例谈高中物理概念生成的有效路径

周 权

(南京市第一中学,江苏 南京 210001)

物理概念是反映物理现象和物理过程本质属性的一种思维方式.它是在大量观察和实验的基础上,运用逻辑的思维方法,把物理学研究对象的共同特征集中加以概括形成的,具有高度的概括性和抽象性．物理概念是物理知识的重要组成部分,是构成物理定律、建构物理模型、形成物理观念的重要基础．物理教学的首要任务就是要通过各种路径,帮助学生生成清晰而准确的物理概念．

物理概念教学是物理教学的难点之一．实际的物理教学中,教师们往往过于强调物理概念的知识本位,忽视学生的感性认识和情感体验,压缩物理概念的生成过程．长此以往,学生对建立物理概念的过程缺乏经历,对建立物理概念的事实依据缺乏认识,对形成物理概念的研究方法缺乏理解,对物理概念的掌握仅仅停留在被动接受的机械层面上,并没有真正理解物理概念的实质．因此,在物理概念教学中,必须通过设置直观具体的情境,丰富学生对物理概念生成过程的体验,促使学生形成对物理概念的主观性理解和判断,从而实现物理概念的科学建构,真正理解物理概念的内涵和外延．为此,笔者作了一些有效探索,以期能对教师们的教学有所帮助．

1 引发认知冲突,使物理概念生成建构化

学生总是试图以原有的图式来同化新的物理概念,当新概念不能被已有知识经验同化时会产生心理落差,此前低层次的平衡会被打破,在不断地冲突中建构新的概念和图式,在顺应中达到新的平衡与发展．物理概念教学中,教师要了解学生已有的认知结构,在最近发展区内设置活动和问题,引发学生的认知冲突,在充分体验和辩析的基础上自然生成物理概念．常用引发认知冲突的策略有链接前概念、利用生活中的素材、通过演示实验、借助直观手段、开发拓展实验等．例如“圆周运动”是高中物理教学中典型的概念课,本节课的教学重点和难点是线速度和角速度两大概念的建立,笔者设计以下活动分两步来突破难点．

第1步:设置冲突,比较快慢．(1) 在利用飞机转椅、过山车、海盗船等视频引出圆周运动的概念后,自然设问:既然是运动就有快慢之分,圆周运动的快慢如何描述呢?(2) 打开如图1所示的视频,播放视频前先作简单介绍:A(女生,身高不足160 cm)、B(男生,身高192 cm)两位学生推着竹竿以O为圆心做圆周运动,提醒学生观察A和B谁运动得快,接着播放视频(由于视频中的学生均是本班同学,课堂气氛瞬间活跃了起来,大家都积极参与讨论)．(3) 经过初步讨论,形成两种观点:一种认为相同时间内B跑的路多,所以B跑得快;另一种认为相同时间A和B转过角度相同,所以他们转得一样快．

图1

第2步:再造冲突,生成概念．(1) 这两种观点貌似都有道理,你觉得是否矛盾?学生再次讨论后发表观点:如果从弧线上运动的角度看是B快,从绕圆心转动的角度看是一样快,两个观点都是正确的．(2) 笔者再问:那在直线运动中我们是从什么角度描述运动快慢的?学生回答:是从沿弧线运动的角度描述的,那时候不涉及到转动．(3) 笔者再做总结:如果以后再研究一种未知的运动,它又具有某些新的特征,这时或许还要从其他角度来描述这种运动．今天我们就分别从这两个角度来描述圆周运动的快慢．至此,在笔者设置的认知冲突中,学生在两次辨析和讨论的基础上自然生成线速度与角速度两大核心概念．

2 借助多媒体,使物理概念生成可视化

多媒体技术的飞速发展与普及,深刻变革着教师的教学方式,也深刻影响着学生的学习方式．现有多媒体环境下通常可以接触到的信息资源有:各式媒体(如视觉媒体、听觉媒体等)、各式软件(如文字处理软件、数据处理软件、图形处理软件、音视频软件、仿真教学软件、传感器软件、手机APP等)、各种交互式课件资源(如PPT、动画软件、几何画板等)．感觉媒体可以给学生提供丰富的感性认识,数据处理软件可以节约数据采集与分析的时间,图形和动画软件有助于学生动态认识物理概念和规律．教学中,教师要根据实际情况进行选用．

