追根求源理解概念撥開迷霧揭示規(guī)律

封瑋瑋

【摘要】“物理概念”與“物理規(guī)律”是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容之一。在當(dāng)前的物理教學(xué)和應(yīng)試前景下，教師和學(xué)生都過于注重概念和規(guī)律的應(yīng)用，而忽視了從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、學(xué)習(xí)規(guī)律和物理邏輯方法的角度來引導(dǎo)學(xué)生理解概念和規(guī)律。對“物理概念”和“物理規(guī)律”意義的理解和運用，在教學(xué)目標(biāo)上分別屬于不同的層次，深刻地理解可以幫助解決問題，促進更好地應(yīng)用。如果學(xué)生真正理解概念和規(guī)律的含義，那么物理學(xué)科的學(xué)習(xí)會變得“輕負高質(zhì)”。基于物理教學(xué)現(xiàn)狀，從“物理概念”教學(xué)和“物理規(guī)律”教學(xué)兩個方向闡述對高中物理教學(xué)過程概念和規(guī)律教學(xué)的改革嘗試與研究。

【關(guān)鍵詞】物理概念物理規(guī)律認(rèn)知規(guī)律教學(xué)改革實踐研究

物理學(xué)中，物理概念是物理學(xué)的基石，物理規(guī)律是物理學(xué)的精髓。如果將中學(xué)物理學(xué)的主題比作高層建筑，那么物理概念和物理定律就是構(gòu)成建筑物的砌體和鋼框架?；诖耍诜治龊涂偨Y(jié)國內(nèi)外同行教學(xué)研究工作的基礎(chǔ)上，論述了物理概念與規(guī)律教學(xué)的現(xiàn)狀，從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、學(xué)習(xí)規(guī)律和物理邏輯思維與思維方法角度，緊扣《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，研究物理概念和物理規(guī)律獲得過程的邏輯方法，逐漸形成了物理概念和物理規(guī)律教學(xué)的教學(xué)設(shè)計策略。

一、物理概念教學(xué)存在的常態(tài)問題與教學(xué)實踐改革

物理概念，就是對物理現(xiàn)象的概括。它是從個別的物理現(xiàn)象、特定的過程和狀態(tài)中抽象出的具有相同本質(zhì)的物理實體。中學(xué)物理概念主要分為兩類：一類是用詞語直接表達的概念，如力、重心、勻變速直線運動等;另一類是用數(shù)學(xué)語言表達的概念，常稱為物理量，如加速度a=△V/△t，電場強度E=F/q，動量p=mv，等等。

（一）物理概念教學(xué)中存在的常態(tài)問題

1.老師方面的表現(xiàn)

（1）壓縮概念形成過程的教學(xué)。概念在教學(xué)中常被用作陳述性的知識，學(xué)生通過死記硬背的方式學(xué)習(xí)概念，沒有引導(dǎo)學(xué)生理解概念形成過程的“概念形成性教學(xué)”和“概念過程性教學(xué)”。

（2）讓學(xué)生通過題海戰(zhàn)術(shù)機械地記憶概念，而不是在感覺上“升華”。在學(xué)生沒有理解概念的實質(zhì)的前提下，就給學(xué)生布置大量的試題來訓(xùn)練，造成了“高負低質(zhì)”的惡性循環(huán)狀態(tài)，從而形成了學(xué)生懼怕物理學(xué)科的環(huán)境氛圍。

2.學(xué)生方面的表現(xiàn)

