物理实验对建构初中物理概念的作用

马利芳

初中生刚刚接触物理学科，在正式接触物理概念之前，虽然在日常生活中对相关物理现象已有不同程度的积累，但很难将教材中对物理概念的文字表述与自己所接触过的外部信息进行有效的衔接。正如奥苏贝尔在其最具影响力的著作《教育心理学：一种认知观》的扉页所写的那样——“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约成一条原理的话，我会说：影响学习最重要的因素是学生已知的内容”。鉴于此，教师在进行物理概念教学时应准确把握学生已经掌握的知识基础和已有的物理表象，想方设法引导学生对外部信息进行综合加工，使其固有的知识体系与外部信息发生有效的“化学反应”，进而实现对物理概念的建构和理解。在这方面，物理实验可以发挥重要的作用。

一、通过实验提高感知效果，顺应学生已有的认知经验

物理概念反映的是一类对象的本质属性，是客观事物的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映。物理概念的界定又常常是通过下定义的方式或由它与其它概念间的关系来完成的。因此，初中生在初次学习物理概念时，常常会感觉抽象难懂，对概念捉摸不透。虽然如此，但“物理”顾名思义就是“以物载理”，每一个概念中本来就包含着大量的具体事例，初中物理概念尤其如此，教师如能在实践教学中把与概念相关的物理现象、物理事实和物理事物直观地呈现在学生的认知活动当中，就一定能将抽象的概念有效地转化为直观的表象，使概念与学生的已有认知产生间接的顺应联系。“直观呈现”，最好的手段是物理实验。下面，我以初中物理概念“大气压”这个概念的建构为例，谈谈这个过程如何在实验教学中加以实施。

首先，教师要了解学生已有的认知现状。学生在日常生活中已经接触并应用过相关的大气压知识，但由于没有学科学习经验，对大气压的应用认知便只能停留在自己直观观察到的表象认知层面，而且这个表象认知还有可能是错误的。比如用吸管吸饮料，学生经常可以看到并体验到这样的“事实”：嘴用力吸，饮料就会被吸上来;而饮料上方的“空气作用”，因空气无形无色，学生既不能直观感知到它的存在，更不会联想到它会对饮料产生挤压作用。因此，学生从自己已有的认知经验中便得出了这样的结论：饮料是靠嘴吸上来的。

然后，我们再来分析一下教材对“大气压”这一概念的界定。教材是这样引出“大气压”这个概念的：“液体内部朝各个方向都有压强，这是由于液体能够流动。空气也能流动，空气中是否也存在朝各个方向的压强？”实验证明，大气压强确实是存在的，大气压强简称为“大气压”。显然，“大气压”这一概念是通过类比的方法及“空气”“流动”“压强”等概念间的关系来界定的。初中学生对“压强”“液体压强”“空气的流动”这些概念的“感觉”本来就很模糊，教师如果期望通过“讲述”的方式把概念讲清楚，困难是相当大的，因为多数学生还是会凭着直觉和前经验来分析、判断。如果我们利用物理实验的方式，对概念的形成过程进行“稀释还原”或“追本溯源”，通过实验来简化和纯化事实的“原本”过程，以帮助学生排除非本质因素干扰，这样会不会更容易让学生“发现”概念的本质内涵呢？下面我们便以“大气压”概念的实验设计为例，进行教学过程分析。

（一）运用对比实验，引导学生体验“空气流动”对浸在其中的固体产生的朝向各个方向的“压强”“压力”

实验装置如图1所示，实验物品由一个完全密封的大塑料瓶（图1乙）和一个不完全密闭的大塑料瓶或可乐瓶（图1甲）以及旋片式真空泵组合而成。

师演示实验如图1乙，闭合真空泵电源，真空泵启动10秒左右，问学生“看到了什么现象、听到了什么声音”，生答“塑料瓶被压瘪了，听到‘劈劈卜卜的压裂声”。学生通过观察老师的实验，真真切切地看到：原来完好的密封大塑料瓶“卜”的一声明显地被压变形，如图1乙所示;而且随着空气不断抽出，大塑料瓶继续被压瘪并且不断发出“劈劈卜卜”的压裂声。师肯定学生观察到的现象。

