基于建构主义的探究式教学设计——以“运动的合成与分解”为例

陶征秀

（马鞍山市红星中学，安徽马鞍山 243011）

建构主义教学理论强调以学生为中心、学生是知识意义的主动建构者，教师是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者。教材知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对象；媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情境、学生主动学习、协作探究的认知工具。[1]建构主义理论体现了核心素养的观点、与思维学习目标相辅相成，教学中对建构主义理论有效的应用，有助于教学效果的提高[2]。

一、教学设计思路

建构主义的知识观强调学生的学习以已有知识为基础，构建自己的知识体系。为了有效促进学生发展，新知识的学习要处于学生的最近发展区。在实现新知识构建的过程中，是学生主动在教师引导下完成的自我发展的过程。课堂教学以问题的探究为主线，以知识和能力的发展为媒介，以学科核心素养的达成为目的。可以用以下框架图来表示教学设计的思路：[3]

图1

课堂教学中，为了物理学科核心素养充分落实，一定要充分发挥学生的主体作用。物理学科的特点是对知识的学习和能力的培养，高度依赖于对物理问题的探究过程，机械的灌输很难让学生深层次理解物理概念，更难以培养学生的科学品质和创新能力。因此，对于一些内容的教学尤其是实验内容的教学，采用探究式教学模式，有利于培养学生的科学素养。对本节“运动的合成与分解”的教学过程，可以以问题为导向，科学探究：蜡块的运动性质、合运动与分运动的关系、运动的合成与分解三个教学问题，落实课堂教学的目的，用以下框架图表示探究式教学的过程。

图2

在实验探究的过程中，学生需要观察、合作、思考与讨论，因此科学态度与责任的培养贯穿于整个探究过程。从上图可以看出，推进教学的过程也是学科核心素养达成的过程。

二、“运动的合成与分解”教学过程

（一）实验探究

问题探究一：蜡块的运动性质

演示实验1：蜡块运动的分运动。

教师创设问题探究的情景，让学生直观观察运动过程，引导学生探究问题。

问题解答的潜在能力要求位于学生的最近发展区，学生小组讨论，可以完成知识构建，明确蜡块参与的分运动：

（1）水平方向：蜡块随玻璃管向右做匀速直线运动。

（2）竖直方向：蜡块相对玻璃管向上做匀速直线运动。

演示实验2：请同学们以白板为背景，观察蜡块的运动轨迹，猜想蜡块的运动性质。

学生观察蜡块的运动，基于小组谈论，让学生意识到对于复杂运动，凭感官很难直接确定运动性质，问题的理性分析，需要寻求研究方法。

图3

探究引导：如何获得蜡块的运动轨迹？

引导学生回顾自由落体运动的研究方法，提出用频闪照相的方法获得蜡块的运动轨迹。在此以学生已有知识为基础，形成已有方法对问题的解决思路。该问题的解决，直接基于学生的实验知识迁移。

学生协作活动：在教师指导下，两名学生用秒表和画笔配合，模拟频闪照相描绘蜡块的运动轨迹。

图4

整个过程，以问题为导向，基于学生的已有认知，推动教学的开展。同时，通过分组讨论、合作探究，提高学生学习物理的兴趣。

图5

借鉴打点计时器纸带点迹的分析方法，分析蜡块运动过程中点迹分布特点：大致分布于同一条直线上，相邻两点间距大致相等。在问题探究的过程中，学生不断完成知识的构建，课堂变得生动而有趣。

实验探究结论：考虑实验误差，蜡块应该是做向右上方的匀速直线运动。

问题探究二：合运动与分运动的关系

引导问题：（1）合运动与分运动所用的时间有什么关系？

观察蜡块的运动过程，学生分组讨论，注重学生的交流合作，得出结论：合运动与分运动同时开始、同时结束，经历时间相同，具有等时性。

（2）改变玻璃管在水平方向的运动速度，蜡块从A（玻璃管下部红圈处）运动到B（玻璃管上部红圈处）的时间会变吗？水平方向玻璃管的运动，会不会影响蜡块在竖直方向的运动？这体现了分运动之间的什么特性？[4]

