試論物理概念教學(xué)中的過程與方法策略

郭拯

(慈溪市教育局教研室 浙江 慈溪 315300)

物理概念是整個(gè)物理學(xué)知識體系的基礎(chǔ)，“是在大量觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯思維方法，把一些事物本質(zhì)的、共同的特征集中起來加以概括而形成的.”概念教學(xué)是物理教學(xué)的核心內(nèi)容，教學(xué)效果直接決定了學(xué)生對物理知識的認(rèn)知程度，是學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵.在概念教學(xué)中是否真正落實(shí)“過程與方法”，依然是課堂教學(xué)存在的主要問題.

考查概念的形成，“過程與方法”主要包括三方面:第一，在具體的物理情境中獲取必要的感性認(rèn)識；第二，通過復(fù)雜的思維過程理解新事物，再用數(shù)理方法表達(dá)概念；第三，在解釋現(xiàn)象或解決問題中運(yùn)用科學(xué)方法，不斷加深認(rèn)識和理解.學(xué)生形成、理解和掌握物理概念是個(gè)十分復(fù)雜的過程，現(xiàn)以“功”的教學(xué)為例，談?wù)勂渲械慕虒W(xué)策略.

1 情境感知與體驗(yàn)活動(dòng)

情境感知與體驗(yàn)活動(dòng)是物理概念形成的基礎(chǔ).課堂教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)要從為什么引入“功”的物理概念角度展開，讓學(xué)生在分析、探索中意識到引入新概念的必要性，從而進(jìn)一步生成“如何定義新概念”的物理思考.這一環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)包括情境感知、觀察分析與提出問題等幾個(gè)方面.教學(xué)過程中提供的感性材料要有針對性，使學(xué)生的前概念或初始概念逐步向物理概念轉(zhuǎn)化.

(1)情境感知

1)以生活中的實(shí)例逐漸豐富有關(guān)功內(nèi)涵的表述.“在認(rèn)識能量的過程中，人們……那么這個(gè)力一定對物體做了功.”教學(xué)設(shè)計(jì)中，以教材中的幾個(gè)實(shí)例或更加貼近學(xué)生生活的其他實(shí)例(視頻)為載體進(jìn)行概念學(xué)習(xí)的情境感知.

2)情境分析中要把握、提煉三個(gè)要素:

第一，在力的作用下，物體的各種形式的能(如動(dòng)能、勢能)發(fā)生了變化；

第二，物體在力的作用下，在力的方向上移動(dòng)了一段距離，讓學(xué)生體會(huì)做功的過程是力對空間的累積過程；

第三，通過能量變化與做功關(guān)系的普遍性，明確學(xué)習(xí)“功”概念的必要性.

(2)觀察分析

在情境感知基礎(chǔ)上，進(jìn)行物理現(xiàn)象的探討，為功的內(nèi)涵理解作好輔墊.如以某學(xué)生舉啞鈴為例，完成演示情境的四個(gè)層次.

1)人舉著啞鈴靜止不動(dòng)；

2)人舉著啞鈴水平運(yùn)動(dòng)；

3)人將啞鈴從低處舉到高處；

4)啞鈴越重或舉得越高.

讓學(xué)生有目的地觀察、分析人對啞鈴的做功情況.

(3)提出問題

1)以情境感知、觀察分析為基礎(chǔ)，認(rèn)識初始概念“功”的基本內(nèi)涵.思考下列問題：第一，做功的過程需要什么條件？做功跟哪些因素有關(guān)？第二，如何定義功？如何正確理解功的初始定義式？以簡潔的板畫圖示，描述上述過程，明確做功的幾個(gè)要素.

2)回顧復(fù)習(xí)初中物理教材中關(guān)于功的概念.結(jié)合上述舉啞鈴問題，建立圖1與圖2情境，分析幾種特殊情況下力做功的表達(dá)形式.在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生舉例說明生活中相關(guān)事例，體會(huì)機(jī)械功的兩個(gè)必要因素和初始定義.

