關于物理概念教學的討論

袁 芳

（上海市虹口區教師進修學院 上海 200081）

二期課改的理念是“以人為本”，上海市物理課程標準的課程目標是：落實雙基（基礎知識和基本技能），滲透科學思想和方法，培育正確的情感態度與價值觀，逐步具備科學素養.物理學科是自然科學中最精密、嚴謹的科學，以概念和規律為基石，以方法和思想為主線，研究、追尋客觀世界的規律，并創建理論對未來世界做出前瞻性的預測.

高中物理知識中絕大部分是300年前人類總結的經驗，是建立在生活基礎上的提煉和歸納.現今世界的迅速變化，知識的更新換代之快讓學習中的一些應有的體驗在生活中已不復存在.互聯網時代的到來使虛擬更多地取代了真實生活，學生的學習呈現碎片化、短閱讀、淺層次理解.而物理教學的要求并沒有降低，一些學生認為物理學科很難、懼怕物理學習，教師認為學生學習失敗的主要原因在于概念不清.究其根本，是教師的教沒有真正建立在學生的學的基礎上，沒有根據時代變化、學情變化相應的做出教學調整.重視訓練，輕視導入；重視結論，輕視過程，對概念的教學也出現了短平快的現象，再加上學生的學習主動性、體驗性不足，教與學之間的鴻溝被加大，教學效益低下就顯現出來.

通過教學和聽課實踐，我們體會到：對于概念教學，如在以下幾個方面加深認識，加以實踐是可以提高教學效益的.

1 概念教學的重要性

物理概念是物理基礎知識的重要組成部分，而且也是構成物理規律，建立物理理論的基礎和前提.例如，在運動學中，物體的位移、速度、加速度是貫穿運動學的基本概念，它們富有張力的內在聯系構成了運動學基本規律，三者特有的定義關系揭示了深刻的內涵.

正確地理解物理概念是學好物理學的基礎［1］.例如，力和能量的概念是貫穿中學物理的一條主線.掌握力的概念對于理解牛頓運動定律至關重要，也滲透于電學、磁學中；理解能的概念對于高屋建瓴地認識物理世界是不可或缺的，也是學生思維能力遞進的表現.

所以，物理概念是物理中最重要的基礎.如果把物理定律比作構成宏偉、壯麗的物理學大廈的支柱，那么物理概念便是構成物理學大廈的磚瓦基石.概念清晰，物理問題常常可以迎刃而解，所謂的物理題目中大部分就是為了考察概念掌握運用的情況.物理教學的本質在于幫助學生構建物理世界，從而對客觀世界有更深刻的理性認識.要實現這一目標，首先要幫助學生建立起正確的物理概念.

2 認識物理概念

2.1 內涵與外延

物理概念是客觀事物的物理本質屬性在人們頭腦中的反映.物理概念是在大量觀察、實驗基礎上，運用邏輯思維的方法，把事物本質的、共同的特征集中起來加以概括而形成的.物理概念是人們進行物理思維的基礎.物理學的原理、定理、定律或規律，都是用有關的物理概念總結出來的，任何一個物理概念都有它明確的內涵和外延.一切概念都要通過詞語來表現，定義是對概念內涵（物理意義）的揭示，條件是對概念外延（適用范圍）的限制.

物理概念的內涵指的是該概念所反映的物理事物的本質屬性.如力的概念的內涵是“物體間的相互作用”.這些概念已經撇開了一個個具體的運動形態或具體的相互作用形式，概括出了同類物理事件所具有的本質屬性.物理概念的外延指的是該概念所涉及的一切事物的范圍和條件.如，機械運動概念的外延反映的是具有“物體間相對位置發生變化”這一本質屬性的各種運動形態，如勻速直線運動、變速直線運動、曲線運動等.概念既有“所謂”又有“所指”.所謂就是指概念的內涵，即此事物區別于彼事物的特有屬性.所指就是概念的外延.就是指：在客觀世界中具有內涵反映的特殊屬性的每一個對象，是對概念對象的指稱范圍，其具有模糊性和可變性的特點.