加强学生物理是基于实验的观念，学生谈论、设计实验方案，开展探究、得出答案：第一次玻璃管不动，记录蜡块从A运动到B的时间；第二次玻璃管水平运动，记录蜡块从A运动到B的时间。对比两次记录的时间，分析实验结果。

合作探究：

（1）学生在实验基础上，思考合运动与分运动的关系；

（2）两位学生秒表计时，对比玻璃管不动和运动时，蜡块由底部运动到顶部的时间。分析时间记录结果，得出实验结论。

整个过程以实验为手段，学生合作、探究完成问题的解答，验证合运动与分运动的关系，避免直接告诉学生答案，既符合物理学研究特点，又能加深学生对知识的理解。

问题探究三：运动的合成与分解

课堂引导：根据实验结果，学生分别作出蜡块合运动与分运动的位移。

图6

问题引导：合运动与分运动的位移有何关系特点。

通过直观的图形分析，得出探究结论：合运动与分运动的位移，满足平行四边形定则。

引导问题：合运动与分运动的速度，也满足平行四边形定则吗？

小组讨论：合运动与分运动具有等时性，位移之间遵循平行四边形定则，所以合运动与分运动的速度也遵循平行四边形法则。

理论证明，合运动与分运动的加速度也遵循平行四边形法则。

基于以上实验的探究过程、实验的结论以及逻辑分析，师生共同构建新的物理观念：

（1）由分运动求合运动的过程叫运动的合成。

（2）由合运动求分运动的过程叫运动的分解。

运动的合成与分解，其本质即为描述运动的物理量的合成与分解都遵守平行四边形定则。

引导问题，类比合力与分力的关系，基于已学知识的迁移，构建和运动与分运动的等效性。

（3）等效性：各个分运动叠加起来的效果与合运动相同。

以上内容就是基于建构主义的理论，在实验探究的基础上，以问题为导向层层深入推动教学，完成学生知识构建、能力培养的探究式教学过程。教学中，教师的主导作用和学生的主体作用都充分地得以展现，课堂目的明确、节奏感强、效率高。

（二）理论探究

探究方法回顾：要进行定量的物理研究，首先要建立坐标系。这既是已有知识的回顾应用，也是新知识、方法构建的基础。

师生共同完成：以蜡块开始匀速运动的位置为原点O，以水平向右的方向和竖直向上的方向分别为x轴和y轴的方向，建立平面直角坐标系。

思考与探究：

请同学们，应用我们刚才所学的知识，分组探究以下问题：

（1）蜡块运动过程中P点的位置如何表示？求出蜡块的轨迹方程。

（2）求出蜡块位移的大小和方向。

（3）蜡块运动的速度方向和大小是怎样的？

（4）蜡块做什么性质的运动？

学生活动：分组理论探究蜡块的运动性质。

设计意图：培养学生应用知识、理论探究问题的能力和团结协作能力。

在理论探究过程，指导学生知识建构，渗透学科素养的培养。问题存在一定的难度，但问题的设置都在学生的最近发展区，学生具备完成任务的知识和能力。探究过程注重引导学生对已有知识的迁移，为了顺利完成任务，教学中注重两个方面：第一是学生小组内的讨论、协作；第二是教师适当的指导。

