追根求源理解概念拨开迷雾揭示规律

封玮玮

【摘要】“物理概念”与“物理规律”是高中物理教学的重要内容之一。在当前的物理教学和应试前景下，教师和学生都过于注重概念和规律的应用，而忽视了从学生的认知规律、学习规律和物理逻辑方法的角度来引导学生理解概念和规律。对“物理概念”和“物理规律”意义的理解和运用，在教学目标上分别属于不同的层次，深刻地理解可以帮助解决问题，促进更好地应用。如果学生真正理解概念和规律的含义，那么物理学科的学习会变得“轻负高质”。基于物理教学现状，从“物理概念”教学和“物理规律”教学两个方向阐述对高中物理教学过程概念和规律教学的改革尝试与研究。

【关键词】物理概念物理规律认知规律教学改革实践研究

物理学中，物理概念是物理学的基石，物理规律是物理学的精髓。如果将中学物理学的主题比作高层建筑，那么物理概念和物理定律就是构成建筑物的砌体和钢框架。基于此，在分析和总结国内外同行教学研究工作的基础上，论述了物理概念与规律教学的现状，从学生的认知规律、学习规律和物理逻辑思维与思维方法角度，紧扣《普通高中物理课程标准》，研究物理概念和物理规律获得过程的逻辑方法，逐渐形成了物理概念和物理规律教学的教学设计策略。

一、物理概念教学存在的常态问题与教学实践改革

物理概念，就是对物理现象的概括。它是从个别的物理现象、特定的过程和状态中抽象出的具有相同本质的物理实体。中学物理概念主要分为两类：一类是用词语直接表达的概念，如力、重心、匀变速直线运动等;另一类是用数学语言表达的概念，常称为物理量，如加速度a=△V/△t，电场强度E=F/q，动量p=mv，等等。

（一）物理概念教学中存在的常态问题

1.老师方面的表现

（1）压缩概念形成过程的教学。概念在教学中常被用作陈述性的知识，学生通过死记硬背的方式学习概念，没有引导学生理解概念形成过程的“概念形成性教學”和“概念过程性教学”。

（2）让学生通过题海战术机械地记忆概念，而不是在感觉上“升华”。在学生没有理解概念的实质的前提下，就给学生布置大量的试题来训练，造成了“高负低质”的恶性循环状态，从而形成了学生惧怕物理学科的环境氛围。

2.学生方面的表现

（1）只记结论，不注重概念的引入过程，学习死记硬背，表层学习和肤浅理解。

（2）只背公式，不理解其含义，忽略其适用条件，不理解公式产生的背景，不理解公式应用的实际条件，造成了机械地套用公式的现象。

（二）基于认知规律与学习规律的物理概念教学实践改革

1.还原原始问题，引导学生体验概念的形成过程

教学改革案例：概念“加速度”的教学。教学改革方法：引导学生理解“加速度”概念的形成过程，掌握概念的精髓。

例1：现有4种跑车从静止开始加速到某一速度及所用时间：①兰博基尼Murcielago跑车速度从零加速到100km/h，加速时间4.0s;②麦克拉伦F1LM跑车速度从零加速到100km/h，加速时间3.2s;③宝马Z4跑车速度从零加速到60km/h，加速时间3.2s;④F1方程式赛车速度从零加速到300km/h，加速时间15.6s。请回答以下几个问题：

问题1：①与②速度变化相同，如何比较其变化快慢？问题2：②与变化的时间相同，如何比较其变化快慢？问题3：②与④、①与③速度变化不同，变化时间也不同，如何比较其变化的快慢？

通过上述比较，学生逐渐形成了探究速度变化快慢的基本概念，并掌握了物理学中一种重要的研究影响因素的方法——控制变量法。

2.用好“认知冲突”，摒弃影响理解概念的本质的因素

物理概念是人们头脑中客观事物共同的物理属性和本质特征的反映。有时物理事实会与人们的一贯认知相悖，当“认知”与“物理”相冲突，思维的火花也就迸发了。如果教师善于利用学生的“认知冲突”，引起学生在概念形成过程中思维碰撞的火花，想必会达到事半功倍的教学效果。

教学改革案例：“自由落体”的概念的形成。教学改革方法：充分利用学生的认知冲突。例如，在日常生活中，人们普遍认为“重物体比轻物体下落快”。实验1：让一枚硬币和一张与该硬币等大的纸片从等高处同时下落。演示结果：与学生的判断“纸片下落慢”一致。实验2：将实验1中的纸片紧紧揉成团后，再让它和硬币同时从同一高度下落。演示结果：二者几乎同时落地。

这一现象引起的认知冲突否定了印象中的“重物体一定比轻物体下落快”，笔者趁机引导学生寻找引起这一错误认知的根本原因：空气阻力是影响下落快慢的“幕后黑手”。之后用真空管做自由落体实验验证，再提出“自由落体”概念，就显得顺理成章，学生更能把握“自由落体”的内涵。