圖1

圖2

3)進(jìn)一步辨識功的初始概念，深化功能關(guān)系.如，在人舉著啞鈴穩(wěn)定后的3 s時(shí)間內(nèi)，盡管學(xué)生認(rèn)為不做功，但還是心存疑惑.“不是說物體在力的作用下能量發(fā)生了變化，那么這個(gè)力一定對物體做了功嗎？難道該同學(xué)在這3 s內(nèi)沒有消耗更多的能量嗎？如果說消耗了更多的能量，怎么能說人對啞鈴沒有做功呢？”質(zhì)疑目的在于讓學(xué)生進(jìn)一步明確研究對象，并從能的角度理解力做功的含義.

再如，如果人舉著啞鈴，將啞鈴從高處移到低處，人對啞鈴的作用力對啞鈴做功嗎？問題設(shè)計(jì)的目的在于為負(fù)功的理解埋下伏筆，留下懸念.

情境感知與體驗(yàn)活動(dòng)的目的在于還原概念形成的基礎(chǔ)，“讓學(xué)生站在問題開始的地方，面對原始的問題”，沿著前人思維活動(dòng)的足跡重演知識的產(chǎn)生與發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)、體驗(yàn)、掌握形成概念的方法，從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識.

2 概念形成的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是物理概念形成的關(guān)鍵，是依賴于知識邏輯序列和學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的科學(xué)抽象過程.這一環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)包括內(nèi)涵表述;物理意義與數(shù)學(xué)表征和與原有知識結(jié)構(gòu)的整合、拓展等幾個(gè)方面，讓學(xué)生在新的學(xué)習(xí)過程中，不同程度地提升、更改或重組頭腦中的已有概念，從而構(gòu)建內(nèi)在的知識結(jié)構(gòu).

(1)內(nèi)涵表述

“功”概念的建立是以已有知識為基礎(chǔ)，運(yùn)用邏輯和數(shù)學(xué)的方法，經(jīng)分析、綜合、再抽象建立起來的，實(shí)驗(yàn)觀察并沒有直接作用，它建立的重點(diǎn)是邏輯方法和數(shù)學(xué)方法.所以“功”內(nèi)涵建立的教學(xué)可做如下設(shè)計(jì).

1)理解初中關(guān)于功的表述形式，W=Fl.重點(diǎn)說明l的含義，從物體走過的距離過渡到物體的位移，明確F與l的物理意義.

2)實(shí)驗(yàn)演示.用細(xì)線斜向上拉小車，使小車在軌道上運(yùn)動(dòng)，建立如圖3所示的情境.研究在一般情況下，力F與位移l之間夾角為α?xí)r，力F所做的功.

圖3

3)組織學(xué)生討論，提出解決的思路和方法——力的分解方案或位移分解方案，并放手讓學(xué)生進(jìn)行推理，進(jìn)而得出W=Flcosα.

(2)物理意義與數(shù)學(xué)表征

功的定義式和計(jì)算公式都是用數(shù)學(xué)公式W=Flcosα來表示，將數(shù)學(xué)和物理結(jié)合起來解決問題是理解功內(nèi)涵的關(guān)鍵.

圖4

1)探討W=Flcosα數(shù)理內(nèi)涵.以某一具體事例，如教材中的兩幅卡通圖(圖4)中，探討力F與位移l的夾角α不同時(shí)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)在什么情況下是正功，什么情況下是負(fù)功.這樣，既熟悉了功的公式又能分析“做功的正負(fù)”，而不是僅僅停留于對物理公式的數(shù)學(xué)討論.

2)引導(dǎo)學(xué)生做小結(jié)，使學(xué)生理解在什么情況下力F做的功最大，什么情況下不做功.將特殊情況下的結(jié)論納入一般情況的結(jié)論，使學(xué)生構(gòu)建一個(gè)良好的知識結(jié)構(gòu).

