基于情境認知與學習理論的教學設計
——圓周運動

劉建浩

(浙江慈溪中學，浙江 寧波 315300)

在上世紀的100年中,有關認知與學習的理論研究經歷了3個主要范式的轉變,即世紀之初以動物行為研究建模的行為主義學習理論(刺激—反應理論)、世紀中葉以計算機建模的認知信息加工學習理論、世紀之末基于人腦的建構主義以及情境認知理論．目前,情境認知與學習理論已成為一種能提供有意義學習并促進知識向真實生活情境轉化的重要學習理論．

《普通高中物理課程標準(2107版)》指出:“本課程標準,進一步精選了學科內容,重視以學科概念為核心,使課程內容結構化,以主題為引領,使課程內容情境化,促進學科素養的落實”．從中可以看出,新的課程標準也非常重視情境認知與學習理論,教學內容情境化是落實學科核心素養的重要手段之一．

1 教學思路

教學思路如圖1所示.

2 教學過程

圖2

任務1.圓周運動概念和勻速圓周運動初步概念．

問題情境.實驗演示:掛鐘秒針針尖的運動(如圖2所示),電風扇上的某一點的運動,帶線小球在豎直平面內運動,水流星在豎直平面內運動．播放動畫“地球的公轉”．(1) 我們把上述質點的運動叫做圓周運動,請同學歸納出圓周運動的概念．(2) 從字面上理解“勻速圓周運動”,用自己的語言表述什么是勻速圓周運動．

教學建議.學生積極思考,展開討論．學生可能地回答:圓周運動是軌跡為圓的曲線運動,勻速圓周運動是運動快慢恒定的圓周運動．只要理解準確,都對學生正面鼓勵．初步得出勻速圓周運動概念,使學生對勻速圓周運動有一個感性認識,在任務3中,再給出嚴密的勻速圓周運動的定義．

設計意圖.通過演示實驗,提供真實的物理情境;通過計算機動畫,提供仿真的虛擬情境．學生在豐富而復合的情境中獲取圓周運動和勻速圓周運動的直觀感受,再通過學生清晰表述使學生的緘默知識轉化為明確知識．

任務2.初步得出表示圓周運動快慢的兩種方式——運動快慢和轉動快慢．

問題情境.地球繞著太陽公轉,鐘表上秒針的端點也繞著軸轉動,所做的運動都可以認為是圓周運動．地球認為:“我在1 s內運動30 km,秒針1 s才運動幾mm,我比秒針快”．秒針認為:“我在1 min內就可以繞軸轉一圈,地球1年才轉1圈,我比地球快”．學生們是認為地球快還是秒針快,為什么?(展示地球繞太陽公轉動畫和掛鐘實物)

教學建議.學生在討論和同伴互助中展開學習,得出表示圓周運動快慢的2種方式,運動快慢和轉動快慢．學生可能會回答地球運動快,可以追問“秒針的說法為什么不對”．學生沒有思路的時候,可以舉例:有甲乙兩位同學,甲認為甲比乙強,因為甲成績比乙好．乙認為乙比甲強,因為乙體育比甲強．請問誰強?

設計意圖.通過夸張、擬人,直觀的問題情境,引發學生認知沖突,此時學生處于疑惑、緊張和心理不平衡狀態．教學實踐表明,學生處于適度的認知沖突中行動最有動力,學生會主動努力改變已有的認知結構以符合現實問題情境的要求．

追尋科學家提出線速度和角速度兩個物理概念的緣由,讓學生參與體驗物理概念產生的類似情境,消除學生對于物理概念來源的神秘感,消除學生對物理概念的僵化認識,使學生學到活生生的物理知識．

任務3.理解線速度的物理意義、知道線速度的定義式,矢量性;掌握勻速圓周運動線速度的特點．

問題情境1.一輛在公路上直線行駛的汽車,如何測定它在某一時刻的速度?回顧直線運動中瞬時速度的概念如何得出,用FLASH動畫演示．

(FLASH動畫下載地址:https://pan.baidu.com/s/1WklQaDf0r5pUSfUGAAY-cQ)．

問題情境2.如何用類似“定義直線運動瞬時速度”的方法,定義秒針針尖圓周運動的線速度?(展示實物掛鐘)

問題：勻速圓周運動是線速度不變的圓周運動,這種說法對嗎?

