以“惯性”的教学为例谈概念的变式教学设计

物理教学的一项重要内容是让科学的物理概念和学生的前概念相互斗争，激起认知冲突，从而让科学的物理概念取代那些肤浅的、错误的前概念.要实现这一目的，教师不仅要在教学中积极引导学生进行实验探究、现象分析和逻辑推理以外，更要运用一些艺术化的教学手段.例如采用变式教学就能帮助学生更加有效地厘清概念的本质和内涵，推进学生认识的进步.

1物理概念教学存在的问题

1.1问题表象

学生学习物理概念时存在的问题主要表现在如下几个方面：一是缺乏进行定性分析判断解决物理问题的思路；二是处理物理问题的思路方法不到位；三是物理情景混乱；四是表达不规范.这些问题的产生显然与概念教学中存在的脱离实际、教学方法单一的状况密切相关.这些困难古今中外都普遍存在，好像总没有得到真正有效的解决，其原因应从教师与学生两方面去分析.

1.2成因分析

在教师方面，教师在物理教学中引入一个新的物理概念时，往往直接给出概念的定义，很少涉及建立这一概念的前因后果；只关注学生做练习，而忽略了让学生形成正确、稳定的物理概念.

在学生方面，学生往往只重视背定义、记公式、做习题，却忽视了对物理概念正确的理解，概念不清不牢.这样必然导致的结果是，丰富的物理含义隐含在许多数学符号中，以致越学越困难.

1.3解决办法

在物理概念的教学过程，教师不断变换提供给学生的感性素材，创设合适的变化情境，能够成功地消除相关前概念的影响，进而实现科学而严谨的物理概念的构建，这一概念教学的操作方式就是变式教学.这一教学方法有利于学生多角度地认识物理概念的本质.以下是笔者结合教学实例来谈谈自己的有关教学设计.

2案例

必修1第四章第一节《牛顿第一定律》中“惯性”的概念教学结合变式教学的设计.

学情分析

学生在初中阶段已经学习过牛顿第一定律的部分内容，对“惯性”这一概念，他们无论是在课本上，还是在生活中都有过一些接触，但是仅限于知道这个词.至于“惯性”到底是什么，很多学生说不出个所以然，有的会认为这是“习惯”的一个近义词，亦或会在某些物理问题的分析中借用“惯性”这个概念做出错误的解释，例如为什么汽车超速很危险？一种典型的错误解释是，速度越大，惯性越大，车子更难停下.

教学目标

让学生理解“惯性”这一概念的内涵和外延.惯性可定义为：物体保持静止状态或匀速直线运动状态的一种性质.它反映物体运动状态改变的难易程度，质量是惯性大小的唯一量度.

教学策略[HT]结合学情分析和教学目标，笔者认为可以用变式教学法通过以下流程来实施.

2.1为学生提供感性素材，让学生通过变式来进行概念构建和消化

在帮助学生对“惯性”这一概念进行构建时，教师可遵循从定性到定量的顺序有梯度地将相关变式材料提供给学生：

师：请同学们设想一下，当你所乘坐的公交车突然刹车时，正处于站立姿态的你会有怎样的感觉，这说明什么？

生：人的上身会往前方倾斜，甚至摔倒.这是惯性的表现.

师：再请同学们来回忆一下，体育课上，你在进行铅球训练时，以一定速度助跑后，拿有铅球的那只手往前用力一推之后，那只铅球还在你手上吗？

生：铅球以某一速度飞出，这也是惯性的表现.

师追问：脱手而出的铅球速度上有何特点？

[HJ2.4mm]生答：铅球会保持脱手那一瞬间的速度.

师：请再设想这样一个场景：让身形较为苗条的你和日本职业相扑手，来一次迎面相撞，谁更容易摔倒，为什么？

生：当然是质量较小的我们更加吃亏，那些相扑手像一座座肉山一样.质量更大的物体运动状态更容易保持，所以惯性大.

师：战斗机在进行空中格斗前要扔掉副油箱，这是为什么？

生：质量减轻后，运动状态更容易改变，也可以说它的惯性变小了.

师：一只气球以1 m/s的速度向你迎面飞来，你敢用头顶吗？

生：敢！

师：换个铅球试试呢？

生：……

一系列变式素材以问题的形式呈现出来，学生对答如流，貌似他们对惯性的概念已经彻底掌握，其实他们的认识还很肤浅，我们所提供的素材只是帮助他们建立“惯性”的概念，而且这些素材很可能被学生已有的前概念所同化，换言之，我们的教学还没有激起他们的认知冲突，彻底实现概念的更新，因此有必要进行第二步教学设计.

2.2提供深层次的问题，让学生在变式训练中理解概念的内涵和外延

在这一阶段，教师围绕与概念相关的变式设计问题，通过问题的解决，让学生来进一步熟悉和理解“惯性”的概念.

例题1通过惯性的学习，我们已经可以解释相同速度行驶的火车和汽车同时刹车，汽车更容易停下的原因在于汽车的质量较小，惯性相应较小；但是如果有两辆相同的小车同时刹车，速度小的那个小车更容易停下，是否说明速度越小，惯性也越小呢？

学生思考并讨论后，能得出结论，小车停下的时间不是直接对应其运动改变的难易程度，因此不能从耗时长短来说明惯性大小，即惯性与速度无关.

例题2如图1所示，一只平放的玻璃瓶中的水和气泡都处于静止状态，此时突然给瓶子一个推力，使其向右加速运动，请问气泡的移动方向会朝哪儿？

学生会不假思索地答道：气泡的惯性作用，导致向左运动啊，这不和汽车加速时人要往后倒差不多吗？这充分暴露出前概念对学生思维的干扰，教师要因势利导，就把水瓶类比为汽车，但是类比为乘客的是什么呢？是瓶子中的气泡吗？气泡是什么，是瓶中水没有填满区域的空气.那么汽车中也有空气，那才是汽车中的“气泡”，能够和乘客形成类比的是瓶子中水.正确的解释应该是，与空气相比，水的质量更大，它的惯性也更大，在瓶子加速时，水因为惯性会往后挤占空间，则气泡向前.

例题3有一小车上放置一个注满水的容器，通过细线的作用，有一实心铁球P和木球Q悬于水的中部，初始状态静止如图2中的甲图所示，现在，小车以一定的加速度向右加速，问连接球与容器壁的细线会呈现怎样的姿态，在乙图中做出选择？

有了例题2做铺垫，学生应该逐渐意识到，这个问题表面看来是铁球和木球两个惯性大小的对比，其实还有一个“水球”的概念藏在背后，通过对比，铁球质量更大，惯性比水大，它会相对向后挤占水的空间，木球会因为惯性较小而向前，它的位置被质量更大的水球所占据.

以上的教学过程以变式教学来展开，通过提供大量源于学生生活的感性素材，创设了较为生动的物理情境，让学生从感性认知中提炼出“惯性”的概念；再通过对有关素材的非本质因素进行改造，变换所研究的对象，将定性认识发展为定量比较，强化了“质量是惯性唯一量度”这一认识.以上教学过程成功地消除了前概念的负面影响，有效实现了学生“惯性”概念的认知，是一次将变式教学法运用于物理概念教学的成功实践.