基于情境认知与学习理论的教学设计
——圆周运动

刘建浩

(浙江慈溪中学，浙江 宁波 315300)

在上世纪的100年中,有关认知与学习的理论研究经历了3个主要范式的转变,即世纪之初以动物行为研究建模的行为主义学习理论(刺激—反应理论)、世纪中叶以计算机建模的认知信息加工学习理论、世纪之末基于人脑的建构主义以及情境认知理论．目前,情境认知与学习理论已成为一种能提供有意义学习并促进知识向真实生活情境转化的重要学习理论．

《普通高中物理课程标准(2107版)》指出:“本课程标准,进一步精选了学科内容,重视以学科概念为核心,使课程内容结构化,以主题为引领,使课程内容情境化,促进学科素养的落实”．从中可以看出,新的课程标准也非常重视情境认知与学习理论,教学内容情境化是落实学科核心素养的重要手段之一．

1 教学思路

教学思路如图1所示.

2 教学过程

图2

任务1.圆周运动概念和匀速圆周运动初步概念．

问题情境.实验演示:挂钟秒针针尖的运动(如图2所示),电风扇上的某一点的运动,带线小球在竖直平面内运动,水流星在竖直平面内运动．播放动画“地球的公转”．(1) 我们把上述质点的运动叫做圆周运动,请同学归纳出圆周运动的概念．(2) 从字面上理解“匀速圆周运动”,用自己的语言表述什么是匀速圆周运动．

教学建议.学生积极思考,展开讨论．学生可能地回答:圆周运动是轨迹为圆的曲线运动,匀速圆周运动是运动快慢恒定的圆周运动．只要理解准确,都对学生正面鼓励．初步得出匀速圆周运动概念,使学生对匀速圆周运动有一个感性认识,在任务3中,再给出严密的匀速圆周运动的定义．

设计意图.通过演示实验,提供真实的物理情境;通过计算机动画,提供仿真的虚拟情境．学生在丰富而复合的情境中获取圆周运动和匀速圆周运动的直观感受,再通过学生清晰表述使学生的缄默知识转化为明确知识．

任务2.初步得出表示圆周运动快慢的两种方式——运动快慢和转动快慢．

问题情境.地球绕着太阳公转,钟表上秒针的端点也绕着轴转动,所做的运动都可以认为是圆周运动．地球认为:“我在1 s内运动30 km,秒针1 s才运动几mm,我比秒针快”．秒针认为:“我在1 min内就可以绕轴转一圈,地球1年才转1圈,我比地球快”．学生们是认为地球快还是秒针快,为什么?(展示地球绕太阳公转动画和挂钟实物)

教学建议.学生在讨论和同伴互助中展开学习,得出表示圆周运动快慢的2种方式,运动快慢和转动快慢．学生可能会回答地球运动快,可以追问“秒针的说法为什么不对”．学生没有思路的时候,可以举例:有甲乙两位同学,甲认为甲比乙强,因为甲成绩比乙好．乙认为乙比甲强,因为乙体育比甲强．请问谁强?

设计意图.通过夸张、拟人,直观的问题情境,引发学生认知冲突,此时学生处于疑惑、紧张和心理不平衡状态．教学实践表明,学生处于适度的认知冲突中行动最有动力,学生会主动努力改变已有的认知结构以符合现实问题情境的要求．

追寻科学家提出线速度和角速度两个物理概念的缘由,让学生参与体验物理概念产生的类似情境,消除学生对于物理概念来源的神秘感,消除学生对物理概念的僵化认识,使学生学到活生生的物理知识．

任务3.理解线速度的物理意义、知道线速度的定义式,矢量性;掌握匀速圆周运动线速度的特点．

问题情境1.一辆在公路上直线行驶的汽车,如何测定它在某一时刻的速度?回顾直线运动中瞬时速度的概念如何得出,用FLASH动画演示．

(FLASH动画下载地址:https://pan.baidu.com/s/1WklQaDf0r5pUSfUGAAY-cQ)．

问题情境2.如何用类似“定义直线运动瞬时速度”的方法,定义秒针针尖圆周运动的线速度?(展示实物挂钟)

问题：匀速圆周运动是线速度不变的圆周运动,这种说法对吗?

