关于物理概念教学的讨论

2015-08-10袁芳

物理通报 2015年2期

袁芳

（上海市虹口区教师进修学院上海 200081）

二期课改的理念是“以人为本”，上海市物理课程标准的课程目标是：落实双基（基础知识和基本技能），渗透科学思想和方法，培育正确的情感态度与价值观，逐步具备科学素养.物理学科是自然科学中最精密、严谨的科学，以概念和规律为基石，以方法和思想为主线，研究、追寻客观世界的规律，并创建理论对未来世界做出前瞻性的预测.

高中物理知识中绝大部分是300年前人类总结的经验，是建立在生活基础上的提炼和归纳.现今世界的迅速变化，知识的更新换代之快让学习中的一些应有的体验在生活中已不复存在.互联网时代的到来使虚拟更多地取代了真实生活，学生的学习呈现碎片化、短阅读、浅层次理解.而物理教学的要求并没有降低，一些学生认为物理学科很难、惧怕物理学习，教师认为学生学习失败的主要原因在于概念不清.究其根本，是教师的教没有真正建立在学生的学的基础上，没有根据时代变化、学情变化相应的做出教学调整.重视训练，轻视导入；重视结论，轻视过程，对概念的教学也出现了短平快的现象，再加上学生的学习主动性、体验性不足，教与学之间的鸿沟被加大，教学效益低下就显现出来.

通过教学和听课实践，我们体会到：对于概念教学，如在以下几个方面加深认识，加以实践是可以提高教学效益的.

1 概念教学的重要性

物理概念是物理基础知识的重要组成部分，而且也是构成物理规律，建立物理理论的基础和前提.例如，在运动学中，物体的位移、速度、加速度是贯穿运动学的基本概念，它们富有张力的内在联系构成了运动学基本规律，三者特有的定义关系揭示了深刻的内涵.

正确地理解物理概念是学好物理学的基础［1］.例如，力和能量的概念是贯穿中学物理的一条主线.掌握力的概念对于理解牛顿运动定律至关重要，也渗透于电学、磁学中；理解能的概念对于高屋建瓴地认识物理世界是不可或缺的，也是学生思维能力递进的表现.

所以，物理概念是物理中最重要的基础.如果把物理定律比作构成宏伟、壮丽的物理学大厦的支柱，那么物理概念便是构成物理学大厦的砖瓦基石.概念清晰，物理问题常常可以迎刃而解，所谓的物理题目中大部分就是为了考察概念掌握运用的情况.物理教学的本质在于帮助学生构建物理世界，从而对客观世界有更深刻的理性认识.要实现这一目标，首先要帮助学生建立起正确的物理概念.

2 认识物理概念

2.1 内涵与外延

物理概念是客观事物的物理本质属性在人们头脑中的反映.物理概念是在大量观察、实验基础上，运用逻辑思维的方法，把事物本质的、共同的特征集中起来加以概括而形成的.物理概念是人们进行物理思维的基础.物理学的原理、定理、定律或规律，都是用有关的物理概念总结出来的，任何一个物理概念都有它明确的内涵和外延.一切概念都要通过词语来表现，定义是对概念内涵（物理意义）的揭示，条件是对概念外延（适用范围）的限制.

物理概念的内涵指的是该概念所反映的物理事物的本质属性.如力的概念的内涵是“物体间的相互作用”.这些概念已经撇开了一个个具体的运动形态或具体的相互作用形式，概括出了同类物理事件所具有的本质属性.物理概念的外延指的是该概念所涉及的一切事物的范围和条件.如，机械运动概念的外延反映的是具有“物体间相对位置发生变化”这一本质属性的各种运动形态，如匀速直线运动、变速直线运动、曲线运动等.概念既有“所谓”又有“所指”.所谓就是指概念的内涵，即此事物区别于彼事物的特有属性.所指就是概念的外延.就是指：在客观世界中具有内涵反映的特殊属性的每一个对象，是对概念对象的指称范围，其具有模糊性和可变性的特点.

2.2 物理概念的特点

物理概念是观察、实验与科学思维的产物.物理学的特点决定了物理概念是在观察、实验基础上，运用科学思维的方法，排除片面的、偶然的、非本质的联系，抓住一类物理现象共同的本质的属性，并加以抽象和概括而形成的.在物理概念的形成过程中，感觉、知觉、表象是基础，科学思维是关键.因此在教学中，概念形成过程要充分利用学生的感觉、知觉，激发思维活动.通过各种途径丰富学生的感性认识是建立正确概念的基础；要注意帮助学生进行科学的抽象.

