周 瑋
(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052)
隨著2017版新課標(biāo)的頒布,標(biāo)志著新課程改革正式啟動,這一次的改革則是將學(xué)科核心素養(yǎng)教育作為主要的教學(xué)目標(biāo).如何在教學(xué)過程中真正以學(xué)生為中心,根據(jù)每位學(xué)生的知識和經(jīng)驗(yàn),滿足他們獨(dú)特的人格成長需要,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)是課堂教學(xué)改革應(yīng)不斷思考的問題.
學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面.
物理概念既是物理學(xué)大廈的基石,也是核心素養(yǎng)導(dǎo)向下物理教學(xué)的重要載體.因此,教師應(yīng)該在課堂教學(xué)中有效落實(shí)基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理概念教學(xué).
物理概念內(nèi)容的豐富性為學(xué)生物理觀念的形成提供了直接的知識基礎(chǔ).概念是對大量物理事實(shí)的提煉和總結(jié),它反映了事物的本質(zhì),是學(xué)生進(jìn)行理性認(rèn)識的開端.高中物理涉及的主要概念超過200個(gè),每個(gè)概念都是物理知識網(wǎng)上的重要節(jié)點(diǎn).不同概念從不同角度揭示了世界的物質(zhì)本性,對物理概念的學(xué)習(xí),有助于學(xué)生由表及里地揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì),逐步形成包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等物理觀念.
物理概念的學(xué)習(xí)過程為學(xué)生思維能力的發(fā)展提供了空間.物理概念的形成過程,是學(xué)生自我建構(gòu)的過程.學(xué)生從已有的認(rèn)知出發(fā),以日常經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn),往往要經(jīng)歷反復(fù)多次的觀察、比較、概括、抽象等科學(xué)思維過程,才能獲得科學(xué)的物理概念.在此過程中,學(xué)生通常要運(yùn)用許多物理方法,如演繹法、歸納法、理想化方法、類比法、微元法等,才能建立或深化對概念的認(rèn)識,而這些方法是學(xué)生思維能力發(fā)展的重要基礎(chǔ).如果說思維能力是物理學(xué)科的關(guān)鍵能力,那么概念的學(xué)習(xí)就為這一關(guān)鍵能力的培養(yǎng)提供了空間.
物理概念的形成過程是培養(yǎng)學(xué)生內(nèi)在探究精神的有效途徑.物理概念的內(nèi)化不是一蹴而就的,是學(xué)生結(jié)合已有認(rèn)知,去偽存真,不斷完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程.為什么引入這一概念?為什么要如此定義一個(gè)概念?概念的內(nèi)涵和外延是什么?相關(guān)概念間的邏輯關(guān)系是什么?如何通過概念的深化構(gòu)建出知識網(wǎng)絡(luò)體系?這些問題都是值得學(xué)生思考和研究的.概念的內(nèi)化讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自我認(rèn)知的缺陷,在自我完善過程中能獲得較高的成就體驗(yàn),逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力.
物理概念的形成過程是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的有效途徑.物理概念的建立往往經(jīng)歷了漫長和曲折的過程,滿含著人類先賢的智慧和科技進(jìn)步的力量.如“自由落體”這一概念的建立,其中既包含了伽利略運(yùn)用邏輯推理的方法反駁亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動的錯(cuò)誤觀點(diǎn),又包含了對落體運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及合理外推這些智慧的閃光點(diǎn),開創(chuàng)了科學(xué)研究的模式.又如“原子”這個(gè)概念,2 000多年前古希臘哲學(xué)家德謨克利特就提出了這一概念,他認(rèn)為,所有物體都由數(shù)不清的、小得人眼無法看到的粒子集合而成,這些粒子叫原子,是物質(zhì)的最小單元.隨著科技進(jìn)步,現(xiàn)代人們不僅可以在微觀層面觀察并控制原子,而且打破了原子不可分的古老觀念,以原子概念創(chuàng)新為起點(diǎn),建立了分子和原子物理學(xué)以及核物理學(xué)等學(xué)科.對于這些圍繞物理概念而展開的物理學(xué)史的學(xué)習(xí),有助于學(xué)生解放思想、開闊眼界,培養(yǎng)他們不斷探索、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神和求真務(wù)實(shí)、規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.
