例談高中物理概念生成的有效路徑

2021-09-16 07:15周權(quán)

物理教師 2021年8期

周權(quán)

(南京市第一中學(xué),江蘇南京 210001)

物理概念是反映物理現(xiàn)象和物理過程本質(zhì)屬性的一種思維方式.它是在大量觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用邏輯的思維方法,把物理學(xué)研究對象的共同特征集中加以概括形成的,具有高度的概括性和抽象性．物理概念是物理知識的重要組成部分,是構(gòu)成物理定律、建構(gòu)物理模型、形成物理觀念的重要基礎(chǔ)．物理教學(xué)的首要任務(wù)就是要通過各種路徑,幫助學(xué)生生成清晰而準(zhǔn)確的物理概念．

物理概念教學(xué)是物理教學(xué)的難點(diǎn)之一．實(shí)際的物理教學(xué)中,教師們往往過于強(qiáng)調(diào)物理概念的知識本位,忽視學(xué)生的感性認(rèn)識和情感體驗(yàn),壓縮物理概念的生成過程．長此以往,學(xué)生對建立物理概念的過程缺乏經(jīng)歷,對建立物理概念的事實(shí)依據(jù)缺乏認(rèn)識,對形成物理概念的研究方法缺乏理解,對物理概念的掌握僅僅停留在被動接受的機(jī)械層面上,并沒有真正理解物理概念的實(shí)質(zhì)．因此,在物理概念教學(xué)中,必須通過設(shè)置直觀具體的情境,豐富學(xué)生對物理概念生成過程的體驗(yàn),促使學(xué)生形成對物理概念的主觀性理解和判斷,從而實(shí)現(xiàn)物理概念的科學(xué)建構(gòu),真正理解物理概念的內(nèi)涵和外延．為此,筆者作了一些有效探索,以期能對教師們的教學(xué)有所幫助．

1 引發(fā)認(rèn)知沖突,使物理概念生成建構(gòu)化

學(xué)生總是試圖以原有的圖式來同化新的物理概念,當(dāng)新概念不能被已有知識經(jīng)驗(yàn)同化時(shí)會產(chǎn)生心理落差,此前低層次的平衡會被打破,在不斷地沖突中建構(gòu)新的概念和圖式,在順應(yīng)中達(dá)到新的平衡與發(fā)展．物理概念教學(xué)中,教師要了解學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu),在最近發(fā)展區(qū)內(nèi)設(shè)置活動和問題,引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,在充分體驗(yàn)和辯析的基礎(chǔ)上自然生成物理概念．常用引發(fā)認(rèn)知沖突的策略有鏈接前概念、利用生活中的素材、通過演示實(shí)驗(yàn)、借助直觀手段、開發(fā)拓展實(shí)驗(yàn)等．例如“圓周運(yùn)動”是高中物理教學(xué)中典型的概念課,本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)是線速度和角速度兩大概念的建立,筆者設(shè)計(jì)以下活動分兩步來突破難點(diǎn)．

第1步:設(shè)置沖突,比較快慢．(1) 在利用飛機(jī)轉(zhuǎn)椅、過山車、海盜船等視頻引出圓周運(yùn)動的概念后,自然設(shè)問:既然是運(yùn)動就有快慢之分,圓周運(yùn)動的快慢如何描述呢?(2) 打開如圖1所示的視頻,播放視頻前先作簡單介紹:A(女生,身高不足160 cm)、B(男生,身高192 cm)兩位學(xué)生推著竹竿以O(shè)為圓心做圓周運(yùn)動,提醒學(xué)生觀察A和B誰運(yùn)動得快,接著播放視頻(由于視頻中的學(xué)生均是本班同學(xué),課堂氣氛瞬間活躍了起來,大家都積極參與討論)．(3) 經(jīng)過初步討論,形成兩種觀點(diǎn):一種認(rèn)為相同時(shí)間內(nèi)B跑的路多,所以B跑得快;另一種認(rèn)為相同時(shí)間A和B轉(zhuǎn)過角度相同,所以他們轉(zhuǎn)得一樣快．

