“物理思维中心论”视域下的概念教学策略

陈懋

摘    要：概念是物理的核心，概念教学是培养学生科学素养的重要途径.概念教学必须基于学生的习得经验，立足于学生的感性认识，从前概念出发，需要使浓缩的意义充分稀释还原.

关键词：概念教学;物理思维;科学素养

物理思维是指采用物理学的思想和方法提出问题、分析问题和解决问题的科学思维.物理思维中心论是指在物理概念教学中，物理思维位于概念教学结构图的中心，分别与生活情境、物理概念、创新实验、概念本质四个部分发生关联[1]，如图1所示.物理概念是观察、实验与理性思维的概括抽象的产物.学生对物理概念的认识，需要经历三个阶段：感性的具体、理性的抽象、理性的具体.概念教学必须基于学生的习得经验，立足于学生的感性认识，从前概念出发，需要使浓缩的意义充分稀释还原，这种设计符合学生的认知次序.但在实际物理概念教学中，教师往往简单直接地给出概念的定义，学生没有经历概念建立的思维过程和科学方法训练，因而严重影响学生对概念的理解.笔者以“压强概念”教学片段为例，探讨如何基于“物理思维中心论”的初中物理概念教学来培养学生的科学素养.

一、创设生活情境   明确概念的意义

物理学概念建构的意义在于物理学引入和建构这个概念的原因，即解决“为什么”的问题.著名教育学家杜威主张：教学是基于行动，不应该直截了当地注入知识，而应引导儿童在活动中获得经验从而习得知识[2].在概念教学中，教师创设能凸显事物“共同属性”和“本质特征”的生活情境，引导学生将情境与物理概念进行联系与转换，选取所学的物理概念解决情境中出现的问题，唤醒学生的思维，并同化到学生的原有认知结构中，明确概念建构的物理意义.

例如我们已经知道，力的作用效果有二：一是可以改变物体的形状，二是可以改变物体的运动状态.请同学们用手指压桌子上的气球和海绵，观察并描述发生了什么现象.学生活动后知道，压力使物体的表面产生凹陷的效果.继续提问：你还能列举一些生活中类似“压力使物体产生凹陷”的例子吗？学生讨论得出，人在沙滩或雪地上行走，脚对地面的压力会在沙滩或雪地上留下脚印;人躺在沙发上，身体对沙发的压力会使沙发产生凹陷.教师追问：汽车会使路面产生凹陷，如果汽车超载很多，会导致什么后果呢？教师投影汽车超载导致桥梁断裂的图片.学生知道，当压力过大时会损害物体，甚至造成安全事故，因此我们很有必要学习这些知识，加强安全教育.在此过程中，学生明白压力是一种普遍存在的效果力，压力可以使物体产生凹陷.

教师设问：我们无法看到力，却能从力产生的效果中感受到力的存在.那么，请你们思考，放在桌面上的书对桌面有压力吗？学生认为，有压力，但没有凹陷形变;也有学生认为，有凹陷形变，只是变形程度太小，用我们的眼睛无法直接观察.此时，引导学生思考如何设计实验进行检验.演示实验，如图2所示，用手指捏玻璃瓶，毛细管中的红色液柱上升，手指松开，液面又下降回到初始位置.此时学生知道书对桌面产生压力效果.在此过程中，学生明白，为使实验效果明显，可以采用转换法或放大法等验证方法.

本案例中，学生自主体验，再列举生活中的压力作用效果过大造成事故，明确压力的作用效果的现实意义;教师展开演示实验，引导学生从作用效果入手，将看不见的凹陷形变转化为看得见的液面升降，调动思维的积极性.在这个过程中，学生体验“从生活走向物理”的课程理念，从物理思维视角感受引入物理概念的意义，学生掌握了比较、质疑、转换等思维方法.

二、设计创新实验   体悟概念的本质

概念的本质属性，即抽象概括出包括一切同类对象的本质属性，解决“是什么”的问题.物理教学不仅给学生传授一些知识和技能，更应该培养学生的理性思维，对习以为常的生活现象进行质疑、论证的习惯，对得心应手的经验进行批判，以及对科学探究的热爱.在概念教学中，教师引导学生设计创新实验，让学生得到切身的体验，通过抽象抓住事物的“本质特征”，体悟概念的本质属性.

