面向意义生成的物理概念学习

龚慧莉　李太华

摘    要：物理概念的学习不能限于公式的数学表述、定义的简单记忆及其在问题解决中的生搬硬套，而是要在“物理本质”“先决条件”“情境解释”三个维度上生成物理意义，从而实现学生对概念的深度理解。为了探索中学生生成物理意义的情况，以“浮力”概念为例，基于三维结构模型编制测试问卷，对八年级学生进行了调查。结果显示，学生对“浮力”概念的物理意义生成情况尚不理想，在“先决条件”维度上的生成相对较好，其次是“物理本质”维度，而“情境解释”维度最不理想。

关键词：物理概念；物理意义；浮力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0026-5

中学生在物理概念的学习过程中，会出现以下现象：通过比值定义法得到密度计算公式后，错误地认为密度与物体质量和体积之间存在着正、反比关系；能流利地背出阿基米德原理，但会混淆“物体体积”“物体浸在液体中的体积”“排开液体的体积”三者之间的关系；在问题解决中，不能准确地从所学知识中检索到对应的概念或规律。这些问题均体现一个共同的实质，即未生成物理概念的物理意义。

一般来说，物理概念的物理意义是指这个物理概念的全部内涵、外延及其反变关系［１］。物理意义可以从物理概念和规律的定义、性质、作用、功能中进行提炼，也与物理现象、物理状态、物理过程及其相互关系有关［２］。由此可见，物理意义具有丰富的内涵，其实质就是在回答三个主要的问题：物理概念、规律的本质是什么？存在的前提條件以及适用范围是什么？物理概念、规律能用来解释哪些相关物理现象、物理过程？分别对应了物理意义具有“物理本质”“先决条件”“情境解释”三个维度结构。物理意义在物理概念学习中有着重要作用，因此，以物理意义内涵的三维结构为理论基础，采用自制问卷，调查中学生目前对“浮力”概念的物理意义生成情况，并进行分析。

1    研究设计

1．１    问卷内容及分析

问卷所采用的试题来源于练习题或以练习题为基础的改编题。问卷中的三道测试题以物理意义的内涵结构为理论基础，分别考查学生“浮力”概念的“物理本质”“先决条件”“情境解释”三个维度的具体表现。

第一题：关于浮力的说法，正确的是（      ）

Ａ．浸在水中的物体，物体体积越大，受到的浮力也越大

Ｂ．比水密度大的橡皮泥捏成瓢状放在水面能漂浮，说明改变物体形状可以增大浮力

Ｃ．物体在液体中的浮沉状态与自身的密度有关

Ｄ．物体所受浮力的大小与自身的密度、重力有关

该题考查学生对“浮力”概念的“本质理解”。选项涉及多个易混淆的知识辨析，浮力的大小究竟是与“物体体积”还是“浸入液体中的物体体积”有关？产生不同“浮沉状态”的原因是什么？浮力大小到底是与“自身密度”还是“液体密度”有关？浮力大小与物体自身重力又是否有必然联系？由此看来，想要得到正确答案，学生必须深入理解“浮力”概念的本质，若只是靠机械记忆做题，在处处都是陷阱的题目设计下就很容易暴露自己的知识短板。

第二题：（１）如图１所示，甲、乙是能自由移动的物体，丙、丁是容器自身凸起的一部分。现往容器里注入一些水，则下列说法中错误的是（   ）

Ａ．甲物体一定受浮力的作用

Ｂ．乙物体一定受浮力的作用

Ｃ．丙物体一定不受浮力的作用

Ｄ．丁物体一定不受浮力的作用

（２）请说明选择原因

该题考查浮力产生的条件。“浮力”的产生是物体受到了压力差，即由于物体上下表面受到的压力不同，经过力的合成后，得到方向向上的合力，因此物体会上浮。若学生对知识掌握不深入，则无法对丙和丁物体作出正确的解释。由于丁在水中上下表面距离自由液面的高度不同，上下表面受到水的压力也就不同，在竖直方向上存在向上的压力差，也就是浮力。对于丙，虽然跟丁一样都是容器本身凸起的一部分，但是由于丙下方没有与水接触，下表面就没有受到水的压力，但是上表面依旧受到水竖直向下的压力，所以不受浮力。

第三题： ２０２１年１２月９日，在“天宫课堂”第一课中，航天员王亚平展示了一个“浮力消失实验”。在中国空间站微重力环境下，她用吸管把乒乓球轻轻压入水中，取出吸管后，观察到乒乓球悬停在水中，如图２甲所示。在中国科技馆的同学们做同样的实验，用吸管把乒乓球压入水中，取出吸管后，乒乓球会迅速上浮直至漂浮，如图２乙所示。请你结合所学物理知识，说明为何会出现甲、乙这两种现象。