圖1

第2步:再造沖突,生成概念．(1) 這兩種觀點(diǎn)貌似都有道理,你覺得是否矛盾?學(xué)生再次討論后發(fā)表觀點(diǎn):如果從弧線上運(yùn)動的角度看是B快,從繞圓心轉(zhuǎn)動的角度看是一樣快,兩個觀點(diǎn)都是正確的．(2) 筆者再問:那在直線運(yùn)動中我們是從什么角度描述運(yùn)動快慢的?學(xué)生回答:是從沿弧線運(yùn)動的角度描述的,那時(shí)候不涉及到轉(zhuǎn)動．(3) 筆者再做總結(jié):如果以后再研究一種未知的運(yùn)動,它又具有某些新的特征,這時(shí)或許還要從其他角度來描述這種運(yùn)動．今天我們就分別從這兩個角度來描述圓周運(yùn)動的快慢．至此,在筆者設(shè)置的認(rèn)知沖突中,學(xué)生在兩次辨析和討論的基礎(chǔ)上自然生成線速度與角速度兩大核心概念．

2 借助多媒體,使物理概念生成可視化

多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展與普及,深刻變革著教師的教學(xué)方式,也深刻影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)方式．現(xiàn)有多媒體環(huán)境下通?？梢越佑|到的信息資源有:各式媒體(如視覺媒體、聽覺媒體等)、各式軟件(如文字處理軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、圖形處理軟件、音視頻軟件、仿真教學(xué)軟件、傳感器軟件、手機(jī)APP等)、各種交互式課件資源(如PPT、動畫軟件、幾何畫板等)．感覺媒體可以給學(xué)生提供豐富的感性認(rèn)識,數(shù)據(jù)處理軟件可以節(jié)約數(shù)據(jù)采集與分析的時(shí)間,圖形和動畫軟件有助于學(xué)生動態(tài)認(rèn)識物理概念和規(guī)律．教學(xué)中,教師要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用．

例如，在喚醒學(xué)生初中物理中“功率”的記憶后,筆者設(shè)置如下問題:質(zhì)量為1 kg的小球做自由落體運(yùn)動,2 s內(nèi)重力做功的功率為________W,第1個1 s內(nèi)重力做功的功率為________W,第2個1 s內(nèi)重力做功的功率又為________W．

學(xué)生經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)2 s內(nèi)、第1個1 s內(nèi)、第2個1 s內(nèi)重力做功的功率不相等,在此基礎(chǔ)上筆者設(shè)問:為什么后一個1 s內(nèi)重力做功的功率大?學(xué)生回答:因?yàn)楹笠粋€1 s內(nèi)重力做功多．筆者追問:依此類推,若再將第2個1 s進(jìn)行細(xì)分,后0.5 s內(nèi)重力做功的功率應(yīng)該更大,若再細(xì)分下去呢?再借助如表1所示的計(jì)算機(jī)中的EXCEL表格來進(jìn)行計(jì)算,驗(yàn)證猜想．此時(shí)筆者再問:你還能從表格中發(fā)現(xiàn)什么?學(xué)生回答:越接近2 s這一時(shí)刻,功率越接近200 W．接著筆者再問:那2 s時(shí)刻的功率是多少?學(xué)生回答:應(yīng)該是200 W．筆者再做總結(jié):在2 s時(shí)刻前后極短時(shí)間內(nèi)的功率約為200 W,它可以反映在2 s時(shí)刻重力做功的瞬時(shí)快慢,我們把這個功率叫做瞬時(shí)功率．至此,在多媒體的輔助計(jì)算下,瞬時(shí)功率這一核心概念在可視化中生成．利用類似的方法還可以建構(gòu)“瞬時(shí)速度”這一核心概念,也可以探究“勻變速直線運(yùn)動位移與時(shí)間的關(guān)系”及“開普勒第三定律”等物理規(guī)律．