2.2 物理概念的特點

物理概念是觀察、實驗與科學思維的產物.物理學的特點決定了物理概念是在觀察、實驗基礎上，運用科學思維的方法，排除片面的、偶然的、非本質的聯系，抓住一類物理現象共同的本質的屬性，并加以抽象和概括而形成的.在物理概念的形成過程中，感覺、知覺、表象是基礎，科學思維是關鍵.因此在教學中，概念形成過程要充分利用學生的感覺、知覺，激發思維活動.通過各種途徑豐富學生的感性認識是建立正確概念的基礎；要注意幫助學生進行科學的抽象.

物理概念是在科學實踐中逐步形成和發展起來的.例如，現代關于原子概念的內涵與古代相比，已經有了很大的差別.現代科學技術提供了先進的實驗手段，實驗事實充分說明了原子是可分的、可變的.隨著科學技術的進一步發展，現在人們已深入到原子核內部進行研究，從而使原子概念的內涵和外延不斷地發展變化.如醫學上的MRI（核磁共振）就是利用人體內所含質子在磁場中發生的核磁共振現象，收集信號，再通過空間編碼技術構成圖像，供醫生來做診斷，直接反映人體內水分子中質子的周圍環境狀態和分子結構中的位置，這就提供了分子水平上的生化病理狀態和信息.

這種完善和發展的特點給予我們教學的啟示是：巧妙地把物理學史、科學思想的教育滲透在概念教學中，培養正確的情感、態度、價值觀.此外闡明概念發展的路徑，也是加深學生概念理解的方法之一.

物理概念具有量的含義，可以和數學、測量聯系起來.自從伽利略開創了把物理實驗同數學方法相結合的研究途徑以后，物理學就迅速發展為一門“精密的定量科學”.反映在物理概念上即為大多數物理概念都是定量的，可以用數學形式來表述.如，速度、加速度、電場強度、電流…… 如，“物體平衡”概念，其定量含義是：如果研究對象是質點，則意味著質點的加速度等于零，即a＝0.從而其平衡的條件為合外力等于零，即ΣF＝0.如果研究對象是有固定轉動軸的物體，則它表示該物體的角加速度等于零，即β＝0，從而其合力矩等于零，即ΣM ＝0.物理概念離不開數學和測量，為人們理解和掌握物理概念提供了一條有效的學習途徑，即在著重講清楚物理概念的物理意義的同時，注意培養學生運用數學方法解決物理問題的能力，以及從測量的途徑去學習和掌握一些物理概念.

3 物理概念教學的建議

針對概念教學的重要性及對物理概念應有的認識，遵循概念獲得的特定邏輯過程，我們在概念教學中應有這樣的4步要求.

3.1 引入

物理概念是從客觀世界抽象出來的，其認知基礎是對概念描述的本質或現象有感性認識，因此概念的引入從創設物理情境開始是非常有必要的，認識其深刻的背景和事實依據，為學生建立現實世界和物理世界的橋梁.

3.1.1 充分利用學生的元認知

比如講授功，從初中學過的功入手，強調高中定義的要求更加嚴謹，引入位移描述；甚至提及大學里更普遍的表述：功是力在空間上的累積效應，對路徑的積分.又如講解力矩，從初中學過的杠桿平衡入手，引出力矩這個物理量.

3.1.2 多種方式情景引入比如單擺就從伽利略發現擺的等時性講起，課的開頭是“一個月黑風高之夜……”往往引起學生的高度關注和笑聲.播放極具沖擊效應的視頻也是常用方法，比如某人拉出直徑達2 m 多的肥皂泡的視頻，引出薄膜干涉…….還可以把生活現象作為困惑向學生展示，比如：電梯里的汽車廣告圖片標題—— 百公里加速只需要1.2s，這句話是什么意思呢？引起學生好奇繼而引入加速度概念.或者以小實驗來引入，比如公布教師自己手機號，然后將手機置于金屬包裝袋，讓某個學生撥打，報告同學們聽到的回復，引出電磁波屏蔽的概念.