该题侧重于考查学生对“具体物理现象”的解释。大部分学生能够指出图2甲所示现象的出现与微重力环境有关，但是没能指出浮力的变化以及出现这种变化的原因。在太空中，乒乓球放进水里却不会浮出水面，而是停留在水中，是因为浮力是随重力产生的，在太空失重的环境下，液体内部压强处处相等，不再有上下表面压强差，因此浮力几乎消失。

1．２    研究对象的选取

本研究采用随机抽样的方法，在某市初级中学随机抽取八年级部分学生作为调查对象，共抽取１４２名八年级学生，回收有效问卷１４２份。

2    调查结果与分析

问卷回收后，将学生的作答情况进行统计与分析。为了对学生物理意义的生成情况进行分析，按照学生的答案给予相应赋分。第一题是选择题，正确得１分，错误得０分；第二题为了避免出现猜对答案的情况，设计为双层选择题，只有当选项和解释同时答对才算正确，得１分，错误得０分；第三题为解答题，赋分标准如表１所示。

2．１    数据分析

对１４２份问卷进行数据分析，第一、二题的正确率和第三题的分数分布情况分别如图３、图４、图５所示。

如图３所示，第一题回答错误的学生高达６1％，超过了总人数的一半。由此可见，大部分学生对“浮力”概念的理解留于表面，没有对其本质进行深入理解。

如图４所示，第二题的正确率较高，但回答错误的人数占比４２％，仅比回答正确的人数占比少了1６％。说明学生在学习“浮力”概念时，对于浮力的产生条件掌握较好，但仍有上升空间。

如图５所示，第三题得“０分”的人数占比最高，为３３％；得“４分”和“１分”的人数占比最少，都为１１％；得“０分”“１分”“２分”的总人数占比为６６％，超过了一半的人数。物理意义的生成是基于理解，从作答情况来看，低于3分的作答还停留于对已知现象的描述和问题线索的罗列中；当学生达到３分时，才逐渐开始对物理概念有深入的理解。数据显示，有６６％的学生都没能达到３分，也就是说大部分学生不能利用自己所学知识去解释生活中的物理现象，即使能从题干中抓住重要信息，但由于不能灵活运用“浮力”的相关知识，将信息进行关联和整合，所以没能得到正确答案。

2．２    试题具体作答情况的结果与分析

根据回收的问卷，对学生的错误答案进行统计与分析。

第一题，所有错误选项都有学生选择，其中Ａ选项最多，Ｂ选项次之，Ｄ选项最少。选Ａ，说明学生对知识一知半解，浸在液体中的物体所受到的浮力大小与物体“排开水的体积”有关，并非是“物体体积”，这是两个不同的概念；选Ｂ，说明学生对影响浮力大小的因素掌握不牢，没能透过“橡皮泥形状变化”的现象看清背后的实质是“物体排开水的体积”增大了，有的学生或许还会对“橡皮泥的密度比水大”还能漂浮在水面提出疑问，沉浮状态是通过比较物体受到的浮力与自身重力大小关系来判断的，所以物体自身的密度会影响物体的沉浮，当橡皮泥通过改变排开水的体积增大浮力直至大于自身重力时，就会上浮最终处于漂浮状态；选Ｄ，说明学生只记住了浮力的大小与密度有关，但无法回答概念定义中的“密度”到底是指物体密度还是液体密度，从而导致回答错误。

第二题，如图４所示，有４２％的学生回答错误，５８％的学生回答正确，表明部分学生理解了浮力的本质。进一步对错误答案进行分析，这部分学生几乎都能正确分析甲、乙的受力情况，并且能够利用“压力差”解释其浮力产生的原因，说明学生对浮力的本质进行了记忆，并能够解释简单现象；对丙、丁进行分析时，部分学生认为“因为浮力是上下表面压力差产生的，而丙、丁有上下两面”，因此，这部分学生无法判断丙、丁是否受到浮力，表明虽然对“浮力”产生条件进行了记忆，但是并没有内化；有的学生虽然选择了正确选项，但是却给出了错误解释，认为“丁物体不一定受到浮力的作用”，表明学生没有生成物理意义，靠直觉回答问题。

