概括：促进物理概念进阶的有效途径

柴宏良

摘  要：概括是思维能力的基础，是物理概念进阶的必然过程，物理学习就是学习者对物理概念的不断概括与迁移。文章以质点概念的教学为例进行阐述，通过问题链引导学生的思维活动和自主概括，让学习实现从真实情境到物理问题、从问题到物理观点、从观点到物理概念、从概念到大概念的概念进阶，形成完善的物理观念，培养学生的科学思维力。

关键词：概括思维;物理;概念进阶;质点

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）10-0005-4

1    概括思维

林崇德先生在《学习与发展——中小学生心理能力发展与培养》中写道，不管智力还是能力，其核心成分是思维，最基本的特征是概括，即概括是智力和能力的首要特点。从教学实践上说，学习和运用知识的过程就是概括的过程。没有概括，学生就不能掌握知识;没有概括，就难以形成概念;没有概括，学生的认知结构就无法形成。所以，概括成为思维研究的重要指标，概括水平成为衡量学生思维发展的等级标志。学生从认识具体事物的感知和表象上升到理性思维的阶段，主要是通过抽象概括[1]。

物理学是高度概括的科学，物理概念和规律是对物质世界的高度概括。例如，在万有引力的研究历程中，从第谷的数千个天文观测数据到开普勒三大行星运动规律是一次概括，再到万有引力定律又是一次更加深刻的概括，反映出认识越深刻，概括越简洁，含义越丰富。物理概念（观念）在一次次的概括中不断发展，变得越来越纯粹、越来越有普遍性。所以，从学科本质上来说，概括是物理概念进阶的必然过程。

2     概念进阶

科学概念是在科学研究和学习的过程中形成的诸多观点、模型、概念和规律的总称[2]。而科学大概念是能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念，是众多概念的上位概念，它使诸多下位知识有了固定点，是诸多知识形成的一个存在内在关联的系统，从而帮助学习者对自然现象、实验现象以及相关的小概念建立起理解的框架[3]。通过物理教学让学生从小概念走向大概念，从大概念走向更上位的物理观念，实现概念（观念）进阶，有利于增强学生对物理知识的理解与应用，提升学生的物理核心素养。

教学应在大概念的引导下提出研究问题，学生基于问题驱动沿着科学概念发展的层级模型[4]深入学习物理概念，从简单到复杂，从具体到抽象，从经验到知识，通过不断的抽象概括逐级完成概念的进阶，进阶模型如图1所示。从思维层面看，概括过程就是学习过程。让学生学会概括就是基于一定的情境探究的前提下，运用语言、图表、表达式、思维导图等工具表达自己的观点，进而形成系统的知识结构。这是促进学生思维力提升的重要途径，也是实现物理概念和观念进阶的必由之路。

然而，笔者在教学观察中发现，有些教师在物理教学中对概括思维的培养和运用是忽视和欠缺的，表现在：教学目标的研制仅关注知识和知识的运用，忽视概念的形成过程以及大概念的进一步建构;教学过程中忽视从具体情境到概念建构的抽象概括过程，用讲授代替学生概括;教学方法运用不当，教师对概括的内容和方法指导不到位，教学时缺乏有效的问题链引导，学生概括的效果不佳。下面以质点概念的教学为例，说明概括思维指导下的概念进阶途径。

3    教学策略

“质点、参考系”一课的重点是学习、掌握质点模型，而质点模型是建立在理想化方法的基础上，所以，理想化方法是更上位的学科大概念，而质点是其下位的概念。本课教学的主要目标是通过质点概念的学习过程，让学生领会理想化方法，形成物理研究的建模思想。

3.1    从真实情境中概括物理问题——发现精确描述物体运动的困难

探究源于问题，让学生在真实情境中发现问题才能激发进一步探究的欲望。然而，学生在面对真实情境时往往形成各种问题，有的是物理问题，有的是非物理问题，有的与本课的学习相关，有的则无关。教师要引导学生发现问题、分析问题并概括出有价值的问题。

（1）教学情境

播放跳马比赛视频，各种运动物体的照片（踢出的足球、飞翔的雄鹰、飞驰的汽车）让学生观察，让学生尽可能精确地描述它们的运动情况。

（2）引导与概括（表1）

（3）教学述评

通过问题1让学生尽可能精确地表述各个物体的运动情况，不同学生有不同的描述，让学生自主发现精确描述物体运动的困难。问题2引导学生寻找困难的原因，由于任何物体都存在形状和大小，势必要求描述物体运动时要考虑物体上不同位置的区别，这是造成运动描述困难的原因。在问题讨论之后，让学生自主概括观点：物体的形状和大小会造成描述运动变得困难。由此引出新的问题：是否可以把形状和大小忽略掉呢？

3.2    在问题探究中概括物理观点——发现可忽略物体的形状和大小的条件

学生在问题探究时会受已有经验和知识的影响，教师要尊重学生原有的经验和认知水平，在此基础上进行新概念的建构。通过问题探究得到一些现象、数据、图示和观点，教师引导学生进行分析、比较、提取有价值的证据，通过归类、抽象，归纳出有价值的观点。这些观点代表了学生对问题的初步看法，虽然不够完善，甚至有的是错误的，但可以通过课堂交流、讨论、提炼逐步得到完善。