问题探究一：蜡块的位置

图7 蜡块的位置

如图，t时刻蜡块的位置，P(x，y)：

问题探究二：蜡块运动的轨迹和位移

数学是物理学习的重要工具，培养学生用数学知识处理物理问题的习惯：上面x、y的表达式中消去中间变量t，这样就得到：，

表达式代表的是一条过原点的直线，也就是说，蜡块的运动轨迹是直线。

根据矢量的运算法则：

从计时开始到时刻t，蜡块运动位移的大小是

图8 蜡块的位移

问题探究三：蜡块运动的速度

如图所示：速度v与vx、vy的关系根据矢量的运算法则，得出它们之间的关系：

图9 蜡块的速度

方向：设速度方向与x轴夹角为θ，

探究结论：蜡块做向右上方的匀速直线运动。

学生活动：在教师的引导下，依次完成上述各个物理量的推导过程，明确蜡块运动的轨迹、位移和速度。

设计意图：分组协作，培养学生的团队意识和理论探究问题的能力。帮助学生进一步了解熟悉运动和合成所遵循的运算法则——平行四边形定则。

理论探究过程，教师要及时与存在困难的学生沟通，做好学生思维发展的引导者，帮助学生正确构建知识，在探究中体验合作、培养学生解决问题的能力。

三、教学设计小结

基于建构主义的教学设计需要把握以下五个要点：[5]

（一）轻松的课堂氛围

课堂氛围的创设，是高效教学过程的保障。在探究式教学过程中，开放的、民主的课堂气氛有利于促进学生学习，为学生积极参与课堂提供前提，学生乐于参与课堂教学、并积极有创造性地发表自己的观点，这样的气氛利于批判性、创造性的思维能力的发展。

（二）恰当的问题情境

为了实现知识的构建，教师往往需要设计好问题探究的情境，如本节问题探究的情境就是蜡块在玻璃管中的运动，教学从学生观察蜡块的运动开始，进而引发一系列问题、不断深入教学，所有知识和思维的形成都是基于这个实验。切合教学需求的问题情境，是整个教学设计的基础。相反，如果是不恰当的问题情境，往往使得课堂效率低下，概念形成直观性、逻辑性都比较差。

（三）有效的问题引导

为了有助于学生自主地构建知识体系，探究过程中问题的引导尤为关键。教师主导作用是稳步推进课堂教学，学生主体作用能否充分发挥，往往取决于探究环节与问题引导是否恰当。如在本节设计中，提出“如何获得蜡块的运动轨迹？”，是问题的探究，又是已学知识的迁移应用，有力地推动了课堂教学。问题的设计一定要指向明确、不能含糊不清，并且知识的发展要位于学生的最近发展区。在合作探究时，教师要及时抓住学生的问题所在、并给予解答，这样可以提高学生的效率，还可以增强学生探究问题的信心。

（四）高效的分组协作

探究式教学过程中，学生的分组协作是必不可少的，“协作”既能提高课堂效率，又可以培养学生的科学态度与责任。在日常教学中，要有意识地让学生有分组协作的习惯，让学生在小组内部合理分工，保证在问题探究的过程中人人有事做、有人人不可缺。学生的能力倾向要事先做好了解，尽量让学习小组能高效运行，而不是停留在表面。

（五）必要的知识迁移

建构主义学习观认为新知识的构建是基于学生已有的经验，而学生的知识学习也是层层递进，不断深入的。教学中必要的知识迁移，不仅可以培养学生的知识应用能力，还可以促进新旧知识的有效整合，形成知识体系。如本节所学和运动与分运动的等效性，是基于合力与分力关系的类比迁移。理论探究的过程，是已有知识完整的应用和提升过程。

四、教学评价

本节教学的设计，以建构主义为理论基础，以探究式教学为手段，可以高效地落实学科核心素养。教学注重面向全体学生，同时满足学生发展的全面性。教学的每一个教学环节、每一个概念的形成，都基于学生自身的实验观察、设计和思考，展现学生的主体作用。引导学生讨论，避免了知识的机械灌输，提高了学生学习的兴趣，让学生在课堂中体验问题解决的成就感。同时，教师恰当地引导，使得学生知识的构建形成系统性。师生共同合作，让教学过程既是概念形成的过程，又是思维发展、能力提升的过程。