然后师开始演示实验如图1甲，对未密封的塑料瓶抽气10秒左右，问学生观察到什么现象。生答“没有什么变化”。随着抽气时间的增加，塑料瓶的形状保持不变，如图1甲。师追问学生“开启抽气泵的目的是什么”，生一致回答“抽走塑料瓶内的空气”。师再引导学生分析：在老师对两个塑料瓶进行抽气后，两个塑料瓶内外空气变化的特点是什么？生经过分析可以知道：抽气后，密封塑料瓶内的空气越来越少，瓶内外气体不一样;未密封的塑料瓶内的空气不变，瓶内外空气一样。师再次肯定学生的分析。

该对比实验从视觉与听觉两方面给学生以强烈印象，让学生观察到现象的本质，经历并体验“空气流动”对浸在其中的固体产生的朝向各个方向的“压力”或“压强”，再运用自己的经验加以分析归纳，便可以得出“当固体内外存在‘气压差时，外界流动的空气可以对浸在其中的固体产生明显的压力”这一新的认知。亲眼目睹这一实验过程后，学生不仅可以“体验”到“空气流动”的作用，还会惊讶于隐形空气压力的“威力”，对空气压力的进一步探究产生浓厚的兴趣。该对比实验的每一步都源于学生的原有认知和经验，对学生看不见的或没有经历过的抽象现象，运用实验适时、间接呈现，为学生认知的顺应发展做好了铺垫。（备注：学校如果没有真空泵，可以选择使用100ml的注射器代替，用易拉罐代替大罐或大瓶进行学生分组实验，装置如图2所示;还可以选择燃烧蜡烛排空空气代替抽气等）

（二）运用对比实验，引导学生“观察”空气流动对液体表面产生的压强

实验装置如图3所示。图3甲是“倒扣在已点燃的蜡烛上方的烧杯”实验装置，乙是“倒扣在未点燃的蜡烛上方的烧杯”实验装置。

师演示“水沿烧杯上升实验”，问学生看到了什么现象，引导学生观察两个烧杯中水的上升情况。

生：甲杯中的水上升，盘中的水变浅;乙杯中的水不上升，盘中的水位不变。

师：两个烧杯中空气的质量一样吗？（抓住学生的疑点观察追问，引导学生对比分析）

生：不一样，甲杯中空气的质量小。

师：两杯中空气的体积、密度一样吗？

生：体积一样，但甲杯中的空气密度小。

师：乙杯中，杯内外空气的稀薄程度一样吗？

生：一样。

师：甲杯内外的空气稀薄程度一样吗？为什么？

生：不一样，瓶内空气稀薄，被排出了。（学生根据已有认知进行推理）

师：谁能说说盘子中的水受到了谁的作用而沿着甲杯上升？是谁给盘子中的水面施加了作用？同桌可以讨论2分钟。

生犹豫、思考、联想、讨论。

生：空气！空气由于重力，对液面产生了挤压。（个别学生能联想到）

师：不错，正是空气的作用。空气因重力、流动性对浸在其中的液体产生了挤压作用。

师接着演示“液体受到挤压沿着竖管上升”的实验（强化学生的认知），生观察、思考、联想。

这一实验过程，将隐形的“空气对液面的挤压作用”“杯内外的气压差”具体“显现”出来，使学生可以根据观察到的现象合理想象和分析“水为什么会沿烧杯上升”，进而真实感受和经历看不见的空气的流动对浸在其中的液体的液面产生的“向下”的“压力”和“压强”。学生会自觉将这一经历融入自己的认知结构，丰富和更新原有的认知。

（三）引入“什么力使悬空塑料试管里的水不会流出来”实验，让学生感受逆向思维活动“空气”“流动”对浸在其中的物体可产生“向上”的“压力”和“压强”，以此丰富学生的思维表象，让学生对“空气流动”对浸在其中的物体产生的“压力”“压强”有更全面、深入的认识，并逐渐熟悉“空气的流动”的隐形挤压作用