表1

續(xù)表

3 化抽象為形象,使物理概念生成具體化

每一個物理概念都是從大量的物理現(xiàn)象和過程中抽象出來的, 是反映事物共同特征和本質(zhì)屬性的“濃縮世界”．介于物理概念高度的概括性和抽象性,教師應(yīng)該用形象而具體的實(shí)例,將教科書中濃縮了的一個個“物理小世界”充分地解構(gòu)出來,幫助學(xué)生生成物理概念．

例如“電勢”是靜電場中的重要概念,也是整個高中物理中最抽象的概念之一．如圖2所示,人教版物理教科書選修3-1首先提出要用比值定義法研究某一點(diǎn)電荷在電場中的電勢能與電荷量的比值,然后假設(shè)將一電荷量為q的點(diǎn)電荷置于A點(diǎn),設(shè)O點(diǎn)為零電勢能點(diǎn),則WpA=qE場lcosθ,可以求得WpA/q=E場lcosθ,因E場、l和θ3個量都與電場本身及電場中的位置有關(guān),所以這個比值是由電場中該點(diǎn)的性質(zhì)決定,與試探電荷無關(guān),由此引入電勢．筆者通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)如果按上述方式引入電勢,學(xué)生不僅學(xué)得費(fèi)勁,而且往往不能深刻理解“電勢”這一概念．

圖2

為此,筆者將教科書中公式化的推導(dǎo)過程,轉(zhuǎn)化為如圖3和表2所示的具體實(shí)例,在給學(xué)生充足時(shí)間計(jì)算的基礎(chǔ)上,學(xué)生會發(fā)現(xiàn):無論是正電荷還是負(fù)電荷,在同一點(diǎn)上電勢能Wp和電荷量q的比值都相同;即使是同一電荷,在不同點(diǎn)上電勢能Wp和電荷量q的比值也不同．此時(shí)筆者再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比:這個比值跟我們前面討論過的哪個物理量很類似?學(xué)生回答:電場強(qiáng)度．筆者再進(jìn)行設(shè)問:那這個比值有何意義?學(xué)生回答:知道了這個比值,就可以知道一個點(diǎn)電荷q在該點(diǎn)具有多少電勢能．至此,電勢的概念呼之欲出,此時(shí)筆者才進(jìn)行總結(jié):電場中某一點(diǎn)電荷在電場中的電勢能與電荷量的比值,與試探電荷本身無關(guān),是由電場中這點(diǎn)的性質(zhì)決定的,物理學(xué)中將這個比值稱為電勢,用U表示．

圖3

表2

4 精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),使物理概念生成具身化

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)和觀測為基礎(chǔ)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)不僅是物理教學(xué)的重要手段,也是中學(xué)物理教學(xué)的有機(jī)組成部分．具身認(rèn)知理論認(rèn)為人的身體參與了認(rèn)知,意義和符號源于身體,抽象的意義有著身體“感覺—運(yùn)動系統(tǒng)”的基礎(chǔ)．而物理實(shí)驗(yàn)可以豐富學(xué)生的感性認(rèn)識,使學(xué)生的身體參與到物理概念的建構(gòu)中去,在具身化的體驗(yàn)和思維活動中生成物理概念．對于電容、電勢能、互感、自感、交流電、感抗、容抗、渦流等許多重要而抽象的物理概念來說,物理實(shí)驗(yàn)是生成概念的有效路徑．

例如在對“電容器”這一概念進(jìn)行教學(xué)時(shí),筆者會先制作一個如圖4所示的萊頓瓶,讓瓶子先帶上電荷,再以物理學(xué)史為背景(1748年,法國物理學(xué)家諾萊特將200多位修道士手拉手串在一起)將5～8位學(xué)生手拉手串接在一起,再讓兩邊的學(xué)生分別用手觸摸瓶子的外壁和瓶蓋頂端的小球,這一排學(xué)生瞬間被電得“跳了起來”,課堂氣氛一下子就活躍了起來．有了這樣的具身體驗(yàn),再打開瓶子介紹電容器的概念,給學(xué)生留下了深刻的印象．每次下課后,都有更多學(xué)生興致勃勃地來體驗(yàn)“觸電”的感覺,筆者以為這就是“具身”的魅力．