（1）只記結(jié)論，不注重概念的引入過程，學(xué)習(xí)死記硬背，表層學(xué)習(xí)和膚淺理解。

（2）只背公式，不理解其含義，忽略其適用條件，不理解公式產(chǎn)生的背景，不理解公式應(yīng)用的實際條件，造成了機械地套用公式的現(xiàn)象。

（二）基于認(rèn)知規(guī)律與學(xué)習(xí)規(guī)律的物理概念教學(xué)實踐改革

1.還原原始問題，引導(dǎo)學(xué)生體驗概念的形成過程

教學(xué)改革案例：概念“加速度”的教學(xué)。教學(xué)改革方法：引導(dǎo)學(xué)生理解“加速度”概念的形成過程，掌握概念的精髓。

例1：現(xiàn)有4種跑車從靜止開始加速到某一速度及所用時間：①蘭博基尼Murcielago跑車速度從零加速到100km/h，加速時間4.0s;②麥克拉倫F1LM跑車速度從零加速到100km/h，加速時間3.2s;③寶馬Z4跑車速度從零加速到60km/h，加速時間3.2s;④F1方程式賽車速度從零加速到300km/h，加速時間15.6s。請回答以下幾個問題：

問題1：①與②速度變化相同，如何比較其變化快慢？問題2：②與變化的時間相同，如何比較其變化快慢？問題3：②與④、①與③速度變化不同，變化時間也不同，如何比較其變化的快慢？

通過上述比較，學(xué)生逐漸形成了探究速度變化快慢的基本概念，并掌握了物理學(xué)中一種重要的研究影響因素的方法——控制變量法。

2.用好“認(rèn)知沖突”，摒棄影響理解概念的本質(zhì)的因素

物理概念是人們頭腦中客觀事物共同的物理屬性和本質(zhì)特征的反映。有時物理事實會與人們的一貫認(rèn)知相悖，當(dāng)“認(rèn)知”與“物理”相沖突，思維的火花也就迸發(fā)了。如果教師善于利用學(xué)生的“認(rèn)知沖突”，引起學(xué)生在概念形成過程中思維碰撞的火花，想必會達到事半功倍的教學(xué)效果。

教學(xué)改革案例：“自由落體”的概念的形成。教學(xué)改革方法：充分利用學(xué)生的認(rèn)知沖突。例如，在日常生活中，人們普遍認(rèn)為“重物體比輕物體下落快”。實驗1：讓一枚硬幣和一張與該硬幣等大的紙片從等高處同時下落。演示結(jié)果：與學(xué)生的判斷“紙片下落慢”一致。實驗2：將實驗1中的紙片緊緊揉成團后，再讓它和硬幣同時從同一高度下落。演示結(jié)果：二者幾乎同時落地。

這一現(xiàn)象引起的認(rèn)知沖突否定了印象中的“重物體一定比輕物體下落快”，筆者趁機引導(dǎo)學(xué)生尋找引起這一錯誤認(rèn)知的根本原因：空氣阻力是影響下落快慢的“幕后黑手”。之后用真空管做自由落體實驗驗證，再提出“自由落體”概念，就顯得順理成章，學(xué)生更能把握“自由落體”的內(nèi)涵。

3.強化由“是什么”到“為什么”的學(xué)習(xí)過程，讓“高深莫測”的陳述性知識接地氣

事實上，許多物理現(xiàn)象的成因是相當(dāng)復(fù)雜的。因此，在教學(xué)過程中，要特別注意教學(xué)過程的各個階段，把握教學(xué)的節(jié)奏。要了解“高中學(xué)生課程標(biāo)準(zhǔn)”的要求，準(zhǔn)確定位高中學(xué)生課程標(biāo)準(zhǔn)的深度和難點。

教學(xué)改革案例：電動勢概念的學(xué)習(xí)。教學(xué)改革方法：以具體的實驗進行直觀演示與原理分析結(jié)合的教學(xué)方式。學(xué)習(xí)“電動勢”概念時，可以先讓學(xué)生觀察以下三個對比實驗的現(xiàn)象。實驗1：將小燈泡、開關(guān)、干電池連成回路，燈泡發(fā)光。實驗2：將實驗1中的干電池換成蓄電池，使燈泡發(fā)光。實驗3：將實驗1中的干電池換成手搖發(fā)電機。搖動發(fā)電機使燈泡發(fā)光，發(fā)現(xiàn)搖的速度越快，燈泡越亮。