3.强化由“是什么”到“为什么”的学习过程，让“高深莫测”的陈述性知识接地气

事实上，许多物理现象的成因是相当复杂的。因此，在教学过程中，要特别注意教学过程的各个阶段，把握教学的节奏。要了解“高中学生课程标准”的要求，准确定位高中学生课程标准的深度和难点。

教学改革案例：电动势概念的学习。教学改革方法：以具体的实验进行直观演示与原理分析结合的教学方式。学习“电动势”概念时，可以先让学生观察以下三个对比实验的现象。实验1：将小灯泡、开关、干电池连成回路，灯泡发光。实验2：将实验1中的干电池换成蓄电池，使灯泡发光。实验3：将实验1中的干电池换成手摇发电机。摇动发电机使灯泡发光，发现摇的速度越快，灯泡越亮。

现象与结论1：从能量转化的角度来看，干电池、蓄电池是将化学能转化为电能，手摇发电机是将机械能转化为电能。在物理学中，把这些能将其它形式的能转化为电能的装置叫做电源。现象与结论2：干电池、蓄电池、手摇发电机工作时，同一个灯泡的亮度不同，说明它们在相等时间内产生的电能的多少不同，我们把上述三种电源这种具有不同的“将其它形式的能转化为电能的本领”叫做电动势。也就是说，在上述实验中，干电池、蓄电池、手摇发电机三者产生的电动势不同。

上述教学设计的目标就是让学生从具体情境中体会引入“电动势”的必要性，赋予这一陌生词汇鲜活生动的实例，消解学生对新概念的陌生感。

4.借用熟悉的概念等效替换生僻的概念，降低理解的难度

教学改革案例：多普勒效应。以高中阶段比较有趣的现象之一“多普勒效应”为例。此概念本身并不难理解，但其成因往往使学生感到很难理解。产生理解困难的原因是“频率”的概念相对抽象，学生没有直观感受。教学改革方法：鼓励学生联系已有知识，引导转换成周期或波长会更好理解。

5.采用“感性的具体→理性的抽象→理性的具体”的教学模式，让词语直接表达类的概念的教学深入人心

词语直接表达类的概念理性、抽象，学生感觉艰涩、难懂。没有人会对那些莫名其妙、混乱的知识产生持久的兴趣。因此，物理教师在教学过程中应该注重概念理解，让学生知其然且知其所以然。词语直接表达类概念教学目标有三点：（1）讲清物理概念的内涵;（2）强调物理概念的外延;（3）厘清有关概念的联系和相近概念的区别。

要打破传统，提高概念课的教学效果，教师在讲授新的概念的时候，可以首先引入一些比较熟悉的具体物理现象，使学生产生具体的感性的认识;然后再经过分析比较，抽象出本质属性，使认识上升到理性;最后经过演绎的练习，使物理的抽象上升为理性的具体，实现能运用所学概念有针对性地解决有关问题。

教学改革方法。第一步：感性的具体。以中性导体放在匀强电场E中为例。现象：自由电子在电场的作用下定向运动，产生感应电荷，产生静电感应。第二步：理性的抽象。透过这个现象，认识到导体内部此时的场强应该是感应电荷产生的电场E与原有的匀强电场E的叠加。只要导体内部的合场强不为零，自由电子就会持续定向移动，直到合场强为0，当自由电子停止定向移动，导体就达到所谓的“静电平衡状态”。此时，教师可引导学生分析总结导体达到静电平衡状态时的基本性质：内部合场强为零、导体是个等势体，等等，从而在头脑中建立起一个“理性的抽象”。第三步：理性的具体。拓展应用到其它电场中，由此及彼，在具体的运用中升华，得心应手地解决多变的物理问题，解释实际生活中的物理现象。

二、物理规律教学存在的常态问题与教学实践改革

物理规律反映了物理概念与物理概念之间的联系，它是物理知识结构体系的枢纽。学生运用物理规律的准确熟练程度，取决于对规律的理解深刻程度。由此可见，规律教学是重心。

中学物理规律主要有：（1）物理定理：如动能定理，动量定理等。（2）物理定律：如牛顿运动定律、机械能守恒定律、闭合电路欧姆定律、法拉第电磁感应定律、光的折射定律等。（3）物理定则：如平行四边形定则、右手螺旋定则等。（4）物理方程：如运动学方程、理想气体状态方程等。（5）物理学说：如安培的分子电流假说，原子核式结构学说等。对于课本中用黑体字明确表述出来的规律，不仅要记住它具体的内容表述和对应的表达式，更要深刻理解其含义及应用条件，从而定量解决物理问题。