圖4

在做完電容器的充放電實(shí)驗(yàn)后,筆者又提問“電容器極板電荷量與板間電壓有何關(guān)系”,通過如圖5所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn):當(dāng)電容器甲充好電后斷開開關(guān),用數(shù)字式電壓表測甲的電壓,再用一個相同規(guī)格的電容器乙并聯(lián)到甲兩端后再移開,可以發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)減半．將乙上的電荷放掉,重復(fù)前面的操作,可以發(fā)現(xiàn)每一次電壓表的示數(shù)都變?yōu)樵瓉淼囊话?由此可以得出:對于同一電容器,極板電荷量與板間電壓成正比．再用如圖6所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn):當(dāng)雙刀雙擲開關(guān)撥向上,用同一電源對兩個不同規(guī)格的電容器(C1=4700 μF、C2=1000 μF)同時(shí)充電,再將雙刀雙擲開關(guān)撥向下,對兩個相同規(guī)格的小燈泡放電,可以發(fā)現(xiàn)L1和L2都閃亮一下,但L1明顯比L2更亮．由此可以得出:對于不同的電容器,即使極板間電壓一樣,電容器極板上儲存的電荷量也會不同．綜合以上的實(shí)驗(yàn)和分析,電容的概念呼之欲出．

圖5

圖6

5 類比已有概念,使物理概念生成系統(tǒng)化

隨著學(xué)生物理學(xué)習(xí)的深入,建構(gòu)的物理概念也越來越多,這些物理概念之間往往存在很強(qiáng)的相似性和關(guān)聯(lián)性．因此,教師要從概念的內(nèi)涵與外延、概念生成的路徑、概念建構(gòu)的邏輯等方面,充分對比已有概念和新概念之間的相似程度和關(guān)聯(lián)程度,使學(xué)生在類比學(xué)習(xí)中系統(tǒng)化地生成物理概念．高中物理教學(xué)中常把電流類比水流和車流,電壓類比水壓,電源類比抽水機(jī),電容器類比水容器,靜電場類比重力場,彈性勢能、電勢能、分子勢能類比重力勢能,分子類比小球等,此時(shí)可以借助已有概念來生成和學(xué)習(xí)新概念．

例如在進(jìn)行“磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)時(shí),可以采取以下途徑: (1) 通過例舉巨型電磁鐵和小磁針,說明磁場有強(qiáng)弱．(2) 提出問題:之前我們是如何研究電場強(qiáng)弱的?學(xué)生回答:放入點(diǎn)電荷,研究點(diǎn)電荷的受力與電荷量的比值．繼續(xù)追問:如何研究磁場中某點(diǎn)磁性的強(qiáng)弱?此時(shí)在PPT上呈現(xiàn)如圖7所示的框圖,引起學(xué)生思考．對第一個問題的回答,學(xué)生有“磁荷”、“檢驗(yàn)磁荷”、“小磁針”等答案,筆者以為先要充分肯定學(xué)生的這些答案,然后再引導(dǎo)學(xué)生將這些答案一一排除,結(jié)合初中物理中學(xué)過的“通電導(dǎo)體在磁場中受力”的知識,建立“電流元”的概念．(3) 結(jié)合圖8先引導(dǎo)學(xué)生思考:若一電流元放在磁場中,受到的力為F,將它的長度變?yōu)樵瓉淼?倍,受到的力為多大?若將它的電流增大為原來的2倍(即將兩個一樣的電流元捆綁在一起),受到的力又為多大?由此初步得出結(jié)論:將電流元垂直放在磁場中時(shí),F∝IL．(4) 再通過實(shí)驗(yàn)定量探討F/IL,發(fā)現(xiàn)在磁場中的同一位置F/IL是個定值,在磁場中的不同位置F/IL一般是不同的．至此,學(xué)生在與“電場強(qiáng)度”的類比中生成“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這一概念,也對用比值定義法建立物理概念有了更深刻的認(rèn)識,也有助學(xué)生將電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度兩個概念系統(tǒng)化．

圖7

圖8