)節(jié)與方式

支架式教學(xué)以學(xué)生為主體，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)的漸進(jìn)性.在物理概念教學(xué)中，可以利用物理情境、小組協(xié)作、自助探索、師生會(huì)話等方式在最近發(fā)展區(qū)內(nèi)開展教與學(xué)，一般包括5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)[4],如表1所示.

表1 支架式教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方式

其中支架式教學(xué)的關(guān)鍵就在于學(xué)習(xí)支架的構(gòu)建.學(xué)習(xí)支架的形式多種，包括范例支架、問題支架、建議支架、工具支架、圖表支架以及實(shí)驗(yàn)支架等[5].在物理概念教學(xué)中選擇何種支架以及如何構(gòu)建支架正是許多教師在應(yīng)用支架式教學(xué)模式時(shí)的難點(diǎn)所在.筆者以司南版高中《物理·必修2》第四章第1節(jié)“勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的描述”為例，以“自制教具”實(shí)驗(yàn)支架和問題支架為主，范例支架、工具支架和圖表支架為輔，進(jìn)行支架式教學(xué)模式在概念教學(xué)中的應(yīng)用探討.

3 教學(xué)背景：勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的描述

3.1 教材分析

勻速圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)基礎(chǔ)來自前面的曲線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為后面學(xué)習(xí)向心力、離心運(yùn)動(dòng)以及萬有引力等知識(shí)做準(zhǔn)備，是曲線運(yùn)動(dòng)中非常重要的概念課.教材通過比值定義法引出線速度的概念；提供齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)模型，直接通過比值定義法引出角速度的概念.介紹周期、頻率和轉(zhuǎn)速的概念，推理得出線速度和角速度之間的關(guān)系.分析可知，“理解線速度、角速度、周期的概念及它們之間的關(guān)系”是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，而“為什么有了線速度還要引入角速度的概念”是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn).

3.2 學(xué)情分析

學(xué)生在初中和高中已經(jīng)分別學(xué)會(huì)利用比值定義法來定義“速度”和“加速度”概念，并對變速運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)有一定了解.具備一定分析、推理能力，但是邏輯思維能力較弱.在認(rèn)知方面，對于線速度和角速度的物理意義理解方面較為困難.

3.3 設(shè)計(jì)理念

科學(xué)教育不僅要使學(xué)生獲得顯性的科學(xué)知識(shí)和技能，還特別注重學(xué)習(xí)過程和方法，情感、態(tài)度和價(jià)值觀等內(nèi)隱科學(xué)素養(yǎng)的提高.學(xué)習(xí)角速度時(shí)，一般都是直接定義并運(yùn)用的，本節(jié)從探究物理學(xué)中“為什么已經(jīng)有了線速度，還要引入角速度”入手，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷引入角速度的探究過程，深刻理解它的物理意義，讓學(xué)生體會(huì)每個(gè)物理概念的引入都有其必要性，也培養(yǎng)了學(xué)生深入思考問題的學(xué)習(xí)習(xí)慣.

3.4 根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況搭建支架

基于教材內(nèi)容和學(xué)情分析，筆者搭建了不同類型的支架，幫助學(xué)生完成勻速圓周運(yùn)動(dòng)幾個(gè)概念的構(gòu)建，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，在課堂教學(xué)中，筆者給學(xué)生提供了以下兩種支架.

實(shí)驗(yàn)支架:從設(shè)計(jì)理念可知本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)是角速度概念的引入，為了讓學(xué)生更好地理解引入角速度的必要性，筆者利用自制教具的演示實(shí)驗(yàn)，模擬自行車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，從而產(chǎn)生感官認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中尋找出“僅用線速度無法描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢”的關(guān)鍵問題.

問題支架:根據(jù)本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)膯栴}支架能夠幫助學(xué)生越過學(xué)習(xí)困境.因此，教師要用不同層次的問題幫助學(xué)生搭建學(xué)習(xí)腳手架，隨著問題的提出和解決，幫助學(xué)生對之前的知識(shí)進(jìn)行修正、補(bǔ)充，最終達(dá)到全面正確地對所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu).

4 具體支架的實(shí)施

主要以線速度和角速度概念為實(shí)施片段.

4.1 搭建支架

通過對學(xué)生學(xué)習(xí)情況和認(rèn)知情況的了解，我們確定了以下概念框架，如圖2所示，圖中實(shí)線框表示學(xué)生已有認(rèn)知水平，虛線框表示學(xué)生潛在認(rèn)知水平.

圖2 線速度概念框架

4.2 線速度的概念

范例支架：通過課件演示做圓周運(yùn)動(dòng)的兩質(zhì)點(diǎn)A,B.

