初中物理概念教學五步法的探討

摘 要：本文以蘇科版物理“速度”的概念教學為例，對物理教學五步法進行探討.五步法教學融學科課程和活動課程于一體，融品格教育與“STEM”教育[1]于一體.前三步（啟發、探尋、反思）立足于課內，第四步（設計）橫跨于課內外，第五步（實踐）著眼于課外.其教育宗旨是：為了提升學生適應終身發展和社會發展需要所具備的品格和關鍵能力[2]，為了科技創新型人才能夠脫穎而出.其概念教學的策略是：在“啟發”中引入概念，開發學生智力，在“探尋”中建立概念，激發學生學習動力，從“反思”中鞏固概念，內化為學生品格，在“設計”中深化概念，提升學生動手操作能力，在“實踐”中創新概念，升華為學生的創造品質.

關鍵詞：初中物理;概念教學;五步法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0029-04

基金項目：南通市教育科學“十三五”規劃課題“指向科學素養的初中實驗教學轉型研究”（項目編號：GH2018081）;江蘇省“十三五”教育科學研重點資助課題“生本理念下的初中課堂問題鏈設計研究”（項目編號：E-a/2018/02）.

作者簡介：陸建忠（1970-），男，江蘇海門人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理課堂教育、實驗教育實踐研究.

習近平總書記最新指出：我國要在科技創新方面走在世界前列，必須大力培養造就規模宏大、結構合理、素質優良的創新型科技人才[3].

物理學作為一門以實驗為基礎的學科，以其自身特點，在培養學生的創新意識、探索精神以及創造性思維等方面都具有其他學科無法比擬的獨特魅力.因此，物理教學對科技創新人才的早期培養責無旁貸.而“速度“是蘇科版物理教材中第一個以公式呈現的核心概念[4]，它對科技創新人才的早期培養起到首輪效應的作用.本文以速度的概念教學為例，對融學科課程和活動課程于一體的物理教學五步法（啟發、探尋、反思、設計、實踐）進行探討.

1 啟發——引入概念

1.1 設計意圖

教師應當在啟發引導的過程中培養學生觀察、記憶、思維和想象等思維過程，在引入概念中開發學生智力.

1.2 教學片段

教師：同學們能否各用一個字說出“雷厲風行”和“慢條斯理”的含義？（啟發思維）

生1：雷厲風行隱含“快”，慢條斯理表示“慢”，可進行快慢比較.

教師：說得好.這兩個成語分別表達不同個體性格特征的不同，其關鍵詞就是快慢.其實，快慢比較在日常生活中屢見不鮮，請同學們舉一些具體實例加以說明.

生2：在上星期的校運動會上，第三跑道的原百米冠軍王強卻跑在其他人后面，跑在后面顯然說明他跑得比別人慢.（觀察法）[在觀察中發現]

生3：從獵豹追趕鹿的圖片中，可以想象出獵豹能追上鹿，說明獵豹在相同的時間里比鹿跑的路程多，因此，獵豹比鹿跑得快. [在想象中思維]

生4：劉翔在雅典奧運會上打破110米跨欄的世界紀錄，為中國人爭光.劉翔在相同的路程里，跑的時間短，說明劉翔比其他運動員跑得快.[從記憶中提煉]

教師：同學們是否能從上述例子中歸納出比較運動快慢的方法？[在思維中歸納]

生5：觀眾采用相同時間比路程的方法，判斷跑在前面的運動員跑得快;裁判是用相同路程比時間的方法，判斷跑到終點用時少的運動員跑得快.（控制變量法）

教師：這是相同地點不同物體之間進行的比較.那么不同地點不同物體之間又該如何比較？（在激疑中進入五步法教學的第二步）

2 探尋——建立概念

2.1 設計意圖

教師從激發學生的動機、興趣、情感中探尋，在建立概念中力圖使學生將所學知識內化為學習動力.

2.2 教學設計

教師可以讓同學列舉一些不同地點不同物體的具體實例加于說明.（激發動機——求知欲）

2.2.1 探尋方案

方案一：創設動物運動會的情境（激發學生學習興趣）：來自于海陸空三軍代表隊冠軍之戰.海軍代表隊的旗魚、陸軍代表隊的獵豹和空軍代表隊的褐海燕，比賽成績見表1.

控制時間相同，采取路程比時間的方法.用表1數據的比值進行比較，由比值的計算可知：旗魚、獵豹和褐海燕的比值分別為30、40和83.3.其比較的本質就是相同時間內比較三者通過的路程，顯然比值大的運動快，褐海燕飛得快，旗魚游得慢.