例如，关于压力作用效果的影响因素，笔者展示狗和人在雪地上留下深浅不同脚印的照片，如图3所示.设问：压力的作用效果可能与什么有关？有学生认为人的压力大，压力的作用效果可能跟压力的大小有关;也有学生认为人的重力大，压力的作用效果可能跟重力的大小有关;也有学生认为，虽然狗有四只脚，受力面积还是小，压力的作用效果跟受力面積的大小有关.教师追问：狗和人在雪地上行走留下脚印，此过程的研究对象是什么？那么压力的作用效果是与压力有关还是与重力的大小有关？学生经过讨论交流得出，雪是研究对象，人和狗受到重力，雪地受到的是压力，而不是重力，所以压力的效果可能与压力大小有关.在此过程，纠正了学生错误的前概念.

科学是基于实验证据的，需要大胆猜测，小心求证.请自选实验器材：砝码、塑料尺、气球、海绵、水，设计方案定性验证你的假设，并画出装置图.学生分小组讨论后，最好的实验方案如下.

如图4所示，将两个相同的气球充满气，第一次把一个气球粘在木板上，上面放10本课本，观察气球的凹陷形变程度;第二次把两个气球粘在木板上，上面放10本课本，观察气球的凹陷形变程度，学生发现第二次气球凹陷不明显，学生发现课本数量相同，气球越多，气球凹陷越不明显;第三次还是一个气球，只是上面放15本课本，观察气球的凹陷程度，学生发现气球数量相同，课本数量越多，气球凹陷越明显.这个实验说明压力的作用效果与压力大小和受力面积有关.

那么，压力作用效果与压力大小和受力面积关系如何呢？教师演示实验，具体操作如下：如图5所示，将矿泉水瓶底部去掉，蒙上橡

皮膜，并固定在铁架台上（橡皮膜朝上），瓶口用橡胶管与U形管连接.实验1：在橡皮膜上平放长方体木块，依次叠放一块、两块、三块，观察U形管中液面的高度差对应的格数，记录数据在表1中;实验2：在橡皮膜上放同一块木块，依次平放、竖放、侧放，观察U形管中液面的高度差对应的格数，记录数据在表1中[3].引导学生分析归纳，实验1中，受力面积相同，叠放木块越多，压力越大，压力的作用效果越明显;实验2中，压力相同，平放受力面积最大，竖放受力面积最小，受力面积越小，压力的作用效果越明显.

表1   压力效果实验记录表

[木块数（个数） 一块平放 两块平叠放 三块平叠放 一块竖放 一块侧放 U形管左右液面高度差（格数） ]

在本案例中，学生从人和狗的脚印深浅对比，提出猜想，暴露迷思概念;通过自主设计创新实验，用氣球代替海绵，实验现象更明显，学生易于观察，他们兴趣盎然;教师开展创新实验，从微小到放大，从定性到定量，进行理性分析，促进学生透过现象看本质，学生豁然开朗.在这个过程中，学生从物理思维视角，体悟了概念的本质属性，学生掌握了假设、比较、概括、创新等思维方法，

三、分析事实现象   理解概念的定义

概念的定义内涵，即概念所包括的所有对象共同的本质属性的综合，解决“怎么样”的问题.物理概念定义的方式主要有直接下定义、乘积定义法和比值定义法.学生理解了概念的定义本源，能深化概念应用，不容易出现那些似是而非的错误.在概念教学中，教师积极引导收集证据，分析事实现象，同中求异、异中求同，给概念下操作性定义，用外在的语言描述，理解概念的定义内涵.

例如，对于压力和压力的作用效果比较，如图6所示，你用两只手的食指同时挤压铅笔

的两端，请问你的两个手指感觉一样吗？为什么？有的学生认为右手受到的压力大，所以右手感觉更疼痛;立即有学生提出质疑，左右手受到的力大小是相等的，物体间力的作用是相互的，相互作用的两个力大小相等，因为右手的受力面积较小，右手受到压力效果更大，所以右手感到更疼痛.当然这个活动，要提醒学生用力不要过猛，平时注意尖锐物体，加强安全教育.教师追问：物体受到的压力相同，而往往压力的作用效果不同，说明了什么？学生讨论交流，得出压力和压力效果是不同的.在此过程中，学生发现单纯的压力大小不能准确地表达压力效果，即使压力相同，但产生的效果也不同，因而需要建立一个新的物理量.

教师提问：科学研究是一个由表象到本质，由感性到理性的过程.如何比较压力的作用效果呢？学生讨论发言，相同受力面积，比较压力大小;相同压力大小，比较受力面积.追问：如果压力和受力面积都不同时，如何比较压力的作用效果？教师提示，在前面的学习中有没有能借鉴的方法？通过小组讨论，可以用求比值定义的方法，类似于求速度、密度的方法.比较压力作用效果有两种方法，即F/s和s/F，即单位面积上受到的压力或单位压力上所占的面积，通常我们选择前者，符合日常生活习惯.单位面积上受到的压力越大，压力的作用效果越明显.科学上把物体单位面积上受到的压力叫作压强.