（一）物理规律教学中存在的常态问题

1.教师方面

（1）以习题教学代替规律探究。习题课一直以来是高中物理规律课中重要的环节，也是实现教学目标的必要的教学手段。如果忽略探究规律的来龙去脉、物理意义、适用条件等，最终会影响到学生对规律的掌握与运用。（2）没有采用有效的教学策略让学生变为学习主体。为了检验规律的掌握情况，往往会配以大量习题，如果教师不加以挑选典型适当拓展，不采用有效策略对学生的实操情况进行有效地指导，规律应用将始终难到位。（3）黑板上“做实验”或以观看现有实验视频代替传统实验，使某些基于实验探究得到的物理规律的课程变得了无生趣，学生只停留在机械记忆结论或公式，长此以往，终将扼杀了学生获得揭示规律、探索科学的兴趣。

2.学生方面

（1）教学内容中的物理现象，由于学生日常的生活经验不足，亲身经历感受不到位，感性知识储备不足。（2）受到日常生活中所形成的錯误观念的干扰。（3）不能科学地运用物理规律去说明解释具体现象、分析解决实际问题。

（二）基于认知规律与学习规律的物理规律教学实践改革

1.创设物理环境，使学生获得必要的感性认识

让学生有效地学习物理规律，就要教师开动脑筋，创设出便于发现问题的物理环境。那么如何创设有效的物理环境呢？笔者通过几年实践，认为如下方法可以创设高效的物理环境：（1）通过课堂观察和动手实践发现问题;（2）通过对典型案例的分析，接近学生生活发现的问题;（3）充分利用多媒体辅助教学，同时要尽量避免在黑板和屏幕上“做实验”。

教学改革案例：“闭合电路的欧姆定律”的学习。教学改革方法：比较教学法。实验1：按如图1所示的电路，测出一组U、I数据，并作出U—I图线。实验2：如图2所示的电路，有目的地设计出两种情况：①电动机卡住;②电动机正常。分别测出对应的U、I数据。

现象：实验1得到的数据，在误差允许范围内是一条直线，即线性关系。实验2中①也是线性关系，②是非线性的。

结论：当电动机不转时，其U-I关系与纯电路相同;当电动机转动时，其U与I的比值不再是一个恒量。

分析：学生对U/I为一恒量已经由初中的物理学习形成了思维定势。在上述实验的操作过程中，学生对实验1的数据已有经验，因此，对实验2中①的数据也容易理解和接受，但实验2中②的数据颠覆了学生惯有的认知，从而引起认知冲突，激发学生的好奇心，进而引导学生对产生这种现象的原因做出猜测和分析。此时，教师进一步引导，学生就会对纯电阻电路与非纯电阻电路元件的本质建立较为深刻的认识，从而准确把握和理解欧姆定律所阐述的内容以及适用范围。

2.引导学生尝试利用物理学研究方法探索物理规律

物理学常用研究方法有如下几种。（1）实验归纳法。这种方法是经过实验探究总结出来的规律，一般叫做定律。如楞次定律，机械能守恒定律。（2）理论演绎法。由此方法发现并形成的规律，一般叫做定理或原理。具体来说，就是从已知的规律或理论出发，对某一特定的事物或现象进行演绎、推理，进而得出有关物理量之间在一定范围内的函数关系或新的论断，最后，只要通过实践检验就可以成为规律。这样的方法形成的规律，不再仅仅是对经验事实的简单概括，而是成为科学理论系统中一个新的出发点。如动能定理、动量定理、光路可逆原理、波的叠加原理等。（3）提出假设法。由此发现的规律，一般叫做理论或定律。具体来说，在对有些物理规律研究时，可引导学生在观察实验或分析推理的基础之上进行大胆地猜想并提出假说，然后再运用实验或理论加以检验，从而修正假说，得出科学的结论。如电阻定律、普朗克的量子说等。

3.跨单元知识联系相似规律，形成完整的知识体系

物理世界的规律特点之一就是“和谐、统一”，学好物理可以举一反三，对于深化物理规律的揭示与认知，需要做个善于思考的人，教师也应当辅助学生领悟科学的思想方法，利用类比法将相似的规律进行整合。

教学改革案例：物理学中一些功能关系整合。教学改革方法：罗列众多功能关系案例，启发学生比较并发现共同规律。

三、总结

在物理概念与规律教学中，教师应当通过选择适当的方法激活学生头脑中的原始知识，从而吸收新概念或新规律，选择合适的信息呈现方式来促进学生的选择性感知。一般来说，只要将抽象概念具体化、复杂概念简化，注重新概念与原知识的关联，那么就可以大大降低学生对概念和规律的感知和识别的难度。在教授物理概念课和规律课的过程中，教师应采取何种教学模式，选择何种具体案例，是否选择现代教学方法，应根据具体情况自行决定。

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