试论物理概念教学中的过程与方法策略

郭拯

(慈溪市教育局教研室 浙江 慈溪 315300)

物理概念是整个物理学知识体系的基础，“是在大量观察、实验的基础上，运用逻辑思维方法，把一些事物本质的、共同的特征集中起来加以概括而形成的.”概念教学是物理教学的核心内容，教学效果直接决定了学生对物理知识的认知程度，是学生构建知识网络的关键.在概念教学中是否真正落实“过程与方法”，依然是课堂教学存在的主要问题.

考查概念的形成，“过程与方法”主要包括三方面:第一，在具体的物理情境中获取必要的感性认识；第二，通过复杂的思维过程理解新事物，再用数理方法表达概念；第三，在解释现象或解决问题中运用科学方法，不断加深认识和理解.学生形成、理解和掌握物理概念是个十分复杂的过程，现以“功”的教学为例，谈谈其中的教学策略.

1 情境感知与体验活动

情境感知与体验活动是物理概念形成的基础.课堂教学情境的创设要从为什么引入“功”的物理概念角度展开，让学生在分析、探索中意识到引入新概念的必要性，从而进一步生成“如何定义新概念”的物理思考.这一环节的教学设计包括情境感知、观察分析与提出问题等几个方面.教学过程中提供的感性材料要有针对性，使学生的前概念或初始概念逐步向物理概念转化.

(1)情境感知

1)以生活中的实例逐渐丰富有关功内涵的表述.“在认识能量的过程中，人们……那么这个力一定对物体做了功.”教学设计中，以教材中的几个实例或更加贴近学生生活的其他实例(视频)为载体进行概念学习的情境感知.

2)情境分析中要把握、提炼三个要素:

第一，在力的作用下，物体的各种形式的能(如动能、势能)发生了变化；

第二，物体在力的作用下，在力的方向上移动了一段距离，让学生体会做功的过程是力对空间的累积过程；

第三，通过能量变化与做功关系的普遍性，明确学习“功”概念的必要性.

(2)观察分析

在情境感知基础上，进行物理现象的探讨，为功的内涵理解作好辅垫.如以某学生举哑铃为例，完成演示情境的四个层次.

1)人举着哑铃静止不动；

2)人举着哑铃水平运动；

3)人将哑铃从低处举到高处；

4)哑铃越重或举得越高.

让学生有目的地观察、分析人对哑铃的做功情况.

(3)提出问题

1)以情境感知、观察分析为基础，认识初始概念“功”的基本内涵.思考下列问题：第一，做功的过程需要什么条件？做功跟哪些因素有关？第二，如何定义功？如何正确理解功的初始定义式？以简洁的板画图示，描述上述过程，明确做功的几个要素.

2)回顾复习初中物理教材中关于功的概念.结合上述举哑铃问题，建立图1与图2情境，分析几种特殊情况下力做功的表达形式.在此基础上，让学生举例说明生活中相关事例，体会机械功的两个必要因素和初始定义.

图1

图2

3)进一步辨识功的初始概念，深化功能关系.如，在人举着哑铃稳定后的3 s时间内，尽管学生认为不做功，但还是心存疑惑.“不是说物体在力的作用下能量发生了变化，那么这个力一定对物体做了功吗？难道该同学在这3 s内没有消耗更多的能量吗？如果说消耗了更多的能量，怎么能说人对哑铃没有做功呢？”质疑目的在于让学生进一步明确研究对象，并从能的角度理解力做功的含义.

再如，如果人举着哑铃，将哑铃从高处移到低处，人对哑铃的作用力对哑铃做功吗？问题设计的目的在于为负功的理解埋下伏笔，留下悬念.

情境感知与体验活动的目的在于还原概念形成的基础，“让学生站在问题开始的地方，面对原始的问题”，沿着前人思维活动的足迹重演知识的产生与发展过程，发现、体验、掌握形成概念的方法，从感性认识上升到理性认识.

2 概念形成的系统逻辑结构

系统逻辑结构的构建是物理概念形成的关键，是依赖于知识逻辑序列和学生认知结构的科学抽象过程.这一环节的教学设计包括内涵表述;物理意义与数学表征和与原有知识结构的整合、拓展等几个方面，让学生在新的学习过程中，不同程度地提升、更改或重组头脑中的已有概念，从而构建内在的知识结构.

(1)内涵表述

“功”概念的建立是以已有知识为基础，运用逻辑和数学的方法，经分析、综合、再抽象建立起来的，实验观察并没有直接作用，它建立的重点是逻辑方法和数学方法.所以“功”内涵建立的教学可做如下设计.

1)理解初中关于功的表述形式，W=Fl.重点说明l的含义，从物体走过的距离过渡到物体的位移，明确F与l的物理意义.

2)实验演示.用细线斜向上拉小车，使小车在轨道上运动，建立如图3所示的情境.研究在一般情况下，力F与位移l之间夹角为α时，力F所做的功.

图3

3)组织学生讨论，提出解决的思路和方法——力的分解方案或位移分解方案，并放手让学生进行推理，进而得出W=Flcosα.

(2)物理意义与数学表征

功的定义式和计算公式都是用数学公式W=Flcosα来表示，将数学和物理结合起来解决问题是理解功内涵的关键.

图4

1)探讨W=Flcosα数理内涵.以某一具体事例，如教材中的两幅卡通图(图4)中，探讨力F与位移l的夹角α不同时，让学生发现在什么情况下是正功，什么情况下是负功.这样，既熟悉了功的公式又能分析“做功的正负”，而不是仅仅停留于对物理公式的数学讨论.

2)引导学生做小结，使学生理解在什么情况下力F做的功最大，什么情况下不做功.将特殊情况下的结论纳入一般情况的结论，使学生构建一个良好的知识结构.