实验装置如图4所示，在塑料试管（也可以用可乐塑料瓶代替）顶部或侧壁钻一个小孔，以便于对比封住小孔和放开小孔时的不同，避免学生误以为是水粘住了纸片，受到非本质因素的干扰。

（四）对比实验“谁能吸得上饮料”

实验过程：让两个力量不同的学生进行吸饮料比赛，力量大的吸“全封闭饮料盒”中的饮料（全封闭饮料盒是指插入的细管除与大气相连外，其他地方都是密闭的，该饮料盒中的空气稀薄），力量小的吸“上端开口不封闭的饮料盒”中的饮料（该饮料盒内气压与外界气压相同）。让学生找出两个饮料盒中的异同，并就观察到的现象进行分析。然后再用100ml的注射器代替学生“吸饮料”，一个向里充气，一个从里往外抽气（夸大两者的区别，便于学生关注本质因素的影响），让学生观察发现“不吸”时发生的现象，归纳饮料在管中上升的本质力量，彻底排除非本质因素“吸力”的直观影响，正确认识此实验中“吸力”的作用。

通过以上四步实验，我们可以有效地帮助学生稀释还原浓缩的“空气”“流动”“压强”等知识的发生过程，将“气压差”的概念化抽象为直观，使学生新近经历的表象贴近固有表象，使隐形的表象得以“显现”，让学生的直观体验与原有知识概念发生联系，提高了概念建构的感知效果，促进了物理概念的顺利建构。这样的教学，既能顺应教材知识的发生顺序，又能顺应学生认知结构的认知顺序，还能顺应学生思维发展的逻辑顺序。

本概念中，学生认知的直观表象抓手是“流动的空气对浸在其中的物体产生的压力压强”，学生认知的隐形思维抓手是“气压差”。而该概念认知中的隐形思维抓手是关键，有了这个抓手，学生才可以根据前经验积累升华形成新认知。因此教学中，需要提供“气压差”的直观过程，补足学生的感性表象积累。

二、通过实验引发认知冲突，扭转前经验认知的偏差

不少学生对“摩擦力”的概念有片面认知，认为摩擦力总是阻碍物体的运动，它的方向总是与物体运动的方向相反。为了验证学生的这一认知，2015年桂林市在适应性考试中对这一概念进行了考察，结果显示，这道题对全市考生来说难度值为0.23，学生形成这样的认知结构跟学生的经验积累有很大关系。要纠正学生这种认知上的偏差或错误，单靠重复讲述作用不大，最好的办法是提供摩擦力发生的原始过程，让学生自己联想、抽象，归纳概念的本质因素，排除非本质因素干扰，走出认知偏差。

可以先列举一些非本质联系的实验，顺应学生的已有经验，强化学生的原认知。如图5所示实验。在该实验中，物体受到的摩擦力的方向与物体运动的方向相反，并阻碍物体的运动。也许正是由于这个原因，学生才把阻碍相对运动和阻碍运动相混淆。接着补充图6、图7所示实验，进一步关联学生对摩擦力产生和阻碍物体运动的经验和表象。

然后通过实验引发认知冲突，帮助学生走出认知偏差。可呈现如图8所示传送皮带传送物体实验（视频）。引导学生思考：物体是否有向下运动的趋势？判断物体相对于皮带，处于怎样的运动状态？让学生经历与自己之前的经验相反的实验，利用问题激发学生的想象、激活学生的思维，引发学生联想，努力寻求其间的本质联系，初步思考去除非本质因素的干扰。

最后将问题引向深入，拓展学生思维、联想。呈现如图9所示的实验。分析a物体所受摩擦力的方向，让学生进一步了解自己没有在意的，摩擦力方向与物体运动方向相同的生活案例，强化学生头脑中的新表象。

如此系列实验，可以让学生充分体会到知识发生的原始过程，由认知矛盾引发主动思考，逐步学会舍弃概念中的非本质联系，进而寻求概念的本质属性。学生在解决这些矛盾的过程中，头脑中的片面认识会自觉地发展成为全面认识，错误的认识会初步转化为正确的认识，表面的认识会逐步得到深化。

