基于学生前概念培育物理观念的教学实践

摘"要：学生的前概念是他们进一步学习物理新概念的基础，但同时也可能会对他们的学习造成干扰。教师应重视前概念对学生学习新知识的影响，在教学时创设情境问题或探究实验以引发学生的思维冲突，显化学生的前概念。通过实验、类比和迁移等方法，帮助学生建构新概念体系，培育学生的物理观念。

关键词：前概念；物理观念；教学实践；磁场；磁感线

美国著名教育心理学家戴维·保罗·奥苏贝尔（David Pawl Ausubel）曾经说过：“影响学生学习最重要的一个因素乃是学生已经知道的东西，教师应当肯定这一点并据此教学。”“已经知道的东西”指学生在正式学习某个知识之前，头脑中基于已有的经验和观点形成的对该知识的的认识，即前概念。［1］

1"基于学生前概念培育物理观念的教学策略

学生的前概念可能会帮助他们进一步正确理解新的物理概念，但也有可能对他们的学习造成干扰。学生错误的前概念，会成为学习新知识的障碍。因此，为了使学生能正确理解新知识，教师需要让学生摒弃错误的前概念。教师应当对学生的前概念有充分的了解，在教学中将学生的前概念进行显化和解构，并基于学生前概念进行有效的教学，帮助学生形成正确的物理观念。本文以“磁场"磁感线”教学为例，进行教学实践，其主要教学策略模式如图1所示。

2"“磁场"磁感线”的教学设计

“磁场"磁感线”是人教版《普通高中教科书"物理"必修"第三册》第十三章的第1节内容。该章内容涵盖广泛，从磁场到电磁感应，从电磁场到电磁波再到微观世界的量子化，整体跨度较大。学生在初中阶段对其中部分内容已经有了初步的认识。虽然学生在初中阶段对第1节“磁场"磁感线”涉及的磁场和磁感线两部分内容已有所接触，但是他们的理解通常较为浅显，记忆的成分多于理解，且其中不乏一些错误的记忆。这些前概念的存在，会对学生正确理解新的物理概念形成干扰。

为帮助学生建立正确的电磁统一观念，本节课的主要设计思路如下：首先，通过趣味实验激发学生兴趣，提出研究问题，鼓励学生表达个人观点；其次，通过实验验证来引发认知冲突，丰富学生的物质观念和相互作用观念；再次，利用电场作为类比，深入剖析“电场线”与“磁感线”作为“线”的本质，培养学生的抽象建模能力及科学思维；然后，通过对比通电螺线管与条形磁体的磁场分布，使学生理解“电生磁”的现象；最后，拓展至“磁生电”的讨论，初步引导学生建立电磁统一观念的框架。

2.1"创设问题情境，显化前概念

学生脑海中的前概念通常是零散的、混乱的，他们对自己已具有的概念并不清楚，而且不同学生的前概念也各不相同。因此，教师有必要采用特定的方式来明确并显化学生的前概念。物理观念是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。为了将学生头脑中的前概念显化出来，教师可通过解释现象或解决实际问题的方式来实现。因此，创设相关的情境问题，不仅是为了激发学生的兴趣，更是为了在解决问题的过程中显化学生的前概念，从而让教师和学生都能对学生的前概念有清晰的了解。

教学片段1：以趣味实验提出问题，学生各抒己见。

演示实验：教师准备几枚硬币放置在水平桌面上，手中暗藏一块强磁体。将手靠近硬币，硬币被吸起，形成了一条长链条。

生：老师手里肯定有一块磁体。

师：展示磁体，并让学生试着说出磁体的特性。

生：同性相斥、异性相吸。

师：电荷之间也是同性相斥、异性相吸，电荷的相互作用和磁体的相互作用如此相似，你们认为电和磁有联系吗？为什么？

学生各抒己见。

师：从大家的回答中可以看出，要找到两种相互作用之间的联系，我们需要对这两种相互作用进行探究。实践出真知，我们用事实说话。

设计意图：通过趣味实验激发学生的学习兴趣，通过学生的“说”来显化学生对磁场的前概念。学生可能会答出奥斯特实验、磁场对通电导线有力的作用等正确知识点，也可能会答出“静电荷能产生磁场”等错误的观点。教师无需立即对学生提出的观点进行评价，因为学生在后续的学习中自己会判断。