教师追问：压力越大，压强也越大，是否正确？为什么？学生发言，这种说法错误，虽然压强由压力和受力面积比值定义，但是压强的大小与压力大小和受力面积大小无直接关系，必须要有一定的前提条件，即受力面积一定，压力越大，压强越大.

本案例中，教师引导学生从生活经验中分析压力效果和压力的不同，明确引入压强的物理意义;学生经历分析事实的过程，接着给压强下操作性定义，明确压强的定义，巩固比值定义方法，辨析决定压强大小的因素，知其然，又知其所以然.在这个过程中，学生从物理思维的视角，理解了概念的定义内涵，学生掌握了比较、分析、下定义等思维方法.

四、解释生活现象 完善概念的运用

物理概念的实践运用，在概念指导下去解决问题，解决“做什么”的问题.对学生而言，只有会应用、能迁移的知识才是属于自己的.初中学生的认知发展水平基本还处于前运算和具体运算阶段，他们的抽象思维还离不开具体思维的支撑.同时，学生对概念的实践运用，往往受错误前概念的干扰.在概念教学中，针对学生的前概念，通过问题引导，让学生运用概念解释生活现象，学以致用，激发认知冲突，培养多角度思考问题的习惯，完善概念的实践运用.

例如，对如何增大压强和减小压强，教师设问：在日常生活中，人们采用什么方法来改变压强大小呢？要求学生根据压强公式分析讨论，学生积极发言，增大压力、减小受力面积可以增大压强，反之，减小压力、增大受力面积，则可以减小压强.有时采用一种方法，有时两种方法同时采用.

教师提供如图7所示四幅图，设问：读图，每幅图中采取哪种措施来增大和减小压强？学生先读图，找出关键因素和目的，再表达.图7a，刀有薄薄的刀刃，通过减小受力面积，增大压强;图7b，足球鞋底做了鞋钉，通过减小受力面积，增大压强;图7c，坐沙发比坐木凳感觉舒服，通过增大受力面积，减小压强;图7d，坦克装有宽宽的履带，增大受力面积，减小压强.

图7   改变压强的方法

最后，教师追问：日常生活中，有时需要增大压强，有时要减小压强，你知道还有哪些场合增大压强，哪些场合减小压强？学生举例，比如铁轨铺在枕木上，减小压强;书包有宽宽的背带，减小压强;注射器的针尖很细，增大压强.在此过程中，学生用科学家眼光看待生活，促进理性思维的发展.

又如，从压强的角度分析生物对环境的适应现象.教师讲述：动物的进化会使它们的身体结构和功能更适应环境.骆驼的趾长得特别宽大，而啄木鸟的喙长得又尖又长.你知道这样的身体结构对骆驼和啄木鸟的生活有什么好处吗？你还知道别的动物也有类似的身体结构吗？请举例说明.学生交流发言，骆驼趾长得特别宽大，增大受力面积，减小对沙子的压强，适合在沙漠上行走，而啄木鸟的喙长得又尖又长，减小受力面积，增大对树木的压强，适合在树木中觅食.学生还列举狗的犬齿特别尖等现象.至此，学生突然有一种一览众山小的感觉.

本案例中，教师引导学生分析推理，先抽象改变压强的方法，结合生活实例进行分析，然后列举生活实例，最后从压强角度解释生物进化中身体的结构与功能相适应，享受到理性思维的乐趣，感受科学的神奇与美妙，获得无比的愉悦感.在这个过程中，学生从物理思维的视角，体验从“物理回归生活”的课程理念，完善概念的实践运用，经历抽象、比较、创造等思维活动.

总之，对学生而言，物理概念往往感觉“听讲就懂，看书就会，做题就错”;对教师而言，学生的大脑就像一个黑箱，物理概念总是反反复复错误，学生的错误前概念总是“死灰复燃”，教学效果不佳.究其原因，学生的思维仍然是浅层的、低阶的.物理思维中心论为我们的概念教学找到出发点和归属点，即生活是教学的起点，也是教学的终点，同时也为我们找到教学的着力点——物理思维，即从物理思维视角建立物理概念，设计创新实验，理解概念本质.

参考文献：

[1]董友军，黄爱国，周璐.基于物理学科核心素养的概念教学策略——以“速度”概念为例[J].教学月刊·中学版（教学参考），2019（7/8）：16-19.

[2]王耀村.初中科学关键问题指导[M].北京：高等教育出版社，2016：147.

[3]胡先涛.用概念形成原理深度建构物理概念的策略初探——以压强概念的核心片段教学为例[J].中学物理教学参考，2018（3）：4-6.