物理教学中提取大概念的基本路径

2021-07-09蔡千斌

物理教师 2021年6期

蔡千斌

(温岭市新河中学，浙江台州 317502)

所谓大概念,就是在一组概念群(或事实)中起核心引领作用的概念．它不同于常见的诸如速度、加速度、力这样一定用一个词来表达的概念,而是用“一个词、一个短语、一句话或一个问题”来表达的概念．大概念犹如一个概念(或事实)的文件夹,将各个小概念(或事实)用一个无形的框架联接起来,使离散的小概念(或事实)相互联系起来形成一定的结构,用来解释更大范围内的科学事实与现象,具有比小概念(或原有事实)更强的应用功能与迁移功能．但是大概念具有内隐性,不去揭示就不会自动呈现．因此在物理教学中需要我们去积极提取．大概念还具有高度的抽象性,提取它并非易事,需要按照一定的路径才能提取到．通过实践我们总结了物理教学中提取大概念的基本路径,现详述如下．

1 概念关联路径

1.1 挂靠式关联路径

加强小概念间的联系,寻找相互关联的联接点,通过寻找到的联接点将各个小概念联接起来,挂靠在一个大概念上．再寻找大概念与大概念之间的关联点,又挂靠在一个更大的大概念上．这些小概念与大概念之间靠联接点挂靠在一起,形成一个树状的稳固结构,如图1所示．这种提取大概念的路径可以称之为挂靠式提取路径．在做大概念的过程中,提取出的物理大概念,具有更普遍的意义．

图1 挂靠式提取路径

案例1: 从小概念间的关联点中提取出大概念．

如表1所示,通过比较拉力、压力、支持力3种力的方向,剖析其产生的原因,找到施力物体形变方向与各力方向的关联点与共通之处,提取出“弹力方向与施力物体形变方向相反”这个大概念．

表1 从小概念间的关联点中提取出大概念

1.2 融合式关联路径

将几个较小适用范围的小概念集中在一起,根据它们共通的性质融合成一个大概念,如图2(a)所示．随着认识深度的增加,还可继续将几个适用范围较大的大概念集中在一起,根据它们共通的性质融合成一个更大的大概念,如图2(b)所示．这种提取大概念的路径可以称之为融合式提取路径．在做大概念的过程中,提取出的物理大概念,具有更广的适用范围．

图2 融合式提取路径

案例2:融合式提取弹力方向的大概念．

翻开任何一本高三一轮物理复习用书,都有如表2所示左边3列的归纳方式．将弹力方向按“面与面接触、点与面接触、点与点接触”3种接触类型进行归纳,说明这3种类型的弹力方向并提供表2“举例”这一列的样例．仅仅这样分析后,让学生解决如下问题:“如图3所示,质量分布均匀的正方体物块静止在斜面AB与挡板BC之间,已知正方体物块的质量为m,斜面的倾角为θ,与正方体物块接触的各个面均光滑,求接触面AB、BC对正方体物块的弹力大小．”结果有些学生在受力分析时,将BC对正方体物块的弹力方向画成沿ON方向,也有学生则画成沿OP方向．究其原因,就是没有提取出判断弹力方向的更大适用范围的大概念．其提取路径可如表2中的第4、5两列所示．经过这样的提取,利用获得的大概念可以顺利解决图3之类的问题,收到较好的效果．

表2 融合式提取弹力方向的大概念

图3 判断弹力方向

1.3 自上而下式贯通路径

按自上而下的方式梳理各个小概念,大胆地突破单元的局限,从方法论的角度在单元内提取大概念,甚至跨单元提取大概念,将小概念变大成为大概念．例如方法统率路径就是这样一种方式．我们可以基于“物理思想方法”的路径自上而下地将一个单元或一个模块甚至几个模块的小概念贯通起来．

案例3:以科学方法为大概念统率多个小概念．

1.4 自下而上式贯通路径

对应自上而下地提取大概念路径的是自下而上地提取大概念路径．基于“物理事实——物理观点——物理观念”的路径就是自下而上式提取大概念路径的方式．这种提取路径事先不清楚由哪一个大概念统率,需要逐步深化,才能逐渐明朗,最后凸显出一个大概念．

