物理教学中提取大概念的基本路径
2021-07-21蔡千斌
蔡千斌
摘 要：大概念是落实素养课堂的重要抓手.由于大概念具有内隐性和抽象性，需要提取才能利用.物理教学中提取大概念的基本路径有两个视角：概念关联路径与专家思维路径.前者包括挂靠式关联路径、融合式关联路径、自上而下式贯通路径与自下而上式贯通路径;后者包括揭示式路径、类比法路径、纵向追溯路径与横向追溯路径.
关键词：物理教学;大概念;提取路径
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）11-0018-04
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[1].它不同于常见的诸如速度、加速度、力之类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[2]”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.本文分别就概念关联路径与专家思维路径进行介绍.
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.
案例1 从小概念间的关联点中提取出大概念
通过比较拉力、压力、支持力三种力的方向，剖析其产生的原因，找到施力物体形變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（见表1）.
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.随着认识深度的加深，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.
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所示的左边三列的归纳方式.将弹力方向按“面与面接触、点与面接触、点与点接触”三种接触类型进行归纳，说明这三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.其提取路径见表2中的第4、5两列.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.
1.3 自上而下式贯通路径
按照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.例如方法统领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领多个小概念
例如，一支粉笔书写后剩下半支，质量、体积均减少为原来的一半，但密度没有发生变化.可见物质的密度并不是由质量与体积所决定.密度ρ=mV这样的式子就是由比值法定义的式子.同理，速度v=ΔxΔt、加速度a=ΔvΔt、电容C=QU、电阻R=UI、磁感应强度B=F安Il等都是按比值法定义的式子.而加速度a=F合m中，如F合=0，则加速度a=0.表明a是由F合、m所决定的.因此a=F合m是决定式.同理，电容C=εrS4πkd、电阻R=ρlS等都称之为决定式.在这里，“按比值法定义的式子”就是ρ=mV、v=ΔxΔt、a=ΔvΔt、C=QU、R=UI、B=F安Il的大概念;“决定式”就是a=F合m、C=εrS4πkd、R=ρlS的大概念.通过这样的梳理，学生会对原有的小概念有更深的理解与认识.
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地提取路径的方式.这种提取路径事先不清楚由哪一个大概念统领，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”自下而上地提取大概念的路径
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.
2 专家思维路径
2.1 揭示式路径
专家与新手教师相比，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
如图4所示，平行金属板足够长，两板之间存在竖直向下的匀强电场E和垂直纸面向内的匀强磁场B，一个带正电的粒子以速度大小为v0=1×104m/s沿两板中间水平向右射入，已知E=1.2V/m，B=2×10-4T，两板之间的距离为d=0.5m，粒子带正电，比荷为qm=1×108C/kg，不计粒子所受重力，则粒子能否从两极板之间飞出.
其揭示式路径如下.
问题1：粒子做什么运动，轨迹如何？（电场力不改变，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）
粒子在正交的电磁场中做复杂的运动，其实际运动的轨迹难以描画.面对新颖的物理情境，学生难以处理.通过上述4个问题，提取出常用的“分解速度”这个大概念，即可迎刃而解.由于qE
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，能帮助学生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，三个相同的小灯泡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、c三个小灯泡的亮暗情况将发生怎样的变化？
新手教师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上的电流是否通过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？
从科学方法的角度来提取大概念及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.三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开始逐渐减小为0，即逐漸变暗至熄灭.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然后逐渐减小到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.
2.3 纵向追溯路径
从新旧知识的纵向对比中，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领起来.
案例7 电流表、电压表大概念的纵向追溯
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，具体见表4.
2.4 横向追溯路径
除了纵向追溯，有时我们还要进行横向追溯.通过横向对比，从小概念中提取出大概念.
案例8 浮力、压力小概念的横向追溯
如图8所示，将一个水杯放在吊篮内，吊篮用绳子悬挂起来处于静止状态.水杯底部固定着两根轻质弹簧和一根细线，与弹簧、细线相连的分别是实心铁球A、实心木球B与实心木球C，已知ρ木<ρ水<ρ铁，不计空气阻力，请判断突然剪断悬挂吊篮绳子的瞬间，A、B、C三球相对于杯底的运动情况.
学生学习的难点是对浮力本质的理解.因此需要从揭示浮力本质的过程中提取出大概念.所谓浮力，就是物体的上下表面的压力差.当突然剪断悬挂吊篮绳子的瞬间，整个吊篮及吊篮内的物体一起做自由落体运动，处于完全失重状态.对照图9，叠放在一起的两个物体D、E一起做自由落体运动，两者之间没有挤压.由此可知，当突然剪断悬挂吊篮绳子的瞬间，如将图8中的水分成上下两层，犹如图9中的D、E两个物体，则上下两层水之间不存在挤压.此时，图8中的三个小球上下表面之间均无压力差，即浮力消失.从横向角度对浮力与压力进行追溯，破解了失重状态浮力为零这个难点，其他小问题就能顺利解决.
3 结束语
把零散的小概念串接起来，组成一个大概念，有利于学生像专家那样思考与解决问题.由于大概念具有内隐性和高度的抽象性，需要提取才能为我们所用.本文从概念关联路径与专家思维路径两个角度梳理出提取大概念的八条路径，为大概念在素养课堂教学中的落实提供了有力的保障.
参考文献：
[1]廖伯琴.普通高中课程标准（2017年版）教师指导物理[M].上海：上海教育出版社，2019.
[2][美]格兰特·威金斯，[美]杰伊·麦克泰格著.闫寒冰，宋雪莲，赖平译.追求理解的教学设计[M].上海：华东师范大学出版社，2017.
[3]曹宝龙.用大概念教育促进高中物理观念的形成与发展[J].物理教学探讨，2019，37（01）：1-6+11.
（收稿日期：2021-01-12）