2.2"设计探究实验，引发认知冲突

学生的前概念是根深蒂固的，想要撼动学生的前概念，就需要引发他们强烈的认知冲突。教师可以从学生的观点出发，设计一系列探究实验，让学生在操作过程中发现与已有观念相矛盾的实验现象，以此激发学生的学习兴趣。此外，教师还可以改变实验条件，让学生进行多次探究实验，让他们在操作过程中发现问题，从而完善他们对概念的理解。

教学片段2：静电荷和小磁针之间是否存在作用力？

演示实验：毛皮摩擦过的橡胶棒吸引小磁针的北极。

橡胶棒能吸引小磁针。

师：橡胶棒吸引小磁针和磁体吸引小磁针的原理一样吗？怎么证明？

生：用橡胶棒吸引小磁针的南极试试，如果排斥，两者原理就是一样的。

演示实验：橡胶棒能吸引小磁针的南极。

师：实验现象说明两者作用原理不一样。那出现这种实验现象的原因是什么？

生：可能是带电物体具有能够吸引轻小物体的性质。

师：怎么验证？

生：将小磁针换成铝片或铜片试试，或者将小磁针静电屏蔽试试。

演示实验：橡胶棒能吸引铝片或铜片。用金属丝将小磁针静电屏蔽后不能再被橡胶棒吸引，但仍能被磁体吸引。

设计意图：制造思维冲突，破除旧观念。带电橡胶棒能吸引小磁针的现象，会让那些认为“静止电荷不能吸引小磁针”的同学大感惊讶；随后进行的实验验证，则会给认为“静止电荷能吸引小磁针”的同学带来了强烈的认知冲击，使他们深入理解到静止电荷吸引小磁针的本质，进而促使他们改变原有观念，树立起正确的观念。

教学片段3：通电导线和小磁针之间是否存在作用力？

探究实验：通电导线和小磁针位置可随意放置，观察小磁针偏转情况。教师请观察到实验现象的同学上讲台展示，并讲述实验成功的原因。

设计意图：学生在初中阶段已经学习过奥斯特实验，但那时的学习主要停留在识记层面，对实验原理的理解较为粗浅和模糊，对实验条件的把握不够深刻。学生原本知道通电导线可以使小磁针偏转，并在实际操作中也确实观察到了这一现象。然而，当有些学生在讲台上进行演示时，却意外地发现无法清晰地观察到小磁针的偏转现象，这一结果与他们头脑中的既有观念产生了冲突。通过这次经历，学生深刻体会到了实验条件对实验结果的显著影响，进而加深了对电流对磁体作用原理的理解。在此基础上，学生继续探究磁体与电流、电流与电流之间的相互作用，从而深刻地认识到磁体与磁体、磁体与电流以及电流与电流之间的相互作用都是通过“磁场”这一媒介来实现的。

2.3"类比前概念，建构物理观念

类比是科学发现中广泛使用的一种方法，它也可以为学生建立正确的物理观念。通过将原有的或新近获得的知识进行类比，可以使新知识更容易被理解和接受。这种方法为学生掌握新概念提供了一个有效的学习途径。特别是在学习“场”这种抽象的概念时，利用前概念进行类比，能够为学生在建构新的物理观念时铺设学习台阶。

教学片段4：如何形象地描述磁场？

师：磁场看不见摸不着，那怎样形象地来描述磁场呢？

生：可以用磁感线来描述。

师：你能用磁感线描述条形磁体的磁场吗？

学生在纸上画出条形磁体的磁感线。

师：你画的磁感线能否准确描述该条形磁体的磁场？怎么验证？

生：可用小磁针来验证。

师：你是怎样想到用小磁针来验证的？

生：前面学习过的电场就是通过利用试探电荷所受的力来描述电场线的。小磁针在磁场中会受到力的作用，所以可以利用小磁针来探测磁场方向。

学生利用小磁针验证时，发现小磁针不够小，验证有困难。

师：怎样才可以有更小、更多的小磁针，来更方便地进行验证？

生：可以利用铁屑。

学生将条形磁体置于放有大量短小铁屑的塑料片上，然后将已画好的条形磁体磁场图覆盖在条形磁体上方

进行验证。

师：你画的磁感线能准确描述该条形磁体的磁场吗？条形磁体的磁感线有什么特点？磁感线与电场线之间有哪些异同？

学生进行回答并作出总结。

设计意图：学生在初中时已经学会利用磁感线来描述磁场，但是对磁感线的绘制过程并不了解。通过亲自绘制磁感线并进行实验验证，学生深入理解了磁场方向的定义，以及磁感线作为“线”的本质。这一过程让学生认识到，磁感线是将抽象的“场”概念形象化的工具，进而掌握了如何运用这一工具来分析和理解磁场问题的方法。