（1）问题情境

向学生展示公交车过桥的图片，一辆公交车以10 m/s的速度经过一座桥，已知公交车长12 m，宽2.5 m，高3 m，桥长50 m。求出公交车经过桥的时间？

（2）引导与概括（表2）

（3）教学述评

问题1用一个实际问题情境让学生尝试解决问题，并要求画出示意图，将学生的思维过程显化，从学生原有的认知和经验出发进行概念建构。在学生的经验中，已存在忽略物体部分形状和大小的经验和做法，但要让他们明白为什么这么做还需要教师进一步的引导。问题2、3中教师先展示部分学生（学生甲和学生乙）所画的示意图（图2），引导学生发现忽略形状和大小的意义。然后追问：是不是任何情况下都可以忽略公交车的高度和宽度呢？结合实际经验，学生容易得出下列观点：如果桥比较窄，就要考虑公交车的宽度了;如果公交车要经过限高门，就要考虑高度了。看来能否忽略要看具体情况和具体问题。问题4交给学生分组讨论，学生讨论后认为：在本问题中公交车的长度不可以忽略，因为车的长度相对桥的长度并不是很小，但如果这辆公交车经过一座很長的桥，比如长度为36 km的杭州湾跨海大桥，可以把长度忽略掉。通过上述问题讨论，让学生自主概括、提炼形成若干有价值的观点。

3.3    从理性分析中概括物理概念——发现质点模型的作用与价值

从观点上升到物理概念，还需要进一步抽象、概括的过程。通过大量的事实，学生已形成了在有的问题中物体的形状和大小不重要的观点，既然形状和大小不重要，是否可以用一个点来代替物体呢？用一个点代替物体还能保留物体原有的一些本质特征吗？对问题解决会产生什么作用呢？对这些问题需要进一步通过理性分析进行抽象、概括、迁移。

（1）教学情境

马拉松运动、太阳系中的行星模型、水分子模型的图片。

（2）引导与概括（表3）

（3）教学述评

问题1引导学生在形状和大小不重要时可将公交车看成一个点，但这个点是用来代替物体的，只是忽略了形状和大小，不能改变物体的属性。学生理解了这一点，自然就容易理解质点不是一个几何点，而是一个物质点，它应该保留物体的本质特征和运动状态，包括质量、位置、轨迹、速度等。通过问题2、3、4让学生分析马拉松运动员、地球、水分子等物体是否能看成质点，把初步形成的质点概念迁移到其他物体。目的是让学生进一步认识到能否看成质点不是由物体本身的大小决定的，而是和所研究的问题有关，形成具体问题具体分析的科学态度。通过概括和迁移，让学生认识无论是宏观、微观还是宇观状态，质点概念都是适用的，判断能否看成质点的条件都是一致的。

3.4    从概念比较中概括物理大概念（观念）——发现理想模型的科学意义

大概念的形成需要学生在学习了一系列同類概念（系统）的基础上，通过对比、整合找出共同特征，并进一步进行抽象概括，同时能通过大概念指导对相关概念的理解。理想化方法是质点概念上位的大概念，教学中可在整合质点和相关的同类概念的基础上进行概括，使学生实现概念的进一步进阶。

（1）概念情境

质点、匀速直线运动、光滑水平面、轻弹簧、轻杆等。

（2）引导与概括（表4）

（3）教学述评

问题1引导学生认识质点背后的思想方法，忽略问题研究中的次要因素——大小和形状，突出了主要因素——运动位置、轨迹、速度等，利用这种方法可让运动的描述变得更加简单。问题2引导学生列举曾经学过的一些利用类似方法的物理概念，如：“光滑水平面”忽略了表面的微小不平整和摩擦，“匀速直线运动”忽略了速度的微小变化，“轻弹簧”忽略了弹簧本身的重力等。这些物理概念和质点一样，忽略了次要因素使问题的研究变得简洁。通过举例说明使学生找到这些概念共同的魂——理想化方法。问题3引导学生认识理想化方法在物理学研究中的意义，用形象的类比渔网的作用帮助学生理解。最后由学生概括什么是理想模型和它的科学意义，画出基于理想化方法建立的理想模型思维导图（图3）。

3.5    从学习过程中概括物理知识结构——形成完善的概念体系

完成质点概念的学习过程后，在课堂小结或课后习题中安排学生按照自己的理解概括概念结构，用思维导图或概念图的形式呈现，将学生的思维过程和概念理解可视化。一方面，可以检验学生对新知识的掌握情况，做到查漏补缺。另一方面，可以让学生通过概括进一步系统巩固所学的知识，形成完善的概念体系。

4    结  语

学习的过程就是思维活动的过程，而概括思维是最基本的思维过程。通过概括，可以让学生实现从情境到问题、问题到观点、观点到概念、概念到大概念的概念进阶，形成完善的物理观念。同时，通过概括，使学生将既有知识与经验结合起来进行对比、分析、综合和迁移，达到知识情境化、结构化、条件化的目的，实现深度学习;通过概括，可检验学生的课堂专注度、理解力以及对新认知结构的生成度，使思维可视化从而发现思维中的疑点，帮助学生改进学习方式，培养学生的科学思维力。基于概括思维的概念进阶教学，对教师的教学素养提出如下要求：一是教师要有完善的概念结构模型，二是教师要有较强的思维引导能力，三是教师要了解学生的认知基础和思维能力水平。

参考文献：

[1]林崇德.学习与发展——中小学生心理能力发展与培养[M].北京：北京师范大学出版社，2011：135-137.

[2]蔡铁权，郑瑶.物理观念的内涵、层次和架构——关于物理观念的思考[J].物理教学，2019，41（06）：2-5+70.

[3]郑青岳.以大概念理念改善物理教学[J].中学物理教学参考，2020，49（10）：1-3.

[4]弭乐.物理教育视域下整合式进阶教学研究[J].物理教学，2021，43（02）：12-19.

（栏目编辑    赵保钢）