現(xiàn)象與結(jié)論1：從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，干電池、蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，手搖發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)化為電能。在物理學(xué)中，把這些能將其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做電源。現(xiàn)象與結(jié)論2：干電池、蓄電池、手搖發(fā)電機工作時，同一個燈泡的亮度不同，說明它們在相等時間內(nèi)產(chǎn)生的電能的多少不同，我們把上述三種電源這種具有不同的“將其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)”叫做電動勢。也就是說，在上述實驗中，干電池、蓄電池、手搖發(fā)電機三者產(chǎn)生的電動勢不同。

上述教學(xué)設(shè)計的目標(biāo)就是讓學(xué)生從具體情境中體會引入“電動勢”的必要性，賦予這一陌生詞匯鮮活生動的實例，消解學(xué)生對新概念的陌生感。

4.借用熟悉的概念等效替換生僻的概念，降低理解的難度

教學(xué)改革案例：多普勒效應(yīng)。以高中階段比較有趣的現(xiàn)象之一“多普勒效應(yīng)”為例。此概念本身并不難理解，但其成因往往使學(xué)生感到很難理解。產(chǎn)生理解困難的原因是“頻率”的概念相對抽象，學(xué)生沒有直觀感受。教學(xué)改革方法：鼓勵學(xué)生聯(lián)系已有知識，引導(dǎo)轉(zhuǎn)換成周期或波長會更好理解。

5.采用“感性的具體→理性的抽象→理性的具體”的教學(xué)模式，讓詞語直接表達類的概念的教學(xué)深入人心

詞語直接表達類的概念理性、抽象，學(xué)生感覺艱澀、難懂。沒有人會對那些莫名其妙、混亂的知識產(chǎn)生持久的興趣。因此，物理教師在教學(xué)過程中應(yīng)該注重概念理解，讓學(xué)生知其然且知其所以然。詞語直接表達類概念教學(xué)目標(biāo)有三點：（1）講清物理概念的內(nèi)涵;（2）強調(diào)物理概念的外延;（3）厘清有關(guān)概念的聯(lián)系和相近概念的區(qū)別。

要打破傳統(tǒng)，提高概念課的教學(xué)效果，教師在講授新的概念的時候，可以首先引入一些比較熟悉的具體物理現(xiàn)象，使學(xué)生產(chǎn)生具體的感性的認(rèn)識;然后再經(jīng)過分析比較，抽象出本質(zhì)屬性，使認(rèn)識上升到理性;最后經(jīng)過演繹的練習(xí)，使物理的抽象上升為理性的具體，實現(xiàn)能運用所學(xué)概念有針對性地解決有關(guān)問題。

教學(xué)改革方法。第一步：感性的具體。以中性導(dǎo)體放在勻強電場E中為例?，F(xiàn)象：自由電子在電場的作用下定向運動，產(chǎn)生感應(yīng)電荷，產(chǎn)生靜電感應(yīng)。第二步：理性的抽象。透過這個現(xiàn)象，認(rèn)識到導(dǎo)體內(nèi)部此時的場強應(yīng)該是感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E與原有的勻強電場E的疊加。只要導(dǎo)體內(nèi)部的合場強不為零，自由電子就會持續(xù)定向移動，直到合場強為0，當(dāng)自由電子停止定向移動，導(dǎo)體就達到所謂的“靜電平衡狀態(tài)”。此時，教師可引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)導(dǎo)體達到靜電平衡狀態(tài)時的基本性質(zhì)：內(nèi)部合場強為零、導(dǎo)體是個等勢體，等等，從而在頭腦中建立起一個“理性的抽象”。第三步：理性的具體。拓展應(yīng)用到其它電場中，由此及彼，在具體的運用中升華，得心應(yīng)手地解決多變的物理問題，解釋實際生活中的物理現(xiàn)象。

