從量子技術的應用看物理課堂教學中概念的建構

鐘彬偉

【摘 ?要】中學物理教學的一大困難便是科學概念，如何對概念進行解讀，如何從眾多概念中進行歸納和分類，如何以概念從存在實體中找關系、條件與根據(jù)，考驗的是教學的智慧。文章從量子技術的應用談物理課堂教學中概念的建構，以期為概念教學形成助力。

【關鍵詞】量子力學;哲學;物理概念;建構;物理教學;信息化

一、物理概念的哲學思考

物理學的每一次進步都是從科學概念的革新開始的，而哲學與生俱來的特性就是創(chuàng)造概念。隨著物理學的發(fā)展，人們借助粒子加速器第一次在實驗室里造出了物質(zhì)，這使得聚集能量造出全新的物質(zhì)粒子成為可能，這些新的發(fā)現(xiàn)也打破了人們關于物質(zhì)不可創(chuàng)造的論斷，大大拓展了我們對“物質(zhì)”概念的認識。事實上，在證偽“每一個事件必有原因”這一命題上，量子力學獲得了開創(chuàng)性的進展。測不準原理巧妙地回答了凡事必有因這個問題，因為我們本身也是這個無限遞歸的因果鏈條中的一環(huán)，我們的觀察對象會因為我們的觀察而發(fā)生改變。而這一發(fā)現(xiàn)也因此改變了傳統(tǒng)理論對“因果”這一概念的機械性解釋。可以說，物理學和哲學，就像一個硬幣的正反面。兩者都是為了探尋某種規(guī)律，只不過哲學善于創(chuàng)造概念，物理善于求證概念，兩者相輔相成，互相沖擊滲透。人類思維的火花發(fā)軔于“概念”。量子力學，包括整個物理學的發(fā)展，其實也都是從科學概念的建構和發(fā)展開始的……

二、物理概念的建構和物理教學

（一）否定之前的經(jīng)驗，建立新的科學概念

物理思維最基本的單元是一個個物理概念，可見概念教學應該是我們物理教學的關鍵，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維、物理思想和哲學的思考，都有賴于科學概念的建構和深入。物理概念是建立在大量觀察和科學實踐的基礎上，把事物本質(zhì)的、共同的特征集中起來加以抽象概括出來的。大部分的物理概念來源于生活，也有一部分來源于數(shù)學定義，或者跟其他學科的關聯(lián)。當然也有一部分來源于學生孩提時期就開始在日常經(jīng)驗中形成的前概念。比如：運動的物體速度越快受的力越大，受的力往哪一邊運動速度就往哪一邊，主動者必須施力，被動者只能受力。當然這些概念都是錯誤的，但是它已經(jīng)深深地植入人們的意識中，所以概念教學首先要破除前概念這個障礙。例如，在力的概念教學中，我們經(jīng)常碰到一個問題——到底力是什么？查詢書本的定義：力是物體間的相互作用。那么究竟是個什么作用，好像話沒有說完，總感覺如鯁在喉，意猶未盡。聯(lián)想到力的英文force也有強迫、迫使的意思，那么力迫使物體發(fā)生了怎么樣的改變？利用實驗學生很容易發(fā)現(xiàn)力迫使物體的運動狀態(tài)發(fā)生了改變。實踐表明，破除前概念如果只靠教師簡單地講授，告訴學生原來的想法錯了;或者簡單地做實驗演示，學生往往很難接受，也想不通，因為這些前概念恰恰來自他們以前的經(jīng)驗。只有通過設計新的實驗，讓學生獲得新的經(jīng)驗，他們才會否定之前的經(jīng)驗，并建立新的科學概念。同時，由于學生掌握的生活經(jīng)驗、知識結構、年齡等有所不同，這對有效建構概念具有一定影響。