又如，要使学生形成“惯性”的概念，其关键在于使学生认识“物体具有保持运动状态不变”这一本质属性。但是，在物体真实的运动中，这一本质属性却为许多非本质的联系掩盖着。如要维持物体的运动，一定要“外力”的作用，“外力”停止作用时，原来运动的物体便归于静止;恒定的“外力”作用，是维持匀速运动的原因;“外力”大，速度就大;“外力”小，速度就小;等等。在教学中怎样使学生摒除这些非本质联系而较顺利地揭示本质属性形成“惯性”概念呢？

笔者认为可以这样做：首先列举一些非本质联系的实例，顺应学生的已有经验。桌子不推就不动;树枝无风就不摇动;已经推动的桌子，一松手就停住了;踢出去的足球会慢慢停下来。故意说：“这些事实说明了力是产生运动的原因。”（预习了的学生此时有些耐不住，但一时不懂怎么组织语言反驳老师的观点）然后将问题引向深入，引发矛盾冲突，激活学生的思维、联想。实验模拟百米赛跑运动员到达终点时，想收脚也收不住;行驶的汽车不踩油门后，仍能继续前行;动车进站时，若不减速刹车，很难停在车站;飞机降落地面后，必须要强力刹车且还要运动很长一段距离后才能慢慢停下来;从枪膛射出的子弹飞行很长一段时间都停不下来;运动的洪水若不受阻碍根本停不下来;火山爆发的冲击波很难停下来;等等。（到此时，未预习的学生的认知与原有经验已经有矛盾冲突，开始寻求讨论了）

实验模拟过程与学生的已有认知发生矛盾冲突，学生不能用自己的知识来解释老师提出的现象。（学生犹豫了，开始沉默思考，主动寻求新的思路）

在学生认知发生矛盾冲突，寻求新的解释思路时，教师可顺势强化问题的本质属性刺激，启发学生思考的方向。静止的物体不受外力会怎么样？运动的物体所受外力非常小时会如何运动？（将层层分解的问题提出来，学生的思路会逐渐清晰起来）

最后教师引导归纳：运动的物体所受外力很小时，会如何运动？运动的物体假如不受外力时会如何运动？

教师用实验再现学生难以感知的运动的物体所受外力较小时的过程，为学生的联想和思维加工提供台阶，安装抓手。学生对感性材料通过联想和思维加工“去粗取精、去伪存真、由表及里”。

三、通过实验将复杂现象简单化，降低学生学习概念的难度

物理知识体系之间是相互联系的，物理概念之间也是相互关联的，在物理教学的过程中，教师通过新课、练习、复习等环节不断加深学生对概念间的联系与区别的理解，增长和丰富学生的知识体系。在物理教学的过程中，将物理实验和物理概念的讲解有效结合，能将复杂现象简单化，将概念间的联系明朗化。原因是物理实验具有将复杂的条件简化和纯化，突出研究对象的主要因素，排除次要的非本质因素，使需要认识的某种性质或关系以比较纯粹的形态表现出来的特点。如在练习题中关联到压力和重力的相关概念时，单一用讲授的办法，学生始终难理解压力与重力的区别。如果此时巧借下面这个小小的实验，学生会比较容易将两者的联系与区别彻底弄清楚：选用一个长的塑料尺（约60cm长的软塑料尺）组成斜面（初坡度约为60度），将稍重的铅块圆柱体放在斜面上，提示学生观察并记录塑料尺的形变程度;然后不断减小坡度，引导学生观察并记录塑料尺的形变程度;最后让学生在经历体验后分析重力的变化情况、塑料尺所受压力的变化、塑料尺的形变程度的变化等，引导学生根据观察和记录，归纳压力与重力的联系与区别。

总之，物理实验对初中物理概念的建构是多层次、多角度、多侧面的，笔者抛砖引玉，希望能够引起同行的重视，并对其中的不尽、不全、不足之处多多指教。

（责编 白聪敏）