教学建议.回顾直线运动中瞬时速度的概念,使学生主动建构瞬时线速度概念．通过讨论,引导学生注意到线速度是一个矢量,给出匀速圆周运动的严密定义,即匀速圆周运动是线速度大小不变的圆周运动,与任务1的初步定义相呼应．

设计意图.情境认知与学习理论认为,学习发生在真实的情境中,而学习的迁移也是在真实的情境中发生的,学习迁移的实质就是知识在新的情境下的重新建构．提供直线运动和圆周运动的真实情境,促使学生发生知识的迁移．

任务4.理解角速度的物理意义,知道角速度的定义式及单位．

问题情境.地球认为:“我在1 s内运动30 km,秒针1 s才运动几mm,我比秒针快”．秒针认为:“我1 min就可以绕轴转1圈,地球1年才转1圈,我比地球快”．我们知道地球在跟秒针比较运动快慢,即线速度大小．秒针跟地球在比较转动快慢,我们用角速度来表示转动快慢．请学生们参考线速度的定义方式,思考如何来定义角速度大小?(展示地球绕太阳公转动画和挂钟实物)

教学建议:以瞬时线速度的概念为知识基础,思考角速度的定义．为降低学生对角速度的理解难度,先把角度单位取为学生们熟悉的“度”,而不是“弧度”．

提出问题.我们发现在圆周中,圆心角角度越大,对应的弧长越大．我们可以用弧长来表示角度大小吗?角度和弧度存在怎样的换算关系呢?得出角度的另一个单位“弧度”,并且强调“弧度”是角度的国际单位．

设计意图.美国心理学家奥苏伯尔(D.P.AuSubel,1918—2008)强调:“假如让我把全部教育心理学仅仅归纳为一条原理的话,那么我将一言以蔽之:影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么,要探明这一点并据此进行教学”．学生的已有直觉经验为角速度是表示物体转动快慢的物理量,已有知识是用“度”表示角度大小和瞬时线速度是如何定义的．教师在学生已有经验和已有知识基础上设计角速度的教学过程,使新知识有生长点和附着点．

任务5.知道什么是转速和周期,知道转速和周期的单位;理解转速和周期也是描述匀速圆周运动的快慢的物理量．

问题情境.地球与秒针快慢之争中,秒针为了说明秒针比地球转得快,除了用“单位时间内转过的角度”来与地球比较之外,还可以用什么语言来表示秒针比地球转得快?

教学建议.在教师引导下,认真思考,展开讨论,用转1圈所需要的时间和单位时间内(1年内)转过的圈数来表示转动快慢,建议学生用秒针与地球对话的方式来表述．

设计意图.不是在“匀速圆周运动”的理想模型中,而是在一个具体直观拟人的情境中讨论如何表示物体转动快慢．情境认知和学习理论认为,在真实或仿真的情境中学到的知识,学生更能掌握其知识的本质特征,更有可能发生知识的迁移．

任务6.掌握角速度与转速、周期的关系;掌握线速度和角速度的关系．

问题情境1.展示一个普通挂钟,观察秒针的运动．根据角速度、转速、周期的定义,回答秒针的角速度、转速、周期分别为多大．思考角速度、转速、周期的数学关系．

教学建议.先具体后抽象,先特殊后一般,学生自主得出ω、n、T的数学关系式．

问题情境2.展示一个普通挂钟,观察秒针的运动．根据线速度和角速度的定义,寻找线速度和角速度的关系．

教学建议.引导学生通过真实情境发现线速度变大,角速度也会变大,自主得出v=ωr(单位采用国际单位)．

设计意图.创设具体真实的情境,使学生从感性到理性,从具体到抽象,从特殊到一般,自主探究ω、n、T之间和ω、v之间的数学关系,自主建构物理知识．

任务7.能在具体真实的情景中确定线速度和角速度与半径的关系,掌握皮带轮、摩擦轮等之间的约束关系．

图3

问题情境1.展示齿轮模型,旋转大齿轮时小齿轮跟着旋转(如图3所示)．仔细观察,思考大小齿轮边缘“线速度”大小关系．

教学建议.引导学生发现相同时间内,大齿轮转过1格,小齿轮也转过1格．大小齿轮边缘“线速度”大小相等．为下面皮带轮模型中,发现大小轮边缘线速度大小相等打好基础．

教学建议.先有学生独立思考,再小组交流讨论,小组代表发言,最后教师归纳总结,培养学生科学思维能力．

设计意图.情境认知与学习理论认为:知识是在情境中建立的,又是通过活动和运用不断发展的,因此情境认知与学习理论强调将知识视作工具,并试图通过真实实践中的活动和社会学互动促进学生的文化适应．

图4

创建展示真实的物理情境,让学生运用学到的物理知识解决原始物理问题,使物理知识在小组活动和知识运用中不断发展．

3 设计点评

本教学设计逻辑清晰、思维流畅;通过“动画”“实物模型”“实验”等方式,使学生获得丰富的感性认识;从感性到理性,从具体到抽象,从定性到定量,符合学生的认知规律和思维发展规律．

在学生获得丰富的感性认识之后,学生自主探究,体验“提出问题,建立模型,解决问题”的乐趣,符合中国学生发展核心素养中“自主发展”、“学会学习”的培养目标．

教学方法合理,问题情境设计与学习任务相对应,注重培养学生的科学思维能力,能在潜移默化中提高学生核心素养．