（二）放手讓學生經(jīng)歷探索，形成正確經(jīng)驗

物理教學應該注意營造寬松民主的學習氛圍。學生的概念建構過程，是一個將獲得的新信息、新經(jīng)驗和原來已有的知識結構、經(jīng)驗結構進行激烈碰撞的過程，而不是把教師的講授簡單記憶儲存的過程。就好比量子力學誕生之初，對原有理論體系的沖擊碰撞，需經(jīng)過不斷發(fā)現(xiàn)和驗證，去偽存真，進而發(fā)生全面深刻的概念革新，推動物理學的進步與發(fā)展。學生的認知過程從某種意義上說跟整個人類社會的認知過程有相通的地方，都是一個螺旋式上升的過程。教師可以按照建構主義理論，放手讓學生自己經(jīng)歷探索的過程，形成新的正確的經(jīng)驗，以建構自己新的概念和知識結構。比如，教學“慣性概念”時，最常用的例子是：汽車剎車后不能馬上停下來，豎直上拋的乒乓球在重力作用下繼續(xù)向上運動等。事實上，這些例子中的物體都受到了阻力的作用，此時慣性主要表現(xiàn)在受到阻力作用而不能馬上停下。再比如我們書本上的演示實驗，用尺子敲走一疊棋子中的一顆，上面的棋子幾乎不動，但是仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)上面的棋子發(fā)生了微小的位移。實際上這些例子中慣性主要體現(xiàn)在物體受力不能馬上發(fā)生大幅度的位移。從以上例子中，我們可以引導學生自主發(fā)現(xiàn)一切物體的實際運動都是由受力和慣性共同決定的，進而鼓勵學生用自己的方式來表述慣性。比如：慣性實際上是物體希望保持原來運動狀態(tài)的一種理想，只有在不受外力的情況下，這種理想才能得以實現(xiàn)。如果學生能對慣性的概念理解到這一層次，對于其今后進一步學習離心運動，以及理解電磁學中的楞次定律和自感現(xiàn)象等類似慣性而不能瞬間突變的物理概念，將提供莫大的幫助。

（三）鼓勵學生小組討論，構建物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系

在物理教學過程中，我們應該鼓勵學生通過小組討論構建物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系。所謂“獨學而無友，則孤陋而寡聞”。概念建構的過程是一個學生個體與外界信息不斷溝通，相互作用的過程;是一個從感性認知上升到思維能動飛躍的過程;是一個同學之間思想不斷碰撞，思維得以發(fā)展的過程。因此，充分的溝通和討論是必要的。當然，在這個過程中，教師的引導點撥也是必不可少的。比如在一節(jié)電學測量的實驗課堂上，我首先拆開了一對電壓表和電流表，引導學生觀察電表內(nèi)部的構造。隨后我提出一個問題：電壓表、電流表以及電表不同擋位之間有什么內(nèi)在的聯(lián)系呢？很快各個學習小組紛紛提出自己的猜想。有的小組覺得各個電表本質(zhì)上就是表頭，只不過通過串聯(lián)分壓電阻或者并聯(lián)分流電阻，實現(xiàn)不同的功能和擋位;但是很快又有其他學習小組提出截然相反的看法：電表本質(zhì)上就是電阻，只不過有的電阻比較“土豪”，配置了顯示的儀器，變成“聰明電阻”，能夠報告自己的電壓或者電流。很快同學們圍繞著哪個小組的看法更好展開激烈的討論，不經(jīng)意間打破了關于電表和電阻之間認識上的藩籬，同時也為后續(xù)電表改裝和多用電表的學習做了良好的準備。

三、物理概念教學在信息化條件下的新嘗試

（一）組建了“線上實驗室”