(3)與原有知識結(jié)構(gòu)的整合和拓展

功的知識結(jié)構(gòu)包括功率、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律、功能關(guān)系等.在教學(xué)中應(yīng)將功的性質(zhì)的教學(xué)置于其知識結(jié)構(gòu)中，根據(jù)學(xué)生的理解和教材的逐步深入，一一展開.

1)“功是標(biāo)量還是矢量”問題探討.功的屬性是該節(jié)教學(xué)的難點(diǎn)，也是學(xué)生正確認(rèn)識功能關(guān)系的關(guān)鍵.教學(xué)設(shè)計(jì)中突破該難點(diǎn)采用的方法是先引導(dǎo)學(xué)生思考與討論；然后根據(jù)學(xué)生的回答因勢利導(dǎo)，用歸謬法引申論證；最后運(yùn)用實(shí)證加以內(nèi)化鞏固.

如：學(xué)生的回答是矢量.

師：你認(rèn)為功的方向由什么決定？

生：由力的方向決定.

師：如果我規(guī)定力的方向?yàn)檎较颍Φ姆较蛞矐?yīng)為正方向，表現(xiàn)為“正值”，是不是？

……

師生共同分析圖5情境，根據(jù)功的計(jì)算公式，可分析得出功為負(fù)值，因此產(chǎn)生疑惑，形成矛盾.此時(shí)再設(shè)計(jì)問題，提示學(xué)生回到功的原始定義，從能的變化上認(rèn)識功的屬性.

圖5

2)功的正負(fù)含義探討，整合與之相關(guān)的物理含義.師生的討論從功的“+、-”符號的出處切入展開討論，然后建立實(shí)驗(yàn)演示情境：

(a)在氣墊導(dǎo)軌上，小車在拉力的作用下，運(yùn)動(dòng)得越來越快；

(b)在氣墊導(dǎo)軌上，小車在與速度反方向拉力的作用下，運(yùn)動(dòng)得越來越慢.

分析“力F與位移l方向的夾角α的不同，將對物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生怎樣的不同效果”.揭示拉力對小車所做功及產(chǎn)生的不同運(yùn)動(dòng)效果.

“功的正負(fù)”在公式表面上看是源于夾角的不同，由于夾角的不同，力對物體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的效果，即阻礙或促進(jìn)物體的運(yùn)動(dòng).功的正負(fù)說明的是力做功性質(zhì)的不同，表示能量轉(zhuǎn)化的方向，并不是代表所謂的“功的方向”.

整合學(xué)生以前所學(xué)物理量中相關(guān)標(biāo)量的知識，如熱量的正負(fù)、電荷的正負(fù)等都表示性質(zhì)，又如高度、溫度等表示相對大小問題.

3)合力做功的問題.教材采用了直訴的方法(略)，通過“做一做”讓學(xué)生進(jìn)行證明.教學(xué)中若直接按此方案，缺乏讓學(xué)生感悟知識的形成過程.所以，可以在教學(xué)設(shè)計(jì)中以某一具體事例，在應(yīng)用功的公式解決問題中，發(fā)現(xiàn)、感悟、提煉出求總功的方法.

圖6

例如，圖6情境中，在一個(gè)傾角為α的斜面滑梯上有一質(zhì)量為m的小孩，恰好能沿斜面勻速下滑，已知小孩在斜面上下滑了l.

(a)分別求出小孩所受的重力、支持力、摩擦力做的功.

(b)小孩受到的合力多大，合力做的功是多少?

讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)在一個(gè)過程中“合力所做的功與各個(gè)力所做的功的關(guān)系”，并點(diǎn)明在功的計(jì)算公式的推理中，其實(shí)已隱含了這一思想，并進(jìn)一步說明功是“標(biāo)量”.