方案二：創設國際奧運會的情境（激發學生情感）：來自中國的110米跨欄、400米自由泳和10000米長跑這三個項目的金牌得主之賽.劉翔的成績為12秒9，孫楊的成績為3分43秒68，王軍霞的成績為30分49秒30.控制路程相同，采取時間比路程的方法.用三位世界冠軍破記錄成績的比值進行比較.可得劉翔、孫楊和王軍霞的比值分別為0.11、0.56和0.18，其本質是相同路程比時間.顯然比值小的運動快，劉翔跑得快，孫楊游得慢.

2.2.2 科學比較

方案一得出的結論為：比值越大，運動越快，方案二得出的結論為：比值越小，運動越快.與方案二相比，方案一比較符合人們常規的思維習慣，由此建立速度的概念（對比法）.

2.2.3 建立概念

定義方法：速度是通過科學比較后得到的新發現，生成的一個新概念，它用單位時間內通過的路程加以定義.采用的是比值定義法[5]，就是用兩個已知物理量相比的方式來定義一個新的物理量的方法（比值法）.

統一標準：在使用公式v=s/t的計算過程中，v、s、t這三個物理量的單位應統一.速度的國際單位是m/s，常用單位是km/h，二者之間換算關系為1m/s=3.6km/h（公式法）.

物理意義：速度是描述物體運動快慢的物理量，是路程隨時間的變化率.轎車在高速公路上的運動可視為是速度不變的勻速直線運動（模型法），若其速度為120km/h，則表示小轎車在1h內通過的路程為120km.

實驗測量：讓二位學生（一男一女）相向站立在講臺前地面上鋪有皮尺的0和5米的刻度處（實驗法），六位學生（代號分別為A、B、C、D、E、F）的左右手各持一個秒表，分別側向站立在皮尺的0、1、2、3、4和5米的刻度處，教師發出命令的同時六位學生開始調零，二位學生相向出發，做緩慢的運動，即勻速直線運動，六位學生左、右手所持的秒表分別記錄男、女同學經過該處的時間，還有2位學生分別將測量數據記錄在黑板上已經設計好的表格中，見表2（表格法）.

數據處理：讓學生用方格紙將表中的數據畫成路程隨時間變化的圖像，如圖1所示.兩圖像的交點為兩同學相向運動的相遇處.這是用圖像的方法來描述速度，圖像為直線，表示速度不變，兩位同學做勻速直線運動 （圖像法）.

3 反思——鞏固概念

3.1 設計意圖

教師在知識、方法、思想、觀念的教育過程中使得學生有所反思，在鞏固概念中內化為自身品格.

3.2 教學設計

知識教育：由速度的定義—公式—單位—意義—測量—應用，致力于幫助學生形成系統的知識體系.

方法教育：從觀察法（通過觀察得出結論）—控制變量法（同中求異、異中求同）—對比法（科學比較二種探尋方案）—比值法（定義速度）—公式法（定量描述運動物體的時空關系）—模型法（勻速直線運動）—實驗法（實驗探究運動物體的時空關系）—表格法（用表格數據研究運動物體的時空關系）—圖像法（用圖像研究運動物體的時空關系），幫助學生形成方法線.

思想教育：將方法線濃縮，提升為由比較思想（控制變量法、比值法、對比法）—數學思想（表格法、公式法、圖像法）—理想化思想（模型法），引導學生形成思想線.

觀念教育：將思想線濃縮，錘煉為時空觀（比較思想、數學思想、理想化思想）.函數圖像的建立過程就是對時空觀教育的最好時機.直角坐標系描述的是最簡單的時空關系，其中橫軸描述時間，縱軸描述空間（路程），圖像描述的就是運動物體時空的定量關系（速度），是路程隨時間的變化率.

4 設計——深化概念

4.1 設計意圖

教師從滲透人文、科學、藝術等核心素養的理念中設計教學流程，學生在深化概念的過程中內化為綜合能力.

4.2 教學設計

4.2.1 速度的應用（課內計算）

（1）情境：引導學生在如圖2所示的國畫情境中，感悟藝術的魅力.體驗李白詩句“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還，兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山”中的物理意境.

（2）創新：李白早晨乘船從白帝城出發，傍晚到達千里外的江陵，船速為多少？（滲透人文素養，內化為學生的創新能力）

（3）概括：已知s=500km（千里），t=12h（一日），求v.（滲透數學素養，內化為學生的概括能力）

（4）計算：v=s/t=500km/12h=41.7km/h.

4.2.2 速度的測量（可延伸至課外）

（1）器材：兩端開口、壁上標有刻度、長度為80cm的玻璃管，兩個塞子可將玻璃管的兩端密封，內部裝滿水，并恰好留下一個小氣泡.如圖3所示.

（2）測量：充水玻璃管中氣泡上升的速度.

（3）探究：充水玻璃管中氣泡的運動速度v與玻璃管水平傾角θ的關系.（滲透學科核心素養，內化為學生的探究能力）

（4）結論：塞子可調節氣泡的大小，玻璃管的水平傾角可調節氣泡的速度，水平傾角θ越小，氣泡運動的速度就越小，氣泡的運動越接近于勻速直線運動.