第三题根据评分标准有５个分数，因此对各分数下的典型回答进行统计（０分为空白，不进行统计）（表２）。

分别对各分数段学生的回答进一步分析。题干中点明甲图中的实验处于“微重力环境”，因此，本题关键点在于“重力”；此外，要解释乒乓球出现的沉浮状态，必然与“浮力”知识相关。最终得１分的学生，从题干抓住了关键信息，但是由于不能将这些线索进行深入分析就迅速写下答案，思维较单一。得２分的学生，认为在太空中乒乓球不受重力，而浮力依旧存在，但无法针对自己的觀点作出解释，仓促得出结论，这部分学生已经意识到重力和浮力之间存在某种关系，但在将“重力”和“浮力”进行整合、关联时缺少关键知识点作为桥梁，最终得出错误答案。综上，得１、２分的学生并未生成物理意义，处于将问题线索与相关素材进行列举的水平，没能将二者进行正确关联。

对于得３分的学生，能够正确找到“重力”与“浮力”之间的关系，虽然没能直接揭示“浮力”消失的本质，但是能够识别新情境，看清问题实质，并通过已掌握的知识得出结论，其情境识别能力、问题解决能力有很大的进步。因此，处于物理意义生成的过程中。得４分的学生，能够说明“浮力”消失的本质是微重力环境导致的“压力差消失”，这部分学生既能识别陌生情境，还能够迅速、准确地将知识进行关联，最终成功解释物理现象，说明这部分学生在物理概念的学习过程中是基于理解的，因此，处于成功生成了物理意义的“情境解释”维度。

3    研究小结与建议

3．１    研究小结

根据测试成绩分析可知，第三题达到３分及以上的学生人数占比最少，学生在“浮力”概念的“情境解释”维度的生成情况不容乐观；其次，第一题仅有３９％的正确率，表明大部分学生并未生成“浮力”概念的“物理本质”维度的物理意义理解；第二题正确率高于５０％，表明学生在“浮力”物理意义的“先决条件”维度上的生成情况较好，但这部分学生也仅占５８％。总体来说，学生对“浮力”概念的物理意义生成情况并不理想，其中“先决条件”维度生成相对较好，其次是“物理本质”维度，而“情境解释”维度最不理想。

深入分析学生的错误作答，试图找到物理概念学习中的阻碍。第一题考查“浮力”概念物理意义的“物理本质”维度，要想得到正确答案，就必须对知识进行深入理解，若不求甚解，往往就会落入“坑”中。第二题考查“先决条件”维度，从第二题的错误作答可知，即使有的学生记住了浮力的产生原因，但还是无法对丙、丁作出正确分析。由此可见，靠机械记忆存于脑海的知识是“死”的，不能帮助学生灵活解题。第三题考查学生“情境解释”维度的生成情况，这类题的情境新颖，对学生的综合能力要求也高。根据分析可知，大部分学生能够识别到本题需要用“浮力”概念去解释，但由于陌生情境的包装，以及对知识掌握不深刻，导致无法灵活迁移，因此，不能将题目中的关键线索与所学知识进行整合。通过以上分析，对物理概念的深入理解影响着物理意义的生成，而物理意义的生成情况也的确是解决物理概念学习问题的关键之一，若学生生成了物理意义，就能从“物理本质”“先决条件”“情境解释”三个维度深入理解物理概念，从而提高问题解决能力。

3．２    建  议

综上，对教师而言，在课堂上要加强学生对概念背后物理意义的认识，要重视知识与学生的“相遇”，不能认为教育、教学就是符号知识表层内容的简单传授，就是把知识当作“展品”展现在学生面前［３］。意义生成是物理概念教学的核心［４］，只有在教师的引导下，学生真正理解了概念、规律，才能正确应用概念去解决问题。

对学生来说，需要积极主动地学习，摒弃死记硬背的坏习惯，进行有意义学习。在提出的“物理意义生成”中，“物理意义”是目的，“生成”是路径，即需要学生自己发现［５］。学生是学习的主体，只有积极地发挥主观能动性，才能促进物理意义的生成。

对知识的认识是需要自身去体会的，只有当学生完成内化后，知识才能长久地储存在自己的脑海。因此，不能只依赖于教师的讲解，还需要学生自己主动地完成物理意义的生成。

参考文献：

［１］阳玉岗．关于物理意义的教学［Ｊ］．乐山师专学报（社会科学版），１９９４，１９（２）：４６－４８，５４．

［２］魏良淑．浅析物理意义的学习与创造性学习的联系［Ｊ］． 太原教育学院学报，２００４，22（Z１）：１１３－１１４．

［３］郭元祥． 知识的性质、结构与深度教学［Ｊ］．课程·教材·教法，２００９，２９（１１）：１７－２３．

［４］葛汉洪，孙有花，陈生桃．意义生成在物理概念教学中的作用［Ｊ］．教学与管理，２０１８，３５（４）：５３－５５．

［５］葛汉洪，孙有花，陈生桃．“力臂”的物理意义及其教学逻辑［Ｊ］．教学与管理，２０１８，３５（２８）：４９－５１．

（栏目编辑    邓   磊）