(3)与原有知识结构的整合和拓展

功的知识结构包括功率、动能定理、机械能守恒定律、功能关系等.在教学中应将功的性质的教学置于其知识结构中，根据学生的理解和教材的逐步深入，一一展开.

1)“功是标量还是矢量”问题探讨.功的属性是该节教学的难点，也是学生正确认识功能关系的关键.教学设计中突破该难点采用的方法是先引导学生思考与讨论；然后根据学生的回答因势利导，用归谬法引申论证；最后运用实证加以内化巩固.

如：学生的回答是矢量.

师：你认为功的方向由什么决定？

生：由力的方向决定.

师：如果我规定力的方向为正方向，功的方向也应为正方向，表现为“正值”，是不是？

……

师生共同分析图5情境，根据功的计算公式，可分析得出功为负值，因此产生疑惑，形成矛盾.此时再设计问题，提示学生回到功的原始定义，从能的变化上认识功的属性.

图5

2)功的正负含义探讨，整合与之相关的物理含义.师生的讨论从功的“+、-”符号的出处切入展开讨论，然后建立实验演示情境：

(a)在气垫导轨上，小车在拉力的作用下，运动得越来越快；

(b)在气垫导轨上，小车在与速度反方向拉力的作用下，运动得越来越慢.

分析“力F与位移l方向的夹角α的不同，将对物体运动产生怎样的不同效果”.揭示拉力对小车所做功及产生的不同运动效果.

“功的正负”在公式表面上看是源于夹角的不同，由于夹角的不同，力对物体的运动产生不同的效果，即阻碍或促进物体的运动.功的正负说明的是力做功性质的不同，表示能量转化的方向，并不是代表所谓的“功的方向”.

整合学生以前所学物理量中相关标量的知识，如热量的正负、电荷的正负等都表示性质，又如高度、温度等表示相对大小问题.

3)合力做功的问题.教材采用了直诉的方法(略)，通过“做一做”让学生进行证明.教学中若直接按此方案，缺乏让学生感悟知识的形成过程.所以，可以在教学设计中以某一具体事例，在应用功的公式解决问题中，发现、感悟、提炼出求总功的方法.

图6

例如，图6情境中，在一个倾角为α的斜面滑梯上有一质量为m的小孩，恰好能沿斜面匀速下滑，已知小孩在斜面上下滑了l.

(a)分别求出小孩所受的重力、支持力、摩擦力做的功.

(b)小孩受到的合力多大，合力做的功是多少?

让学生发现在一个过程中“合力所做的功与各个力所做的功的关系”，并点明在功的计算公式的推理中，其实已隐含了这一思想，并进一步说明功是“标量”.

4)变力做功的问题.对于W=Flcosα，仅适用于大小和方向均不变的恒力做功，建议此点可留待以后的学习中逐步加深.教学的设计，以一个具体实例为后续内容的学习埋下伏笔，如“压缩的弹簧将物体弹出，如何研究该过程中弹力所做的功呢？”

概念的数理逻辑结构建立是一个不断螺旋上升的过程.教学过程应以学生原有的知识结构作为新知识的“生长点”，将所要学习的知识“生长”到学生已有的认识上.在生成显性概念知识的同时，也生成了隐性的思维方法.

3 概念教学的科学方法

一个物理概念或物理规律形成的同时，必然存在着与之相对应的科学方法的形成.在教材中，或现显性，或存隐性，但更多的是隐性地存在于教学内容的逻辑结构中.所以，疏理、把握概念教学的科学方法就涉及到“教材逻辑解构、概念形成的科学方法和教学逻辑中的科学方法生成”等几个层面.

(1)教材逻辑解构

功概念建立的情境感知，沿着初中物理的思路，在对大量机械工作实例进行分析的基础上，运用分析和综合方法，具体到一般的科学思维方法，在能量变化的知识背景中，分析能量变化的原因，从而抽象出功的定义.

(2)概念形成的科学方法

从功的初始定义到数理逻辑结构的建立，教学的情节经历了由特殊到一般的探究思路.先分析力与位移同方向，再逐步深入到力与位移成某一角度时的做功探究，其中涉及到两种矢量分解方法的运用.探讨“功的属性”和“合力做功的求解”时，将特殊的情况又纳入一般情境中.在计算式的讨论中充分运用了数学方法；在功的性质探讨时运用了归谬法；在变力做功的研究中，将会用到“微元法”和“化曲为直”等方法.

(3)教学逻辑中科学方法的生成

教学逻辑中的科学方法的生成要适合教学逻辑的发展.如功的两个要素是“力和在力的方向上发生的位移”，即将位移在力的方向进行分解.而教材在后面定义“功”的过程中，却是用力的分解方法，让人觉得前后似乎不一致.所以，从这一教材逻辑结构的解构，要意识到“位移分解方案”建立在初始概念的基础上.运用“力的分解方案”推证做功的一般式，隐含在其中的是“功是标量”这一属性，即“分力做功的代数和等于合力所做的功”这一重要思路.

又如，教材引入的“功”的概念并没有很好体现“功是力对空间累积效应”这一思想，这样也就很难说明“功为什么是力与力方向上的位移的乘积”.所以，对做功的过程性分析要逐步渗透，如全过程力所做的功是各分过程所做功的和，乃至于当位移趋于极小时，等于各微元功之和，教学中要理清概念内在的逻辑本质.

“科学认识的主要成果就是形成和发展概念”，教学设计要站在科学方法的高度设计教学的“过程与方法”，使学生在逐步理解中掌握这些科学方法.教师对此不仅应有自主的分析与设计意识，并要以此为纲，引领教学情节的逐步深入，从而达到在建立新概念的过程中，将科学方法内化为学生的思维方式和行为方式，使“过程与方法”这一维度的目标真正落实.