概念教學(xué)對于學(xué)生物理觀念的形成具有舉足輕重的作用.物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等要素,可以說這幾點(diǎn)也是上位的核心概念.學(xué)生的物理觀念是在物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)、運(yùn)用及內(nèi)化體驗(yàn)的基礎(chǔ)上,逐步建構(gòu)和發(fā)展起來的,并非一蹴而就.因而制定物理概念的教學(xué)目標(biāo)時(shí),要分析它們在物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念及能量觀念等物理觀念發(fā)展過程中的地位和作用,在教學(xué)中由表及里、由淺入深,有層次的逐步推進(jìn),最后形成上位的物理觀念.
例如,為了發(fā)展學(xué)生的運(yùn)動與相互作用觀念,首先,要讓學(xué)生經(jīng)歷位移、速度、加速度等重要概念的建構(gòu)過程以及研究勻變速直線運(yùn)動、拋體運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動等重要的物理過程,促進(jìn)學(xué)生對“機(jī)械運(yùn)動”核心概念的形成和理解;然后,再引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷各種常見力(包括重力、彈力、摩擦力、萬有引力、安培力、洛倫茲力等)的概念的建構(gòu)過程以及牛頓運(yùn)動定律的學(xué)習(xí)過程,促進(jìn)學(xué)生對“運(yùn)動和力”核心概念的形成和理解.在此過程中,通過知識的不斷內(nèi)化和深化,促進(jìn)學(xué)生的運(yùn)動與相互作用觀念不斷發(fā)展.
又例如,為了建立能量的觀念,首先,需要建立動能、勢能的概念,而勢能是能量概念中的一個(gè)難點(diǎn),在教學(xué)過程中應(yīng)該由淺入深,層層深入地進(jìn)行理解與建構(gòu).學(xué)生是從重力勢能的學(xué)習(xí)開始的,是學(xué)習(xí)勢能概念的第一步.所以學(xué)習(xí)重力勢能時(shí),就要為后期的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).除了要知道重力勢能的定義以外,還有兩點(diǎn)應(yīng)該列為重要的教學(xué)目標(biāo):一是關(guān)于重力做功與路徑無關(guān),只與初末位置有關(guān)的特點(diǎn);二是重力做功等于重力勢能的減少量.這兩點(diǎn)是為什么能定義重力勢能以及如何定義重力勢能的關(guān)鍵.在進(jìn)一步建立“彈性勢能”“電勢能”以及“分子勢能”這些概念時(shí),可以通過類比發(fā)現(xiàn)相關(guān)的力做功與重力做功有相同的特點(diǎn),從而借助功能關(guān)系建立勢能的概念,研究勢能的普遍含義,促進(jìn)學(xué)生對功能關(guān)系的理解,進(jìn)一步建構(gòu)和發(fā)展能量觀念.
“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.
概念是人們對事物本質(zhì)的認(rèn)識,是邏輯思維最基本的單元.概念的建立必須借助于感性的材料、理性的科學(xué)思維方法.科學(xué)思維方法作為物理學(xué)研究和發(fā)展的邏輯工具,為物理學(xué)提供了建立物理概念、形成物理原理和提供實(shí)驗(yàn)探究的根本途徑.課堂教學(xué)應(yīng)該針對不同類型物理概念的特點(diǎn),有意識地融入相應(yīng)的科學(xué)思維方法,恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用實(shí)驗(yàn)、分析、綜合、歸納、類比、概括、抽象、演繹和理想化等方法,引導(dǎo)學(xué)生親歷物理學(xué)的思維發(fā)展歷程,激發(fā)其物理學(xué)習(xí)動機(jī).所以物理概念的學(xué)習(xí)過程為科學(xué)思維的培養(yǎng)提供了最好的途徑.