問題支架：讓學(xué)生比較A,B的運(yùn)動(dòng)有什么不同.

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，它們都做圓周運(yùn)動(dòng)，但A快慢幾乎不變，而B時(shí)快時(shí)慢.教師指出，物理學(xué)中研究問題遵循從簡單到復(fù)雜的思想.因此，先從最簡單的勻速圓周運(yùn)動(dòng)開始研究，即在任意相等時(shí)間內(nèi)通過的弧長都相等的圓周運(yùn)動(dòng).教師再取質(zhì)點(diǎn)C，且讓C也做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生再觀察，經(jīng)過相等時(shí)間A,C的運(yùn)動(dòng)情況有什么不一樣.學(xué)生發(fā)現(xiàn)：A運(yùn)動(dòng)得快，而C運(yùn)動(dòng)得慢，如圖3所示.

圖3 課件演示

范例支架：教師通過課件演示的方式制造情境支架，讓學(xué)生產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)快、時(shí)慢、時(shí)不變，不變時(shí)即為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，再利用該情境支架進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)非勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)快、時(shí)慢，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，體會(huì)線速度概念引入的必要性.

問題支架：教師提問,如何比較勻速圓周運(yùn)動(dòng)的快慢呢？學(xué)生一般可以想出,運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，比較弧長，弧長長的，運(yùn)動(dòng)快,也可以讓通過的弧長相等去比較時(shí)間，時(shí)間短的，運(yùn)動(dòng)快.教師肯定學(xué)生想法，進(jìn)一步提出前兩種方法具有特殊性.并拋出問題,如果時(shí)間和弧長都不相等，又該怎么比較？學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，提出可以用弧長與時(shí)間的比值，即單位時(shí)間內(nèi)通過的弧長來比較.比值大的，運(yùn)動(dòng)快.教師再次追問，是否還可以用其他的方法描述快慢.學(xué)生提出，也可以用時(shí)間與弧長的比值，即通過單位弧長所需的時(shí)間來比較，比值小的，運(yùn)動(dòng)快.

該環(huán)節(jié)通過問題和范例支架的方式讓學(xué)生利用所學(xué)的比值定義法，建立線速度概念，經(jīng)歷了自主探究過程，學(xué)習(xí)從易到難、從特殊到一般的研究方法并培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，符合新課改注重物理學(xué)核心概念建立的理念.

4.3 線速度的方向

教師提問：對于勻速圓周運(yùn)動(dòng)，各點(diǎn)的線速度大小相等，各點(diǎn)的線速度方向有什么特點(diǎn)呢？

實(shí)驗(yàn)支架：下面是一個(gè)近似光滑的豎直環(huán)形擋板，擋板的某個(gè)缺口處是可以打開，也可以合上的.讓沾有墨水的小球在近似光滑的水平面內(nèi)沿著擋板做圓周運(yùn)動(dòng).當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到缺口處時(shí)，打開擋板，由于慣性，小球以原來的速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡被記錄下來了,如圖4所示.

學(xué)生根據(jù)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡判斷出這一點(diǎn)的線速度方向是沿圓周上該點(diǎn)的切線方向.教師進(jìn)一步總結(jié)：由于這一點(diǎn)是任意選取的，所以圓周運(yùn)動(dòng)線速度的方向總是沿圓周上該點(diǎn)的切線方向.

自制教具取材簡單，更好地搭建了實(shí)驗(yàn)支架，使得現(xiàn)象直觀、具體.學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)線速度的方向其實(shí)沿切線方向，轉(zhuǎn)變學(xué)生認(rèn)為小球會(huì)沿半徑方向飛出的前概念.實(shí)驗(yàn)支架揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生分析現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的能力，同時(shí)潛移默化地提升學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí).

圖4 自制環(huán)形擋板實(shí)驗(yàn)儀

4.4 角速度的概念

為了比較圓周運(yùn)動(dòng)的快慢，教材引入線速度，之后又緊接著引入了角速度.在對學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況的了解中，我們發(fā)現(xiàn)，正是由于缺乏對引入角速度概念必要性的探討，阻礙了學(xué)生接受角速度這個(gè)新概念，形成教學(xué)難點(diǎn).以下，我們將通過支架式教學(xué)來突破此教學(xué)難點(diǎn).教學(xué)中使用的概念框架，如圖5所示，圖中實(shí)線框表示學(xué)生已有認(rèn)知水平，虛線框表示學(xué)生潛在認(rèn)知水平.

圖5 角速度概念框架

圖6 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤

工具支架:課件演示,一個(gè)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤，圓盤上的各個(gè)點(diǎn)都做勻速圓周運(yùn)動(dòng)(圖6).