例如，在唤醒学生初中物理中“功率”的记忆后,笔者设置如下问题:质量为1 kg的小球做自由落体运动,2 s内重力做功的功率为________W,第1个1 s内重力做功的功率为________W,第2个1 s内重力做功的功率又为________W．

学生经过计算后发现2 s内、第1个1 s内、第2个1 s内重力做功的功率不相等,在此基础上笔者设问:为什么后一个1 s内重力做功的功率大?学生回答:因为后一个1 s内重力做功多．笔者追问:依此类推,若再将第2个1 s进行细分,后0.5 s内重力做功的功率应该更大,若再细分下去呢?再借助如表1所示的计算机中的EXCEL表格来进行计算,验证猜想．此时笔者再问:你还能从表格中发现什么?学生回答:越接近2 s这一时刻,功率越接近200 W． 接着笔者再问:那2 s时刻的功率是多少?学生回答:应该是200 W．笔者再做总结:在2 s时刻前后极短时间内的功率约为200 W,它可以反映在2 s时刻重力做功的瞬时快慢,我们把这个功率叫做瞬时功率．至此,在多媒体的辅助计算下,瞬时功率这一核心概念在可视化中生成．利用类似的方法还可以建构“瞬时速度”这一核心概念,也可以探究“匀变速直线运动位移与时间的关系”及“开普勒第三定律”等物理规律．

表1

续表

3 化抽象为形象,使物理概念生成具体化

每一个物理概念都是从大量的物理现象和过程中抽象出来的, 是反映事物共同特征和本质属性的“浓缩世界”．介于物理概念高度的概括性和抽象性,教师应该用形象而具体的实例,将教科书中浓缩了的一个个“物理小世界”充分地解构出来,帮助学生生成物理概念．

例如“电势”是静电场中的重要概念,也是整个高中物理中最抽象的概念之一．如图2所示,人教版物理教科书选修3-1首先提出要用比值定义法研究某一点电荷在电场中的电势能与电荷量的比值,然后假设将一电荷量为q的点电荷置于A点,设O点为零电势能点,则WpA=qE场lcosθ,可以求得WpA/q=E场lcosθ,因E场、l和θ3个量都与电场本身及电场中的位置有关,所以这个比值是由电场中该点的性质决定,与试探电荷无关,由此引入电势．笔者通过实践发现如果按上述方式引入电势,学生不仅学得费劲,而且往往不能深刻理解“电势”这一概念．

图2

为此,笔者将教科书中公式化的推导过程,转化为如图3和表2所示的具体实例,在给学生充足时间计算的基础上,学生会发现:无论是正电荷还是负电荷,在同一点上电势能Wp和电荷量q的比值都相同;即使是同一电荷,在不同点上电势能Wp和电荷量q的比值也不同．此时笔者再引导学生进行类比:这个比值跟我们前面讨论过的哪个物理量很类似?学生回答:电场强度．笔者再进行设问:那这个比值有何意义?学生回答:知道了这个比值,就可以知道一个点电荷q在该点具有多少电势能．至此,电势的概念呼之欲出,此时笔者才进行总结:电场中某一点电荷在电场中的电势能与电荷量的比值,与试探电荷本身无关,是由电场中这点的性质决定的,物理学中将这个比值称为电势,用U表示．

图3

表2

4 精心设计实验,使物理概念生成具身化

物理学是一门以实验和观测为基础的学科,实验不仅是物理教学的重要手段,也是中学物理教学的有机组成部分．具身认知理论认为人的身体参与了认知,意义和符号源于身体,抽象的意义有着身体“感觉—运动系统”的基础．而物理实验可以丰富学生的感性认识,使学生的身体参与到物理概念的建构中去,在具身化的体验和思维活动中生成物理概念．对于电容、电势能、互感、自感、交流电、感抗、容抗、涡流等许多重要而抽象的物理概念来说,物理实验是生成概念的有效路径．