線上教學在無形中給了我們利用信息化手段拓展物理概念教學的契機和實踐探索的機會。為了方便展示和拓展演示實驗，我們組建了“線上實驗室”發(fā)布實驗視頻及其內(nèi)容講解，鼓勵學生把自己拍攝的實驗視頻上傳，并定期開展學習小組之間的互評和比賽，調(diào)動了學生的積極性。很多學生積極上傳自制的實驗視頻，大大豐富了我們的實驗資源，也延伸了我們的物理課堂，甚至還不時有意想不到的收獲和驚喜。比如，在進行密度概念的教學時，我布置了“尋找生活中的密度”的課后作業(yè)，同學們紛紛上傳了自己觀察到的生活中的密度。結果有一個小組上傳的內(nèi)容中有一張是A4紙包裝上的70g/m2，很快就有同學指出包裝上的單位是不是印錯了，應該為kg/m3或者g/cm3。當天下午就有另外一個小組的同學也上傳了自己家里面另外一個品牌的A4紙的圖片，顯示80 g/m2。除了數(shù)值不一樣，單位是完全一樣的，這位同學在線上留言說不同品牌的A4紙應該不可能同時印錯吧。見到這個情景我找來學科班長，讓他先組織同學們自主學習并尋找答案。很快就有學習小組發(fā)現(xiàn)面密度的概念，還有些小組查找出不同規(guī)格的銅導線的線密度。后來在密度的章節(jié)復習課上，我讓物理學科班長組織了一場專題討論，取得了很好的效果，同學們也認識到書本上的密度概念其實相當于體密度。通過信息化的教學手段，由解決學生的一個小疑問出發(fā)，我們不僅拓展了學生的知識面，引導學生對概念進行深入的哲學思考，也很大程度上豐富了密度的概念教學。

（二）總結線上教學經(jīng)驗，豐富傳統(tǒng)課堂教學

我們除了組建“線上實驗室”，還積極利用騰訊會議等信息化手段，組織學生開展線上小組學習討論。在疫情結束后我們及時總結經(jīng)驗，豐富傳統(tǒng)課堂教學，把這些好的做法延續(xù)了下來，取得了很好的效果。例如，我在上完“焦耳定律”這一節(jié)后，有一個同學就在線上小組學習的時候提出為什么歐姆定律只能用于純電阻電路，很快引起了同學們的熱烈討論。雖然我們在課堂上已經(jīng)從能量轉(zhuǎn)化的角度分析了電功和電熱的區(qū)別，指出在非純電阻電路中電功大于電熱，歐姆定律此時是不成立的，但是還有不少同學表示“不服”，仍然很“懷念”歐姆定律。顯然這一個提問喚起了很多同學的共鳴，很快在大家你一言我一語的討論中，有一個同學提出歐姆定律在線性電路中成立，在非線性電路中只要引入阻抗這個概念，廣義的歐姆定律也成立。后來又有不少同學自己查詢資料，發(fā)現(xiàn)了容抗、感抗等概念。在這一場物理概念的激烈碰撞中，我與同學們利用課堂上生成的資源深入討論學習，既加深了學生對歐姆定律的理解，也引導學生對電阻這一物理概念進行深入的哲學思考。此外，我們在講授氣壓這個概念之前，還嘗試利用線上實驗室進行空氣炮實驗的海選，再由海選勝出的選手參加現(xiàn)場組織的空氣炮大賽。同學們熱情參與，人氣爆棚，取得了很好的成效，也為今后的創(chuàng)新物理概念教學進行了有益的嘗試。

總之，物理概念的建構作為打通物理思維的一把鑰匙，體現(xiàn)了豐富的哲學內(nèi)涵。通過物理概念教學，我們以物理概念為思維對象，又以物理概念為思維工具，使思維對象和工具辯證統(tǒng)一，提高學生的思維能力和思維品質(zhì)，幫助學生認識完整而豐富的物理。哲學和物理學之間具有著深厚淵源。物理學和哲學揭示的正是物質(zhì)世界與宇宙本體的關系，一個從外向內(nèi)，另一個從內(nèi)向外。從這個意義上說，科學和哲學其實是人類邁向未知自然界的兩條腿，一路跋涉，一路耕耘，才收獲了滿滿的智慧果實。

【參考文獻】

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（課題項目：本文系2020年泉州市基礎教育教學改革專項課題“運用學科哲學指引初中信息化物理概念教學的研究”（立項批準號：QJYKT2020-116）研究成果之一。）