例如,在對質(zhì)點(diǎn)、自由落體運(yùn)動、簡諧運(yùn)動、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)電場等物理概念進(jìn)行教學(xué)時(shí),教師在教學(xué)中應(yīng)突出對學(xué)生利用理想化方法建立模型的思維方法的培養(yǎng);在學(xué)習(xí)瞬時(shí)速度、瞬時(shí)加速度時(shí)需要體現(xiàn)出極限的思想,這也是微元法思想的學(xué)習(xí)基礎(chǔ);在建立力、機(jī)械運(yùn)動、機(jī)械振動的概念時(shí),通過大量實(shí)例的枚舉,應(yīng)用歸納的方法得出不同的概念;在建立動能、動量、沖量這些概念時(shí),我們可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)演繹的方法,從已知的規(guī)律中得到新的重要的概念;在學(xué)習(xí)磁場、磁感線、磁感應(yīng)強(qiáng)度這些概念時(shí),可以采用類比的方法,類比電場、電場線以及電場強(qiáng)度進(jìn)行概念的定義,降低理解的難度,等等.這些方法是學(xué)生思維能力發(fā)展的重要基礎(chǔ),也是學(xué)生能夠借鑒并遷移到終身學(xué)習(xí)的重要科學(xué)方法.學(xué)習(xí)的任務(wù)不僅在于獲得知識,更重要的還在于智力的發(fā)展,掌握科學(xué)方法,提高綜合能力.如果說思維能力是物理學(xué)科的關(guān)鍵能力,那么概念的習(xí)得就為這一關(guān)鍵能力的培養(yǎng)提供了條件.
以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)的概念教學(xué),應(yīng)強(qiáng)化物理情境的創(chuàng)設(shè),要有意識地引導(dǎo)學(xué)生自我建構(gòu),凸顯學(xué)生的主體地位.同時(shí),教師應(yīng)尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,從感性認(rèn)識過渡到理性認(rèn)識,從直觀的形象思維發(fā)展為抽象的邏輯思維,以概念為基石,逐步培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).
2.3.1 事實(shí)積累 引入概念
這是物理概念教學(xué)的首要環(huán)節(jié).通過這一環(huán)節(jié),能夠豐富學(xué)生的感性認(rèn)識,積累生動的實(shí)例,同時(shí)激發(fā)學(xué)生已有的隱概念,提取知識儲備,為科學(xué)概念的建立奠定基礎(chǔ).
一般在日常教學(xué)中采用比較多的有兩種方法:一種是引導(dǎo)學(xué)生列舉大量的生活實(shí)例,或者是回顧已有的生活經(jīng)驗(yàn),從典型的生活現(xiàn)象中引入,比如彈力、摩擦力、機(jī)械振動、機(jī)械波等,都可以從大量的實(shí)例中來認(rèn)識這些物理現(xiàn)象,進(jìn)一步歸納出物理概念;又如慣性、動量、浮力、機(jī)械運(yùn)動這些內(nèi)容,在學(xué)生平常跑跳、碰撞、游泳或者乘坐交通工具時(shí),都有切身的感受,這些基于直接經(jīng)驗(yàn)的感性認(rèn)識是學(xué)生認(rèn)知的基礎(chǔ),也可以作為他們思維的起點(diǎn).第二種是運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn),展現(xiàn)真實(shí)的物理情景,幫助學(xué)生形成對日常生活中不常見現(xiàn)象的直觀感受.在電學(xué)、光學(xué)、原子物理等內(nèi)容中有大量的物理概念距離現(xiàn)實(shí)生活較遠(yuǎn),如感應(yīng)起電、電磁感應(yīng)、光的色散、光電效應(yīng)等,教師必須要做好演示實(shí)驗(yàn),才能讓學(xué)生具有概念建立必要的前認(rèn)知,或者通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象幫助學(xué)生形成認(rèn)知沖突,促進(jìn)他們有意義學(xué)習(xí)的生成.在此過程中,教師注意引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考并記錄重要的物理現(xiàn)象,為導(dǎo)入概念埋下伏筆.
當(dāng)然,教師還可以根據(jù)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的知識狀況和新概念特點(diǎn)采取其他的引入方式,比如從物理學(xué)史的角度引入,如自由落體運(yùn)動、萬有引力、電磁波等;或者從已有概念的類比中引入,如磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線等;也可以是從已知規(guī)律的演繹、推理中引入,如動能、動量等.
無論采取什么方法,概念引入的過程必不可少,這是學(xué)生能建立清晰的概念,區(qū)分不同概念的區(qū)別與聯(lián)系的重要基礎(chǔ),也是學(xué)生能通過不斷學(xué)習(xí),經(jīng)過基本事實(shí)的積累升華為物理觀念的物質(zhì)基礎(chǔ).
2.3.2 抽象概括 定義概念
一切概念都要通過詞語來表現(xiàn),定義就是對于一種事物的本質(zhì)特征或一個(gè)概念的內(nèi)涵和外延所作的確切表述.在這一過程中,教師要合理引導(dǎo)學(xué)生正確進(jìn)行科學(xué)抽象,能用自己的語言將模糊的認(rèn)識轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的定義,由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識階段,這是形成概念的關(guān)鍵.