物理概念是在科学实践中逐步形成和发展起来的.例如，现代关于原子概念的内涵与古代相比，已经有了很大的差别.现代科学技术提供了先进的实验手段，实验事实充分说明了原子是可分的、可变的.随着科学技术的进一步发展，现在人们已深入到原子核内部进行研究，从而使原子概念的内涵和外延不断地发展变化.如医学上的MRI（核磁共振）就是利用人体内所含质子在磁场中发生的核磁共振现象，收集信号，再通过空间编码技术构成图像，供医生来做诊断，直接反映人体内水分子中质子的周围环境状态和分子结构中的位置，这就提供了分子水平上的生化病理状态和信息.

这种完善和发展的特点给予我们教学的启示是：巧妙地把物理学史、科学思想的教育渗透在概念教学中，培养正确的情感、态度、价值观.此外阐明概念发展的路径，也是加深学生概念理解的方法之一.

物理概念具有量的含义，可以和数学、测量联系起来.自从伽利略开创了把物理实验同数学方法相结合的研究途径以后，物理学就迅速发展为一门“精密的定量科学”.反映在物理概念上即为大多数物理概念都是定量的，可以用数学形式来表述.如，速度、加速度、电场强度、电流…… 如，“物体平衡”概念，其定量含义是：如果研究对象是质点，则意味着质点的加速度等于零，即a＝0.从而其平衡的条件为合外力等于零，即ΣF＝0.如果研究对象是有固定转动轴的物体，则它表示该物体的角加速度等于零，即β＝0，从而其合力矩等于零，即ΣM ＝0.物理概念离不开数学和测量，为人们理解和掌握物理概念提供了一条有效的学习途径，即在着重讲清楚物理概念的物理意义的同时，注意培养学生运用数学方法解决物理问题的能力，以及从测量的途径去学习和掌握一些物理概念.

3 物理概念教学的建议

针对概念教学的重要性及对物理概念应有的认识，遵循概念获得的特定逻辑过程，我们在概念教学中应有这样的4步要求.

3.1 引入

物理概念是从客观世界抽象出来的，其认知基础是对概念描述的本质或现象有感性认识，因此概念的引入从创设物理情境开始是非常有必要的，认识其深刻的背景和事实依据，为学生建立现实世界和物理世界的桥梁.

3.1.1 充分利用学生的元认知

比如讲授功，从初中学过的功入手，强调高中定义的要求更加严谨，引入位移描述；甚至提及大学里更普遍的表述：功是力在空间上的累积效应，对路径的积分.又如讲解力矩，从初中学过的杠杆平衡入手，引出力矩这个物理量.

3.1.2 多种方式情景引入比如单摆就从伽利略发现摆的等时性讲起，课的开头是“一个月黑风高之夜……”往往引起学生的高度关注和笑声.播放极具冲击效应的视频也是常用方法，比如某人拉出直径达2 m 多的肥皂泡的视频，引出薄膜干涉…….还可以把生活现象作为困惑向学生展示，比如：电梯里的汽车广告图片标题—— 百公里加速只需要1.2s，这句话是什么意思呢？引起学生好奇继而引入加速度概念.或者以小实验来引入，比如公布教师自己手机号，然后将手机置于金属包装袋，让某个学生拨打，报告同学们听到的回复，引出电磁波屏蔽的概念.

3.2 建立

物理概念的建立是对表象进行概括，在感性材料的基础上，引导学生用抽象思维方法进行思考，用物理术语进行表述.

物理概念的建立包含感知和思维加工，由学生独自完成，虽然可能不精准，但是建构的过程才能让他们印象深刻.归纳法和类比法是比较常见的办法.比如平抛概念引入时，从抛体开始讲，从自由落体、上抛、下抛，再问水平抛出是什么？特点和条件？如果速度倾斜抛出呢？让学生归纳共性和特点.类比法在建立一些抽象概念上比较有优势，比如重力场和电场的类比，其实可以把场强、势和能的概念都作类比，建立一个表格，从而方便学生理解静电场的力和能的概念.把电动势的作用和抽水机类比，把电场强度和磁感应强度的定义作类比.这样的类比使学生很快把新知识理解、内化，纳入自己的知识体系.

3.3 剖析

要让学生对概念有深入理解，而不是前讲后忘记，就要让他真正的理解.只有全方位地认识概念的内涵和外延，深入剖析才能掌握物理概念.剖析方法主要是以下几类：阐释、举例、辨析、比较.

3.3.1 阐释

对概念的特征进行阐释，可以凸显概念的特殊性质，有些概念呈现过程特征，有些反映固有特征，有些只有统计效应.例如对电场强度的阐释：反映场源电荷在某处激发的电场强弱，该处电场强度不随放入其中的电荷而改变，场源电荷确定，其空间电场分布就确定了，电场强度是空间电场的固有特征.又如：温度是分子平均动能的标志，是统计规律.温度升高只是所有分子的平均动能增大，并不意味着每个分子的动能增加.