4)變力做功的問題.對于W=Flcosα，僅適用于大小和方向均不變的恒力做功，建議此點(diǎn)可留待以后的學(xué)習(xí)中逐步加深.教學(xué)的設(shè)計(jì)，以一個(gè)具體實(shí)例為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)埋下伏筆，如“壓縮的彈簧將物體彈出，如何研究該過程中彈力所做的功呢？”

概念的數(shù)理邏輯結(jié)構(gòu)建立是一個(gè)不斷螺旋上升的過程.教學(xué)過程應(yīng)以學(xué)生原有的知識結(jié)構(gòu)作為新知識的“生長點(diǎn)”，將所要學(xué)習(xí)的知識“生長”到學(xué)生已有的認(rèn)識上.在生成顯性概念知識的同時(shí)，也生成了隱性的思維方法.

3 概念教學(xué)的科學(xué)方法

一個(gè)物理概念或物理規(guī)律形成的同時(shí)，必然存在著與之相對應(yīng)的科學(xué)方法的形成.在教材中，或現(xiàn)顯性，或存隱性，但更多的是隱性地存在于教學(xué)內(nèi)容的邏輯結(jié)構(gòu)中.所以，疏理、把握概念教學(xué)的科學(xué)方法就涉及到“教材邏輯解構(gòu)、概念形成的科學(xué)方法和教學(xué)邏輯中的科學(xué)方法生成”等幾個(gè)層面.

(1)教材邏輯解構(gòu)

功概念建立的情境感知，沿著初中物理的思路，在對大量機(jī)械工作實(shí)例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分析和綜合方法，具體到一般的科學(xué)思維方法，在能量變化的知識背景中，分析能量變化的原因，從而抽象出功的定義.

(2)概念形成的科學(xué)方法

從功的初始定義到數(shù)理邏輯結(jié)構(gòu)的建立，教學(xué)的情節(jié)經(jīng)歷了由特殊到一般的探究思路.先分析力與位移同方向，再逐步深入到力與位移成某一角度時(shí)的做功探究，其中涉及到兩種矢量分解方法的運(yùn)用.探討“功的屬性”和“合力做功的求解”時(shí)，將特殊的情況又納入一般情境中.在計(jì)算式的討論中充分運(yùn)用了數(shù)學(xué)方法；在功的性質(zhì)探討時(shí)運(yùn)用了歸謬法；在變力做功的研究中，將會(huì)用到“微元法”和“化曲為直”等方法.

(3)教學(xué)邏輯中科學(xué)方法的生成

教學(xué)邏輯中的科學(xué)方法的生成要適合教學(xué)邏輯的發(fā)展.如功的兩個(gè)要素是“力和在力的方向上發(fā)生的位移”，即將位移在力的方向進(jìn)行分解.而教材在后面定義“功”的過程中，卻是用力的分解方法，讓人覺得前后似乎不一致.所以，從這一教材邏輯結(jié)構(gòu)的解構(gòu)，要意識到“位移分解方案”建立在初始概念的基礎(chǔ)上.運(yùn)用“力的分解方案”推證做功的一般式，隱含在其中的是“功是標(biāo)量”這一屬性，即“分力做功的代數(shù)和等于合力所做的功”這一重要思路.

又如，教材引入的“功”的概念并沒有很好體現(xiàn)“功是力對空間累積效應(yīng)”這一思想，這樣也就很難說明“功為什么是力與力方向上的位移的乘積”.所以，對做功的過程性分析要逐步滲透，如全過程力所做的功是各分過程所做功的和，乃至于當(dāng)位移趨于極小時(shí)，等于各微元功之和，教學(xué)中要理清概念內(nèi)在的邏輯本質(zhì).

“科學(xué)認(rèn)識的主要成果就是形成和發(fā)展概念”，教學(xué)設(shè)計(jì)要站在科學(xué)方法的高度設(shè)計(jì)教學(xué)的“過程與方法”，使學(xué)生在逐步理解中掌握這些科學(xué)方法.教師對此不僅應(yīng)有自主的分析與設(shè)計(jì)意識，并要以此為綱，引領(lǐng)教學(xué)情節(jié)的逐步深入，從而達(dá)到在建立新概念的過程中，將科學(xué)方法內(nèi)化為學(xué)生的思維方式和行為方式，使“過程與方法”這一維度的目標(biāo)真正落實(shí).