教學建議.回顧直線運動中瞬時速度的概念,使學生主動建構瞬時線速度概念．通過討論,引導學生注意到線速度是一個矢量,給出勻速圓周運動的嚴密定義,即勻速圓周運動是線速度大小不變的圓周運動,與任務1的初步定義相呼應．

設計意圖.情境認知與學習理論認為,學習發生在真實的情境中,而學習的遷移也是在真實的情境中發生的,學習遷移的實質就是知識在新的情境下的重新建構．提供直線運動和圓周運動的真實情境,促使學生發生知識的遷移．

任務4.理解角速度的物理意義,知道角速度的定義式及單位．

問題情境.地球認為:“我在1 s內運動30 km,秒針1 s才運動幾mm,我比秒針快”．秒針認為:“我1 min就可以繞軸轉1圈,地球1年才轉1圈,我比地球快”．我們知道地球在跟秒針比較運動快慢,即線速度大小．秒針跟地球在比較轉動快慢,我們用角速度來表示轉動快慢．請學生們參考線速度的定義方式,思考如何來定義角速度大小?(展示地球繞太陽公轉動畫和掛鐘實物)

教學建議:以瞬時線速度的概念為知識基礎,思考角速度的定義．為降低學生對角速度的理解難度,先把角度單位取為學生們熟悉的“度”,而不是“弧度”．

提出問題.我們發現在圓周中,圓心角角度越大,對應的弧長越大．我們可以用弧長來表示角度大小嗎?角度和弧度存在怎樣的換算關系呢?得出角度的另一個單位“弧度”,并且強調“弧度”是角度的國際單位．

設計意圖.美國心理學家奧蘇伯爾(D.P.AuSubel,1918—2008)強調:“假如讓我把全部教育心理學僅僅歸納為一條原理的話,那么我將一言以蔽之:影響學習的唯一最重要的因素就是學生已經知道了什么,要探明這一點并據此進行教學”．學生的已有直覺經驗為角速度是表示物體轉動快慢的物理量,已有知識是用“度”表示角度大小和瞬時線速度是如何定義的．教師在學生已有經驗和已有知識基礎上設計角速度的教學過程,使新知識有生長點和附著點．

任務5.知道什么是轉速和周期,知道轉速和周期的單位;理解轉速和周期也是描述勻速圓周運動的快慢的物理量．

問題情境.地球與秒針快慢之爭中,秒針為了說明秒針比地球轉得快,除了用“單位時間內轉過的角度”來與地球比較之外,還可以用什么語言來表示秒針比地球轉得快?

教學建議.在教師引導下,認真思考,展開討論,用轉1圈所需要的時間和單位時間內(1年內)轉過的圈數來表示轉動快慢,建議學生用秒針與地球對話的方式來表述．

設計意圖.不是在“勻速圓周運動”的理想模型中,而是在一個具體直觀擬人的情境中討論如何表示物體轉動快慢．情境認知和學習理論認為,在真實或仿真的情境中學到的知識,學生更能掌握其知識的本質特征,更有可能發生知識的遷移．

任務6.掌握角速度與轉速、周期的關系;掌握線速度和角速度的關系．

問題情境1.展示一個普通掛鐘,觀察秒針的運動．根據角速度、轉速、周期的定義,回答秒針的角速度、轉速、周期分別為多大．思考角速度、轉速、周期的數學關系．

教學建議.先具體后抽象,先特殊后一般,學生自主得出ω、n、T的數學關系式．

問題情境2.展示一個普通掛鐘,觀察秒針的運動．根據線速度和角速度的定義,尋找線速度和角速度的關系．

教學建議.引導學生通過真實情境發現線速度變大,角速度也會變大,自主得出v=ωr(單位采用國際單位)．

設計意圖.創設具體真實的情境,使學生從感性到理性,從具體到抽象,從特殊到一般,自主探究ω、n、T之間和ω、v之間的數學關系,自主建構物理知識．

任務7.能在具體真實的情景中確定線速度和角速度與半徑的關系,掌握皮帶輪、摩擦輪等之間的約束關系．

圖3

問題情境1.展示齒輪模型,旋轉大齒輪時小齒輪跟著旋轉(如圖3所示)．仔細觀察,思考大小齒輪邊緣“線速度”大小關系．

教學建議.引導學生發現相同時間內,大齒輪轉過1格,小齒輪也轉過1格．大小齒輪邊緣“線速度”大小相等．為下面皮帶輪模型中,發現大小輪邊緣線速度大小相等打好基礎．

教學建議.先有學生獨立思考,再小組交流討論,小組代表發言,最后教師歸納總結,培養學生科學思維能力．

設計意圖.情境認知與學習理論認為:知識是在情境中建立的,又是通過活動和運用不斷發展的,因此情境認知與學習理論強調將知識視作工具,并試圖通過真實實踐中的活動和社會學互動促進學生的文化適應．

圖4

創建展示真實的物理情境,讓學生運用學到的物理知識解決原始物理問題,使物理知識在小組活動和知識運用中不斷發展．

3 設計點評

本教學設計邏輯清晰、思維流暢;通過“動畫”“實物模型”“實驗”等方式,使學生獲得豐富的感性認識;從感性到理性,從具體到抽象,從定性到定量,符合學生的認知規律和思維發展規律．

在學生獲得豐富的感性認識之后,學生自主探究,體驗“提出問題,建立模型,解決問題”的樂趣,符合中國學生發展核心素養中“自主發展”、“學會學習”的培養目標．

教學方法合理,問題情境設計與學習任務相對應,注重培養學生的科學思維能力,能在潛移默化中提高學生核心素養．