物理學(xué)由于其發(fā)展歷史長,涉及的內(nèi)容廣泛,物理概念的數(shù)量也相當(dāng)多.如果我們能對概念進(jìn)行科學(xué)的分類,針對不同概念可以采用不同的定義方法,對于概念的學(xué)習(xí)便能事半功倍.
我們可以粗略地將高中階段的不同概念劃分為以下4類.
(1)抽象模型概念
物理學(xué)中具有大量物理模型,而這些物理模型是自然界不存在的理想化的抽象模型.所謂抽象模型,就是利用理想化方法,抓住事物的主要特征和性質(zhì),舍去特定條件下無關(guān)緊要的因素而建立的模型.這些抽象模型概念近似地反映了客觀事物的本質(zhì),在研究問題時(shí)可以方便我們抓住主要矛盾,將問題大大簡化.例如質(zhì)點(diǎn)、自由落體、彈簧振子、簡諧運(yùn)動、簡諧波、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)電場、理想氣體、純電阻、盧瑟福原子模型等.
(2)現(xiàn)象描述概念
我們對事物的認(rèn)識總是從觀察開始,觀察是認(rèn)識的基礎(chǔ),許多概念的建立都來自于長期周密、細(xì)致的觀察.不僅在自發(fā)的情況下觀察自然界的物理現(xiàn)象,也根據(jù)研究的目標(biāo),利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)有控制地研究自然規(guī)律.對自然和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察總結(jié)就構(gòu)成了部分物理概念.我們把定性描述物理現(xiàn)象的這類物理概念稱為現(xiàn)象描述概念.這類概念在物理學(xué)中很多,例如慣性、機(jī)械振動、機(jī)械波、電場、波的衍射和干涉、布朗運(yùn)動、光電效應(yīng)等.
(3)導(dǎo)出物理概念
物理學(xué)發(fā)展到近代成為一門高度定量化的學(xué)科,為了構(gòu)建理論體系,往往還需要定義若干概念.這些概念比起前兩類概念來,更為抽象,通常都是由幾個(gè)量組合而成,反映出新定義的導(dǎo)出概念與已知物理概念之間的聯(lián)系.例如,功W=Fxcosθ就是一個(gè)定義概念,在現(xiàn)實(shí)生活中沒有一個(gè)直接的物理現(xiàn)象可與之對應(yīng),類似的定義概念還有很多,如速度、加速度、動能、動量、沖量、功率、電場強(qiáng)度、電勢、電動勢、電阻、電容等.
(4)物理量單位概念
作為物理量單位的物理概念數(shù)量很大,根據(jù)性質(zhì)可分為基本單位和導(dǎo)出單位兩種.在國際單位制中規(guī)定了 7個(gè)基本單位,這7個(gè)基本單位概念的涵義在國際物理學(xué)界有非常明確的規(guī)定.導(dǎo)出單位數(shù)量很大,如力的單位為牛頓,功和能的單位為焦耳,壓強(qiáng)單位為帕斯卡,等等,它們均可依據(jù)該單位的定義由物理公式導(dǎo)出.
如果清楚地知道了概念的種類,那么就可以根據(jù)不同類型概念的特點(diǎn),進(jìn)行概念的定義.有的用語言對主要特征或現(xiàn)象進(jìn)行定性描述,有的是尋找已知的物理概念采用邏輯方法進(jìn)行定量的公式描述.學(xué)生通過自己的觀察、探究、總結(jié)、歸納將概念表述出來,完成了概念從感性到理性、從模糊到科學(xué)的轉(zhuǎn)變.
2.3.3 對比反思 深化概念
在初步建立概念的時(shí)候,學(xué)生的認(rèn)知往往是片面的、碎片化的、淺層的,而且容易遺忘,需要通過進(jìn)一步的理解來深化對概念的認(rèn)識,以使學(xué)生構(gòu)建完整的概念知識體系.