4.2.3 定義新概念（課外拓展）

（1）靈感：源于國際青少年創新設計大賽對南極科考站的結構設計，原創性地利用比值法定義結構模型并設計兩個指標——承載率和容積率，本文只定義其中的承載率.

（2）定義：結構模型能承載壓物的最大質量M與其自身質量m的比值（具有原創性）.

（3）公式：P=M/m，其單位為千（k）.

（4）意義：承載率是描述結構模型在承載測試情況下的壓力效應.就南極科考站結構模型的設計而言，其實際意義是對南極科察站抵抗屋頂積雪和其他設施自重能力的效益評價.其設計目的是為了追求設計效益的最大化，凸顯的是用最少投入獲取最大效益的設計理念.

5 實踐——創新概念

5.1 設計意圖

教師在科學、技術、工程和數學（STEM）等教育理念的滲透中設計實踐活動，并將其內化為學生的創造力.

5.2 教學設計

結構模型承載率的實驗探究.

猜想：承載率可能與結構模型底面正多邊形的邊數、邊長、柱體的高度、制作的材料、結構等因素有關.

器材：如圖4所示，為學生設計制作的A、B、C、D、E五組結構模型;如圖5所示，為測試器的設計圖，安全支撐物是為防止結構模型發生較大形變時被承重板壓壞而設計.安全圓柱是為保證逐漸增加的杠鈴片始終位于被測試結構模型的中心，用杠鈴片作為壓物的優勢在于直接讀出壓物的質量;如圖6所示，為測試器實物圖及其操作步驟.

測量：加載至模型變形、承重板落在安全支撐物上為止，數出杠鈴片有效片數和承重板質量，計算出壓物的總質量.再用電子秤測結構模型的質量，最后按公式P=M/m計算得出承載率，見表3.

結論：分析表3中的數據，可得出如下結論：（1）結構模型的承載率隨著正多棱柱棱數的增加而增大;（2）圓柱體可以看成是棱數無限多的正多棱柱，所以，圓柱體結構模型的承載率最大，三棱柱結構模型的承載率最小;（3）四棱柱、五棱柱、六棱柱結構模型的承載率變化差距不大;（4）用承壓力大、密度小的材料制作的結構模型，其承載率大;（5）高度低、邊長小、整體性好的結構模型，其承載率也大.

應用：根據上述探究結論，再對照實際，發現：（1）現實中基本不存在三棱柱結構的建筑物或構筑物;（2）四棱柱結構的民居較為普遍，如住宅小區的建筑基本上是四棱柱結構;（3）五棱柱和六棱柱結構在亭、臺、樓、閣中較為常見，如揚州瘦西湖中的五亭橋;（4）高層建筑和大型建筑大多采取整體性好的框架結構和具有強度高、密度小的新型材料;（5）在惡劣環境條件下施工的建筑，如高山上的廟宇或南極的科考站，通常采用梁柱結構，但為了確保其具有較高的“承載率”，其外形通常接近于圓柱形，如南極的泰山科考站的主樓.

物理教學五步法是為科技創新人才早期培養而設計的教學策略，它融學科課程和活動課程于一體，融品格教育與“STEM”教育于一體.其中的“啟發”為概念的引入環節，通過啟發學生的觀察、記憶、思維和想象等思維以提高學生的智力水平;“探尋”為概念的建立環節，通過激發學生的動機、興趣、情感來提升學生的動力水平;“反思”為概念的鞏固環節，教師從知識、方法、思想、觀念等教育入手引導學生進行反思，內化為學生的必備品格;“設計”為概念的深化環節，是課堂教學的延伸;從人文、科學、藝術等核心素養的滲透中內化為學生的綜合能力;“實踐”為創新概念環節，是對課堂教學的拓展，在科學、技術、工程和數學等相關學科的滲透中內化為學生的創造力.

參考文獻：

[1]沈燕，劉世軍.“五化策略”在初中物理概念教學中的應用——以“功”的教學為例[J].中學物理，2020，38（18）：54-56.

[2]陳志堅，楊巨英.高中物理概念教學的五步教學法[J].中學物理教學參考，2019，48（22）：2-3.

[3]張玉峰，郭玉英.圍繞學科核心概念建構物理概念的若干思考[J].課程·教材·教法，2015，35（05）：99-102+75.

[4]王俊.基于比值定義法的教學邏輯建構物理概念——以“電場強度”為例[J].中學物理教學參考，2015，44（Z1）：42-44.

[5]余勝.高中物理概念教學“五步法”的嘗試[J].中國教育技術裝備，2009（05）：63-64.

（收稿日期：2020-09-16）