二、物理規(guī)律教學(xué)存在的常態(tài)問題與教學(xué)實踐改革

物理規(guī)律反映了物理概念與物理概念之間的聯(lián)系，它是物理知識結(jié)構(gòu)體系的樞紐。學(xué)生運用物理規(guī)律的準(zhǔn)確熟練程度，取決于對規(guī)律的理解深刻程度。由此可見，規(guī)律教學(xué)是重心。

中學(xué)物理規(guī)律主要有：（1）物理定理：如動能定理，動量定理等。（2）物理定律：如牛頓運動定律、機械能守恒定律、閉合電路歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、光的折射定律等。（3）物理定則：如平行四邊形定則、右手螺旋定則等。（4）物理方程：如運動學(xué)方程、理想氣體狀態(tài)方程等。（5）物理學(xué)說：如安培的分子電流假說，原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說等。對于課本中用黑體字明確表述出來的規(guī)律，不僅要記住它具體的內(nèi)容表述和對應(yīng)的表達式，更要深刻理解其含義及應(yīng)用條件，從而定量解決物理問題。

（一）物理規(guī)律教學(xué)中存在的常態(tài)問題

1.教師方面

（1）以習(xí)題教學(xué)代替規(guī)律探究。習(xí)題課一直以來是高中物理規(guī)律課中重要的環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的必要的教學(xué)手段。如果忽略探究規(guī)律的來龍去脈、物理意義、適用條件等，最終會影響到學(xué)生對規(guī)律的掌握與運用。（2）沒有采用有效的教學(xué)策略讓學(xué)生變?yōu)閷W(xué)習(xí)主體。為了檢驗規(guī)律的掌握情況，往往會配以大量習(xí)題，如果教師不加以挑選典型適當(dāng)拓展，不采用有效策略對學(xué)生的實操情況進行有效地指導(dǎo)，規(guī)律應(yīng)用將始終難到位。（3）黑板上“做實驗”或以觀看現(xiàn)有實驗視頻代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，使某些基于實驗探究得到的物理規(guī)律的課程變得了無生趣，學(xué)生只停留在機械記憶結(jié)論或公式，長此以往，終將扼殺了學(xué)生獲得揭示規(guī)律、探索科學(xué)的興趣。

2.學(xué)生方面

（1）教學(xué)內(nèi)容中的物理現(xiàn)象，由于學(xué)生日常的生活經(jīng)驗不足，親身經(jīng)歷感受不到位，感性知識儲備不足。（2）受到日常生活中所形成的錯誤觀念的干擾。（3）不能科學(xué)地運用物理規(guī)律去說明解釋具體現(xiàn)象、分析解決實際問題。

（二）基于認(rèn)知規(guī)律與學(xué)習(xí)規(guī)律的物理規(guī)律教學(xué)實踐改革

1.創(chuàng)設(shè)物理環(huán)境，使學(xué)生獲得必要的感性認(rèn)識

讓學(xué)生有效地學(xué)習(xí)物理規(guī)律，就要教師開動腦筋，創(chuàng)設(shè)出便于發(fā)現(xiàn)問題的物理環(huán)境。那么如何創(chuàng)設(shè)有效的物理環(huán)境呢？筆者通過幾年實踐，認(rèn)為如下方法可以創(chuàng)設(shè)高效的物理環(huán)境：（1）通過課堂觀察和動手實踐發(fā)現(xiàn)問題;（2）通過對典型案例的分析，接近學(xué)生生活發(fā)現(xiàn)的問題;（3）充分利用多媒體輔助教學(xué)，同時要盡量避免在黑板和屏幕上“做實驗”。

教學(xué)改革案例：“閉合電路的歐姆定律”的學(xué)習(xí)。教學(xué)改革方法：比較教學(xué)法。實驗1：按如圖1所示的電路，測出一組U、I數(shù)據(jù)，并作出U—I圖線。實驗2：如圖2所示的電路，有目的地設(shè)計出兩種情況：①電動機卡住;②電動機正常。分別測出對應(yīng)的U、I數(shù)據(jù)。