第一,明確概念的內(nèi)涵與外延.物理概念的特點(diǎn)是準(zhǔn)確而抽象的,但是其豐富的含義需要學(xué)生慢慢體會.首先,需要深刻地理解物理概念的內(nèi)涵與外延,將概念與其他概念之間的區(qū)別和聯(lián)系探索清楚.物理概念的內(nèi)涵是該概念所反映的物理事實(shí)的本質(zhì)屬性,而外延是該概念所涉及的一切物理事實(shí)的范圍和條件.例如,對比“標(biāo)量與矢量”的內(nèi)涵與外延:標(biāo)量是只有大小、沒有方向的物理量,在合成法則中只需要將其代數(shù)相加就可以了,如溫度、速率、功、功率、路程、能量等;矢量是既有大小又有方向的物理量,在合成法則中符合平行四邊形法則,例如速度、加速度、力、位移、動量、電場強(qiáng)度等.學(xué)生通過對概念內(nèi)涵與外延的理解,不僅能分清概念之間的聯(lián)系與區(qū)別,還能結(jié)合自己的知識將概念應(yīng)用到具體的實(shí)例中,從而對概念有了感性的認(rèn)識.
第二,要注意概念的進(jìn)階.在課堂教學(xué)中應(yīng)該設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)梯度,考慮前、后學(xué)習(xí)的銜接與拓展,引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地開展學(xué)習(xí).例如,“電流”是電學(xué)中的核心概念,可以將這一概念的理解分為3個(gè)階段.第一階段學(xué)生從電路的角度來認(rèn)識電流的概念,是初中就學(xué)習(xí)過的知識;第二階段則是從導(dǎo)線中的電場與電荷所受電場力的角度來認(rèn)識電流的形成,這是高中階段的要求;第三階段則需要從微觀與宏觀的聯(lián)系來認(rèn)識電流,理解電流的微觀表達(dá)式,這是一個(gè)更高的要求.通過3個(gè)階段的教學(xué)活動,幫助學(xué)生深化對電流概念的理解,經(jīng)歷從形象到抽象,從具體到一般的過程.
第三,要注意概念的延續(xù)與擴(kuò)展.根據(jù)中學(xué)生的思維特點(diǎn)和學(xué)習(xí)能力,物理概念會隨著學(xué)生物理知識的增加以及研究問題的深入而不斷地變化和發(fā)展,即一個(gè)完整物理概念的形成需要有一個(gè)發(fā)展的過程.如“力”這一重要的概念,最初學(xué)生對力的認(rèn)識是“力是物體與物體間的相互作用”,在研究力與運(yùn)動的關(guān)系時(shí),對力的理解變?yōu)椤傲κ鞘刮矬w運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化的原因”或者“力是產(chǎn)生加速度的原因”,學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動定律,更可以將力定量的定義為
F=ma
在學(xué)習(xí)了動量定理之后,也可以將力的定量定義寫為
這樣對“力”這一概念的掌握就達(dá)到了從具體到抽象、從感性到理性、從定性到定量、從簡單到系統(tǒng)的過程,深化對這一重要概念的認(rèn)識,從而建立完整的概念體系.
第四,要注意科學(xué)方法的總結(jié).概念的建立過程涉及的科學(xué)方法很多,對科學(xué)方法的總結(jié)也能深化概念的理解.比如,比值定義法是我們在定量定義導(dǎo)出物理概念時(shí)常用的方法,就是用兩個(gè)或兩個(gè)以上的物理量的比值去定義另外一個(gè)新物理量的方法.我們往往用比值法來定義物質(zhì)或物體屬性特征的物理量,兩個(gè)或多個(gè)物理量的比值是個(gè)定值,屬于性質(zhì)量.初中我們學(xué)習(xí)過密度與電阻,高中我們在電場中用比值法來定義電場強(qiáng)度、電容、電勢,等等.應(yīng)用比值法往往需要一定的條件:一是客觀上需要,二是間接反映特征屬性的兩個(gè)物理量可測,三是兩個(gè)物理量的比值是一個(gè)定值.如果理解了比值法,那么我們在學(xué)習(xí)磁場時(shí)就可以很容易理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義,甚至還能借鑒到重力場的研究.雖然課本上沒有描述,但我們能輕松地定義出重力場強(qiáng)度、重力勢等概念,深入理解對于場這種物質(zhì)進(jìn)行研究的方法,以及辨析場中跟場力與能量相關(guān)的各概念間的區(qū)別和聯(lián)系.同時(shí)理解了比值定義法,那么對于這些概念的定義式與決定式也就能很好地加以區(qū)分了.所以,從科學(xué)方法的角度去深化理解概念,也是一個(gè)重要的方面.