基于学生活动的位移概念教学实践研究①

(江苏省南京市第九中学，江苏 南京 210018)

1 对人教版教材编写思路的认识

关于位移的概念，人教版高中物理教材写道：“一个人从北京去重庆，可以选择不同的交通方式。既可以乘火车，也可以乘飞机，还可以先乘火车到武汉，然后乘轮船沿江而上。显然，在这几种情况下，他所通过的路线，也就是他运动的轨迹是不一样的。我们在初中已经知道，路程是物体运动轨迹的长度，可见他所经过的路程也不相同。但是，就位置的变动来说，无论使用什么交通工具、走过了怎样不同的路程，他总是从北京到达了西南方向直线距离约1300km的重庆，即位置的变动是相同的。”

“当物体从某一点A运动到另一点B时，尽管可以沿不同的轨迹、走过不同的路程，但位置的变动是相同的。在物理学中用一个叫做位移的物理量来表示物体的位置变化。”

通读上面两段文字，读者能很自然地概括得出这样一个结论：当物体从某一点A运动到另一点B时，位置的变动是相同的，但路程有可能是不一样的，所以路程这个物理量不能用来表示物体的位置变化，进而引入位移这个物理量来表示物体的位置变化。这样的内容编写，既没有讲清楚为什么位移能表示物体的位置变化，也不能让学生深刻体会位移与路程两者之间的差异。

2 基于学生活动的位移概念教学设计

在位移概念教学时，要解决以下3个问题：(1) 为什么可以用位移来表示物体的位置变化？(2) 位移(矢量)与路程(标量)有怎样的不同？(3) 怎么计算直线运动的位移？

笔者在教学中针对这3个问题，分别设计了相应的学生活动，让学生在问题解决的过程中加深对位移概念的认识。

活动1：描述物体的位置变化

师：从南京新街口出发，开车到连云港花果山大约有333公里。在导航地图上可以清晰看到汽车位置的变化(如图1)。请同学们思考：如何描述汽车的位置变化？

图1

生1：汽车最初在南京新街口，而后运动到了333公里的远处。

生2：我觉得他的回答不够严谨，“运动到了333公里的远处”并不一定是到了连云港花果山，还可能是其他地方。应该这样表述：汽车最初在南京新街口，而后沿着宁洛高速、长深高速运动到了333公里的远处。

生3：如果知道方向的话，可以这样表述：汽车最初在南京新街口，而后位于北偏东一定角度、距离新街口333公里处。

生4：同学3的回答有误，汽车的末位置在北偏东一定角度，但它距离新街口的距离并不是333公里。

在实际教学过程中通过设问引导学生讨论、争辩，可以让学生明白只要知晓始末位置间的直线距离及方向就可以确定运动物体的位置。如果有物理量能同时反映始末位置间的直线距离和方向，那么它便可以用来表示运动物体的位置变化。在物理学中这个物理量就是位移，它可以用从初位置到末位置作一条有向线段来进行表示。有向线段的箭头表示位置变化的方向，有向线段的长短表示始末位置间的直线距离。

图2

活动2：从相加法则的不同感知位移与路程的差异

师：同学甲从操场中心A位置出发，向北走了40m到达位置B，接着又向东走了30m到达位置C。请同学们用有向线段表示他第一次的位移、第二次的位移和两次行走的合位移。并计算该同学的合位移与总路程的大小各是多少。

分析：总路程大小为70米，用勾股定理算得合位移大小为50米。总路程的大小等于两次运动的路程大小的代数和，而合位移的大小却不等于两次运动的位移大小的代数和。在物理学中，我们将位移这样的物理量叫做矢量，它既有大小又有方向，遵从矢量相加的法则；将路程这样的物理量叫做标量，遵从算术相加的法则。

师：同学们能不能说一说，还有哪些物理量是标量，哪些物理量是矢量？

分析：时间、质量等物理量是标量，位移是学生进入高中学习的第一个矢量，因此很多学生答不出还有哪些物理量是矢量。此问题的意义在于，从矢量、标量的角度让学生重新认识已学习过的物理量。

活动3：做直线运动的物体位移的计算及矢量相加法则的探究

教师呈现问题：一物体从坐标轴的原点运动到坐标为4m的地方用了3s的时间，后又经过3s运动到-2m处，则：

(1) 物体在前3s的位移大小与方向；

(2) 物体在后3s的位移大小与方向；

(3) 物体在6s内的路程；

(4) 物体在6s内的位移大小与方向。

图3

分析：

(1) Δx=4m，前3s的位移大小为4m，方向指向x轴正方向；

(2) Δx=-6m，后3s的位移大小为6m，方向指向x轴负方向；

(3) 6s内的路程为10m；

(4) Δx=-2m，6s内的位移大小为2m，方向指向x轴负方向。

引导学生探寻同一直线方向上的矢量运算的法则。位移是矢量，是有方向的，从位移的定义来讲，6s内的位移大小一定为2m，它其实也是前3s与后3s两个位移的矢量相加，为4m+(-6m)=-2m，其中后3s的位移为-6m，其中的“-”号表示位移的方向，同样6s内的位移为-2m，其中的“-”号是合位移的方向。归纳总结可以得到同一直线方向上的矢量运算的方法：确定好正方向，与正方向相同的矢量用正值表示，与正方向相反的矢量用负值表示，接着数值相加，相加结果的正、负代表合矢量的方向，正、负号后的数字即为合矢量的大小。

3 结语

3个活动主旨鲜明、层次清晰，活动1通过引导学生自主解决问题，力求能在思考交流的过程中生成位移的概念；活动2通过创设问题情境，引导学生讨论、思辨，以降低概念学习的难度，帮助学生深刻地理解位移的矢量属性；活动3通过实例计算，在活动1、2的基础上，帮助学生更加全面深刻地理解位移概念，掌握做直线运动物体的位移的计算方法。