現(xiàn)象：實驗1得到的數(shù)據(jù)，在誤差允許范圍內(nèi)是一條直線，即線性關(guān)系。實驗2中①也是線性關(guān)系，②是非線性的。

結(jié)論：當(dāng)電動機不轉(zhuǎn)時，其U-I關(guān)系與純電路相同;當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，其U與I的比值不再是一個恒量。

分析：學(xué)生對U/I為一恒量已經(jīng)由初中的物理學(xué)習(xí)形成了思維定勢。在上述實驗的操作過程中，學(xué)生對實驗1的數(shù)據(jù)已有經(jīng)驗，因此，對實驗2中①的數(shù)據(jù)也容易理解和接受，但實驗2中②的數(shù)據(jù)顛覆了學(xué)生慣有的認(rèn)知，從而引起認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的好奇心，進而引導(dǎo)學(xué)生對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因做出猜測和分析。此時，教師進一步引導(dǎo)，學(xué)生就會對純電阻電路與非純電阻電路元件的本質(zhì)建立較為深刻的認(rèn)識，從而準(zhǔn)確把握和理解歐姆定律所闡述的內(nèi)容以及適用范圍。

2.引導(dǎo)學(xué)生嘗試?yán)梦锢韺W(xué)研究方法探索物理規(guī)律

物理學(xué)常用研究方法有如下幾種。（1）實驗歸納法。這種方法是經(jīng)過實驗探究總結(jié)出來的規(guī)律，一般叫做定律。如楞次定律，機械能守恒定律。（2）理論演繹法。由此方法發(fā)現(xiàn)并形成的規(guī)律，一般叫做定理或原理。具體來說，就是從已知的規(guī)律或理論出發(fā)，對某一特定的事物或現(xiàn)象進行演繹、推理，進而得出有關(guān)物理量之間在一定范圍內(nèi)的函數(shù)關(guān)系或新的論斷，最后，只要通過實踐檢驗就可以成為規(guī)律。這樣的方法形成的規(guī)律，不再僅僅是對經(jīng)驗事實的簡單概括，而是成為科學(xué)理論系統(tǒng)中一個新的出發(fā)點。如動能定理、動量定理、光路可逆原理、波的疊加原理等。（3）提出假設(shè)法。由此發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，一般叫做理論或定律。具體來說，在對有些物理規(guī)律研究時，可引導(dǎo)學(xué)生在觀察實驗或分析推理的基礎(chǔ)之上進行大膽地猜想并提出假說，然后再運用實驗或理論加以檢驗，從而修正假說，得出科學(xué)的結(jié)論。如電阻定律、普朗克的量子說等。

3.跨單元知識聯(lián)系相似規(guī)律，形成完整的知識體系

物理世界的規(guī)律特點之一就是“和諧、統(tǒng)一”，學(xué)好物理可以舉一反三，對于深化物理規(guī)律的揭示與認(rèn)知，需要做個善于思考的人，教師也應(yīng)當(dāng)輔助學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的思想方法，利用類比法將相似的規(guī)律進行整合。

教學(xué)改革案例：物理學(xué)中一些功能關(guān)系整合。教學(xué)改革方法：羅列眾多功能關(guān)系案例，啟發(fā)學(xué)生比較并發(fā)現(xiàn)共同規(guī)律。

三、總結(jié)

在物理概念與規(guī)律教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)通過選擇適當(dāng)?shù)姆椒せ顚W(xué)生頭腦中的原始知識，從而吸收新概念或新規(guī)律，選擇合適的信息呈現(xiàn)方式來促進學(xué)生的選擇性感知。一般來說，只要將抽象概念具體化、復(fù)雜概念簡化，注重新概念與原知識的關(guān)聯(lián)，那么就可以大大降低學(xué)生對概念和規(guī)律的感知和識別的難度。在教授物理概念課和規(guī)律課的過程中，教師應(yīng)采取何種教學(xué)模式，選擇何種具體案例，是否選擇現(xiàn)代教學(xué)方法，應(yīng)根據(jù)具體情況自行決定。

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