教学片段5：如何描述通电直导线的磁场？

师：利用小磁针可以探测出条形磁体周围的磁场分布。通电直导线周围也存在磁场，能不能利用小磁针探测出通电直导线周围的磁场分布呢？

探究实验：通电直导线水平或竖直放置，学生通过改变小磁针和通电直导线间的位置关系，探测通电直导线周围的磁场分布，并尝试用磁感线来描述该磁场。

学生展示实验结果，并讲述理由。

教师演示通电直导线周边大量短小铁屑的分布情况，和学生一起用磁感线画出通电直导线周围的磁场分布。

师：改变通电直导线中的电流方向，你能画出此时通电直导线周围的磁场分布吗？

请学生分别画出此时通电直导线周围磁场分布的俯视图、侧视图和立体图。

师：请大家观察电流方向和磁场方向有没有规律？

生：电流方向和磁场方向始终是垂直的，不同方向的电流产生的磁场都可以通过空间旋转来相互对应。

师：你有没有办法可以很方便地找到电流方向和磁场方向的关系？

生：右手螺旋定则（安培定则）。

师：一定要用右手吗？左手可不可以？不用手可不可以？

师生共同回顾安培定则的使用方法，并明确安培定则作为一种工具的特性。

设计意图：通过类比使用小磁针探测条形磁体磁场的方法，教师引导学生应用小磁针来探测通电直导线周围的磁场。这一过程让学生充分体验了电流与磁体之间的相互作用，并掌握了如何利用小磁针来确定磁场方向的方法。同时，在探究过程中，学生也明确了通电直导线周围磁场的分布情况，并熟练掌握了安培定则的使用方法，为后续学习环形电流和通电螺线管周围的磁场奠定了坚实的基础。

2.4"知识迁移应用，培育物理观念

新的概念只有在新的情境下得到应用，并对新的现象进行解释时，才能被学生真正掌握，转化为他们头脑中的概念，并被用来解决实际问题。同时，在教学中，教师还应帮助学生提炼新的概念，并进一步升华，使概念体系更加清晰和准确，从而在学生头脑中建立完善的物理观念。

教学片段6：电和磁的统一性。

师：请大家观察通电螺线管和条形磁体的磁场分布，并找出它们的异同。

生：通电螺线管外部磁场分布和条形磁体外部磁场分布非常相似。

师：你们认为条形磁体内部有没有磁场？为什么？如果有，磁场怎样分布？

生：有磁场，因为磁感线是闭合的曲线，其内部磁场应该和通电螺线管的内部磁场一样。

师：确实如此。那么条形磁体为什么会有磁性呢？请大家自行阅读教材上本小节的科学漫步栏目“安培分子电流假说”。

应用：请解释教学片段1的演示实验中为什么硬币像链条一样被吸起来？

请利用安培分子电流假说解释磁场。

学生阅读、思考、交流。

在肯定学生的回答后，教师介绍电生磁（奥斯特）、磁生电（法拉第）、麦克斯韦方程组，让学生体会电场和磁场的统一性。

设计意图：在深入学习磁现象的基础上，教师进一步引导学生对磁的本质进行深入思考，特别是从电与磁的相互联系和相互作用的角度进行思考。教师引导学生应用安培分子电流假说来解释实际问题，旨在强化学生的物理观念，使他们能够更深刻地理解电与磁之间的复杂关系。虽然磁生电的现象以及麦克斯韦方程组超出了本节课的讲授范围，但这样的引入有助于学生形成更为准确的物理观念，即电磁场的统一性。这样的拓展能够促使学生有意识地运用电磁统一观念来指导后续内容的学习，从而加深学生对电磁学整体框架的理解。

3"总结

在学生脑海中形成物理观念是一个长期且持续发展的过程，而已形成的物理观念也不是一成不变的。［2］通过不断学习，学生已有的物理观念必将得到进一步完善，甚至被新的理解所更新。教师在教学时，应充分重视前概念对学生学习新概念的潜在阻碍或促进作用。因此，在教学设计上，教师应紧密围绕学生的前概念，以此为基础引导学生深入理解新概念，从而更有效地培育学生的物理观念，并全面提升学生的物理核心素养。

参考文献

［1］郑青岳.指向理解的科学教学［M］.杭州：浙江教育出版社，2020：193"-203.

［2］陆良荣.注重物理观念教育"培养学科核心素养［J］.中学物理教学参考，2021，50（16）：5"-7.