例如在对“电容器”这一概念进行教学时,笔者会先制作一个如图4所示的莱顿瓶,让瓶子先带上电荷,再以物理学史为背景(1748年,法国物理学家诺莱特将200多位修道士手拉手串在一起)将5～8位学生手拉手串接在一起,再让两边的学生分别用手触摸瓶子的外壁和瓶盖顶端的小球,这一排学生瞬间被电得“跳了起来”,课堂气氛一下子就活跃了起来．有了这样的具身体验,再打开瓶子介绍电容器的概念,给学生留下了深刻的印象．每次下课后,都有更多学生兴致勃勃地来体验“触电”的感觉,笔者以为这就是“具身”的魅力．

图4

在做完电容器的充放电实验后,笔者又提问“电容器极板电荷量与板间电压有何关系”,通过如图5所示的电路进行实验:当电容器甲充好电后断开开关,用数字式电压表测甲的电压,再用一个相同规格的电容器乙并联到甲两端后再移开,可以发现电压表的示数减半．将乙上的电荷放掉,重复前面的操作,可以发现每一次电压表的示数都变为原来的一半,由此可以得出:对于同一电容器,极板电荷量与板间电压成正比．再用如图6所示的电路进行实验:当双刀双掷开关拨向上,用同一电源对两个不同规格的电容器(C1=4700 μF、C2=1000 μF)同时充电,再将双刀双掷开关拨向下,对两个相同规格的小灯泡放电,可以发现L1和L2都闪亮一下,但L1明显比L2更亮．由此可以得出:对于不同的电容器,即使极板间电压一样,电容器极板上储存的电荷量也会不同．综合以上的实验和分析,电容的概念呼之欲出．

图5

图6

5 类比已有概念,使物理概念生成系统化

随着学生物理学习的深入,建构的物理概念也越来越多,这些物理概念之间往往存在很强的相似性和关联性．因此,教师要从概念的内涵与外延、概念生成的路径、概念建构的逻辑等方面,充分对比已有概念和新概念之间的相似程度和关联程度,使学生在类比学习中系统化地生成物理概念．高中物理教学中常把电流类比水流和车流,电压类比水压,电源类比抽水机,电容器类比水容器,静电场类比重力场,弹性势能、电势能、分子势能类比重力势能,分子类比小球等,此时可以借助已有概念来生成和学习新概念．

例如在进行“磁感应强度”教学时,可以采取以下途径: (1) 通过例举巨型电磁铁和小磁针,说明磁场有强弱．(2) 提出问题:之前我们是如何研究电场强弱的?学生回答:放入点电荷,研究点电荷的受力与电荷量的比值．继续追问:如何研究磁场中某点磁性的强弱?此时在PPT上呈现如图7所示的框图,引起学生思考．对第一个问题的回答,学生有“磁荷”、“检验磁荷”、“小磁针”等答案,笔者以为先要充分肯定学生的这些答案,然后再引导学生将这些答案一一排除,结合初中物理中学过的“通电导体在磁场中受力”的知识,建立“电流元”的概念．(3) 结合图8先引导学生思考:若一电流元放在磁场中,受到的力为F,将它的长度变为原来的2倍,受到的力为多大?若将它的电流增大为原来的2倍(即将两个一样的电流元捆绑在一起),受到的力又为多大?由此初步得出结论:将电流元垂直放在磁场中时,F∝IL．(4) 再通过实验定量探讨F/IL,发现在磁场中的同一位置F/IL是个定值,在磁场中的不同位置F/IL一般是不同的．至此,学生在与“电场强度”的类比中生成“磁感应强度”这一概念,也对用比值定义法建立物理概念有了更深刻的认识,也有助学生将电场强度和磁感应强度两个概念系统化．

图7

图8

当然物理概念生成的有效路径远不止这些,比如可以借助物理学史帮助学生生成概念……物理概念是物理学与物理教学的“灵魂”,教师须充分运用各种有效路径帮助学生建构概念,让学生在生成概念的过程中经历科学探究、锻炼科学思维、体验科学态度与责任、形成物理观念,将物理核心素养的培养落到实处．