3.3.2 举例

举例要遵循这样的原则—— 结合学生生活，让他们感到物理无处不在.如在剖析加速度概念时，引导学生关注百米赛跑期望爆发力强的学生参加，是因为这意味着该同学的速度快，还是有其他原因？又举例：小明测验分数在一个月内从60分提高到70分得到妈妈表扬，下个月提高到75分却被妈妈批评是为什么呢？对社会热点的房价问题：环比增长回落，提问学生房价涨还是没涨？这样的多方引用都是为了帮助学生理解加速度反映的是变化率.

3.3.3 辨析

辨析是为了帮助学生深入理解概念，概念外延因其模糊和不确定会造成学生的困惑，为了规避错误，促进学生厘清概念，递进层次的辨析是有效的教学手段.

比如对于曲线运动的概念，可以设计如下的问答：

（1）曲线运动的速度方向是怎样的？变化吗？

（2）速度是（矢量／标量），包含哪两个要素？

（3）速度发生变化有几种可能？能举例吗？

（4）曲线运动的速度是变化的吗？

（5）曲线运动是变速运动吗？

（6）曲线运动的合外力可能为零吗？可以恒定吗？

（7）曲线运动必有加速度吗？

（8）曲线运动可能是匀加速运动吗？

对上述问答期望的效果是，学生得到如下对曲线运动的认识：

（1）变速运动.

（2）有加速度.

（3）合外力不为零.

（4）合外力指向曲线内侧.

（5）加速度指向曲线内侧.

（6）典型案例：平抛运动——匀变速曲线运动.

（7）匀速圆周运动——速率不变的变加速曲线运动.

这样的剖析对于后续的拓展应用（如：电场中基于运动轨迹的电场力、加速度、速度、动能、势能变化的判断）是非常有利的.

概念教学中对外延的把握是教师学科素养的体现.在学生建立概念的过程中，不断引导他们辨析、推断，这也是对批判性思维的一种培养，可以促进学生物理学力的发展.

3.3.4 比较

深入理解概念，还应找出概念与构成它的要素或与它相近的另一概念的异同点及联系，帮助学生掌握概念体系.

概念体系是指由同类概念（如静电场与重力场，电场线与磁感线等）、相似概念（如动量与动能，电场强度与电场力，电压与电动势等）、并列概念（如电场强度与电势）、从属概念（如电场强度与点电荷电场强度等）组成的系列概念［2］.比如磁感线和电场线的异同，由于磁感线的封闭性质带来的磁通量计算的特点；电场强度和电势分别描写电场的力的性质和能的性质，它们分别是矢量和标量，因此运算法则的差异在空间叠加上有所体现.

3.4 应用

概念教学的最后一步是应用，只有应用得当才能说明概念教学落实到位.应用可以是课堂对答，更多的是通过问题解决来反映物理概念的掌握程度.教师要针对性地选题，以应用概念解决实际问题达到巩固概念的目的.教师要不定期地回顾前概念，以螺旋式上升的思维要求提高学生对物理概念综合应用的能力.

应用的3条原则是：针对概念剖析，针对学生易错点，针对变式迁移.

如针对上文曲线运动概念剖析下列选择题.

【例1】下列说法正确的是

A.曲线运动物体的速度大小可能不变，所以其加速度可能为零

B.曲线运动物体在某点的加速度方向即为该点的切线方向

C.曲线运动物体的速度大小可以不变，但速度方向一定改变

D.曲线运动物体的速度方向可以不变，但速度大小一定改变

学生在学习曲线运动概念时经历了前文所述的辨析判断训练，顺利得出（1）、（2）、（7）等结论后，自然会知道曲线运动一定是变速运动，因此A 错误；曲线运动的速度方向对应曲线切线方向，加速度对应合外力方向，因此B 错误；针对选项C，可以举匀速圆周运动的例子来佐证，D 显然和辨析的结论（1）是矛盾的，所以错误.

又如针对电场强度概念的易错点，选用如下例题.

【例2】关于电场强度的概念，下列说法中正确的是

C.放入电场中某点处的电荷所受的电场力越大，则该点处的电场越强

D.放入电场中某点的检验电荷的电量改变时，电场强度也随之改变；将检验电荷拿走，该点的电场强度就是零

电场强度的定义式是采用电场力和检验电荷电量的比值表示，学生容易把它当做数学中的正比例关系，因此选项A，B就是针对学生的错误认识设置的，选项C，D 是想让学生辨明电场强度是电场的本质属性，其实场强是由场源电荷决定的，与是否有检验电荷放于此处无关.这种针对易错点设置的题目可以有效地帮助学生澄清概念，巩固正确的认识.

再如针对加速度概念变式迁移，选用下列试题.

【例3】台球沿桌面以速度v0与球桌边框成α角撞击边框上的O点，反弹后速度为v1，方向与框边的夹角仍为α，如图所示.若v1＜v0，OB 边垂直桌边，则球桌边框给球的作用力方向可能为图1中的

A.OA 方向 B.OB方向

C.OC方向 D.OD 方向