問題支架:能否用線速度描述轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢？

大部分學(xué)生認(rèn)為可以.引導(dǎo)學(xué)生觀察：圓盤上距離圓心不同的點(diǎn)，在相同的時(shí)間內(nèi)通過的弧長不相等，即線速度的大小不等.

發(fā)現(xiàn)1：轉(zhuǎn)速一定的物體，上面點(diǎn)的線速度可能不同.

教師提問：到底哪一點(diǎn)的線速度可以代表圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢呢？大部分學(xué)生無法做出回答，這與之前的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突.

實(shí)驗(yàn)支架:實(shí)驗(yàn)演示,用電機(jī)帶動(dòng)大圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，大圓盤通過皮帶帶動(dòng)小圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，連接兩圓盤的皮帶不打滑(圖7).提問學(xué)生,哪個(gè)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)得更快？學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，明顯是小圓盤轉(zhuǎn)得快.接著教師在兩圓盤邊緣上各取一點(diǎn)A和B，讓它們同時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)停下來.繼續(xù)提問，哪一點(diǎn)的線速度更大？

圖7 線速度與角速度演示儀

部分學(xué)生認(rèn)為：轉(zhuǎn)得快的圓盤上的B點(diǎn)，線速度大.

教師演示：讓A,B兩點(diǎn)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)停下來，即運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等.通過借助細(xì)繩測量它們通過的弧長，發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)通過的弧長與A點(diǎn)相等，即A,B兩點(diǎn)的線速度大小相等.

發(fā)現(xiàn)2：對于轉(zhuǎn)速不同的物體上的點(diǎn)，線速度卻可能相同.這個(gè)發(fā)現(xiàn)又與學(xué)生原有的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生沖突.

圖表支架：教師引導(dǎo)學(xué)生將以上兩大重要發(fā)現(xiàn)填入表格，如表2所示.并通過橫向和縱向分析，得出關(guān)鍵結(jié)論,僅用線速度無法描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢.

表2 探究線速度能否描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢

此時(shí)原有的線速度就不足以描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，為了解決該問題，必須引入一個(gè)新的物理量來描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢.且該物理量需滿足：對于轉(zhuǎn)速一定的物體，這個(gè)量相同；對于轉(zhuǎn)速不同的物體，這個(gè)量不同.

為了幫助學(xué)生廓清這兩個(gè)相關(guān)概念，教師利用課件演示加以總結(jié)：線速度和角速度的物理意義并不相同.線速度是描述質(zhì)點(diǎn)沿圓周運(yùn)動(dòng)的快慢,而角速度是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢.要準(zhǔn)確、全面地描述圓周運(yùn)動(dòng)的快慢，要根據(jù)實(shí)際情況和具體要求采用合適的物理量.

這一部分將問題支架與實(shí)驗(yàn)支架相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生沿著教師所搭建的腳手架不斷向上攀爬，經(jīng)歷感悟、探究的過程，自制教具“線速度與角速度演示儀”很好地解決了引入角速度的問題，并給引入角速度概念提供了可靠的事實(shí)依據(jù).讓學(xué)生體會(huì)每個(gè)物理量的引入都有它的必要性，同時(shí)感受科學(xué)家探索物理概念的細(xì)致和嚴(yán)謹(jǐn).

5 結(jié)束語

支架式教學(xué)理論是基于建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論和維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)”理論的重要成果.在物理教學(xué)中根據(jù)學(xué)生的兩種發(fā)展水平，構(gòu)建合適的支架可以充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，引發(fā)學(xué)生深度思考，鼓勵(lì)學(xué)生在原有的知識(shí)水平上不斷攀登高峰，幫助其在逐步解決問題的過程中發(fā)展能力.但在實(shí)際教學(xué)中，考慮到不同學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”有所不同.在物理概念教學(xué)中，如何在集體授課的情況下搭建適合于每個(gè)學(xué)生的支架，是運(yùn)用這一模式的教師應(yīng)該深入研究的問題.

1 王舐紅. 支架式教學(xué)模式下高一物理課堂設(shè)計(jì)與實(shí)踐:[學(xué)位論文].上海：上海師范大學(xué), 2011

2 寧芳霞. 支架式教學(xué)用于優(yōu)化高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)初探:[學(xué)位論文]. 南京：南京師范大學(xué), 2014

3 許佳琳,王笑君. 基于“支架式”教學(xué)理論的物理教學(xué)案例分析——以“牛頓第三定律”為例. 物理教學(xué)探討, 2015, 33(3): 68～71

4 高秀麗. 基于支架式教學(xué)策略下的高中物理高效課堂. 物理教學(xué)探討, 2014(6): 11～12

5 傅海輝. 談“線速度”概念的教學(xué). 中學(xué)物理教學(xué)參考, 1996(6): 9～10