案例4:沿“事实——观点——观念”自下而上式提取大概念的路径．

摩擦力一定是阻力吗?学生凭生活经验普遍认同这一说法．教师按表3所示路径,采用事实、观点的方式,分别分析静摩擦力、滑动摩擦力在何种情况下是动力、何种情况下是阻力,最后提取出“摩擦力既可以是动力也可以是阻力”这样一个物理观念,即比静摩擦力、滑动摩擦力更大的大概念．

表3 自下而上式提取大概念

2 专家思维路径

2.1 揭示式路径

专家与新手相比,专家更关注的是问题解决的通法．有时通法是隐蔽的,需要揭示才能显现．这就是运用揭示法获得通法的专家思维路径．

案例5:揭示式获得“带电粒子在复合场运动”的一个通法．

图4 带电粒子在复合场中的运动

其揭示式路径如下.

问题1:粒子做什么运动,轨迹如何?(电场力不变,洛伦兹力大小方向在改变,真实的轨迹很难描绘．)

问题2:如果将电场力平衡掉,只有洛伦兹力作用,粒子仅做匀速圆周运动就简单了,那么如何平衡电场力呢?(将速度矢量分解,某一合适的速度对应的洛伦兹力刚好与电场力平衡．)

问题3:粒子实际的运动可分解为怎样的两个分运动?(沿水平方向的匀速直线运动与磁场中的匀速圆周运动)

问题4:解决这类问题需要提取什么样的大概念?(需要提取“处理复杂运动的基本方法”这个大概念来进行处理．)

2.2 类比法路径

在提取大概念的思路受阻时,类比是一种很好的方法,有助于迅速地获得提取大概念的路径．通过类比法获得问题解决的一种大思路,即大概念．

案例6:自感电路的等效法处理．

在如图5所示的电路中,3个相同的小灯泡a、b、c和电感线圈L1、L2与直流电源连接,其中电感线圈的直流电阻忽略不计,开关S从闭合状态突然断开时,a、b、c3个小灯泡的亮暗情况将发生怎样的变化．

图5 自感电路

新手在处理这个问题时感到迷茫的一点是:当开关S从闭合状态突然断开时,L1上的电流有无通过c灯,L2上的电流有无通过a灯、b灯?如果有,这些电流怎么分配?

专家则从问题解决的角度来看,关键是要搞清楚开关S断开前后通过小灯泡的电流是怎么流动的这个问题．因此,需要从科学方法的角度来提取大概念,类比电路简化的思路,运用电路的等效法这个大概念来处理．开关S闭合,电路稳定时,电感线圈等效于导线,等效电路如图6 所示．3个小灯泡中通过的电流相等,都为I．开关S从闭合状态突然断开时,电源E不起作用可去掉,等效电路如图7所示．电感线圈L1、L2由于自感现象电流不能突变,要维持原来的电流,所以通过b、c两个小灯泡中的电流要从I开始逐渐减少为0,即逐渐变暗至熄灭．而a小灯泡与电感线圈L1串联,通过a小灯泡中的电流从稳定时的I突然增大到2I然后逐渐减少到0,则a小灯泡的亮度突然变亮然后逐渐变暗至熄灭．采用这样的方式就避开了新手脑中电流怎么分配的问题,能迅速破解这个难题．

图6 等效电路1

图7 等效电路2

2.3 纵向追溯路径

从新旧知识的形成原因上进行追溯，在纵向对比中,揭示出物理现象的本质,进而提取出物理学大概念．这样一种追溯本源的提取路径,是深度学习的表现．通过这样的提取路径,使学生能真正运用大概念将小概念统率起来．

案例7:电流表、电压表大概念的纵向追溯．

学生在初中学过电流表、电压表的知识,认为:电流表是测电流的电表,没有电阻,使用时要串联到被测电路中;电压表是测电压的电表,内阻无穷大,使用时要并联到被测电路中．给学生的感觉是电流表与电压表是截然不同的两种仪器,两者没有什么瓜葛．到高中学了电表改装后才知道:实际的电流表与电压表都是由同一种电流表表头改装而成的;电流表是有内阻的,只不过电阻较小在初中视为内阻为零的理想电流表;电压表内阻也不是无穷大,只不过是电阻很大在初中视为内阻无穷大的理想电压表而已．基于高中所学电表改装的方式,揭示出电流表与电压表的“物理本质”,寻找到本质相同的地方,进而提取出物理大概念．这就是通过加强新旧知识的对比,采用知识溯源的方式提取大概念的路径．具体如表4所示．