3.2 建立

物理概念的建立是對表象進行概括，在感性材料的基礎上，引導學生用抽象思維方法進行思考，用物理術語進行表述.

物理概念的建立包含感知和思維加工，由學生獨自完成，雖然可能不精準，但是建構的過程才能讓他們印象深刻.歸納法和類比法是比較常見的辦法.比如平拋概念引入時，從拋體開始講，從自由落體、上拋、下拋，再問水平拋出是什么？特點和條件？如果速度傾斜拋出呢？讓學生歸納共性和特點.類比法在建立一些抽象概念上比較有優勢，比如重力場和電場的類比，其實可以把場強、勢和能的概念都作類比，建立一個表格，從而方便學生理解靜電場的力和能的概念.把電動勢的作用和抽水機類比，把電場強度和磁感應強度的定義作類比.這樣的類比使學生很快把新知識理解、內化，納入自己的知識體系.

3.3 剖析

要讓學生對概念有深入理解，而不是前講后忘記，就要讓他真正的理解.只有全方位地認識概念的內涵和外延，深入剖析才能掌握物理概念.剖析方法主要是以下幾類：闡釋、舉例、辨析、比較.

3.3.1 闡釋

對概念的特征進行闡釋，可以凸顯概念的特殊性質，有些概念呈現過程特征，有些反映固有特征，有些只有統計效應.例如對電場強度的闡釋：反映場源電荷在某處激發的電場強弱，該處電場強度不隨放入其中的電荷而改變，場源電荷確定，其空間電場分布就確定了，電場強度是空間電場的固有特征.又如：溫度是分子平均動能的標志，是統計規律.溫度升高只是所有分子的平均動能增大，并不意味著每個分子的動能增加.

3.3.2 舉例

舉例要遵循這樣的原則—— 結合學生生活，讓他們感到物理無處不在.如在剖析加速度概念時，引導學生關注百米賽跑期望爆發力強的學生參加，是因為這意味著該同學的速度快，還是有其他原因？又舉例：小明測驗分數在一個月內從60分提高到70分得到媽媽表揚，下個月提高到75分卻被媽媽批評是為什么呢？對社會熱點的房價問題：環比增長回落，提問學生房價漲還是沒漲？這樣的多方引用都是為了幫助學生理解加速度反映的是變化率.

3.3.3 辨析

辨析是為了幫助學生深入理解概念，概念外延因其模糊和不確定會造成學生的困惑，為了規避錯誤，促進學生厘清概念，遞進層次的辨析是有效的教學手段.

比如對于曲線運動的概念，可以設計如下的問答：

（1）曲線運動的速度方向是怎樣的？變化嗎？

（2）速度是（矢量／標量），包含哪兩個要素？

（3）速度發生變化有幾種可能？能舉例嗎？

（4）曲線運動的速度是變化的嗎？

（5）曲線運動是變速運動嗎？

（6）曲線運動的合外力可能為零嗎？可以恒定嗎？

（7）曲線運動必有加速度嗎？

（8）曲線運動可能是勻加速運動嗎？

對上述問答期望的效果是，學生得到如下對曲線運動的認識：

（1）變速運動.

（2）有加速度.

（3）合外力不為零.

（4）合外力指向曲線內側.

（5）加速度指向曲線內側.

（6）典型案例：平拋運動——勻變速曲線運動.

（7）勻速圓周運動——速率不變的變加速曲線運動.

這樣的剖析對于后續的拓展應用（如：電場中基于運動軌跡的電場力、加速度、速度、動能、勢能變化的判斷）是非常有利的.

概念教學中對外延的把握是教師學科素養的體現.在學生建立概念的過程中，不斷引導他們辨析、推斷，這也是對批判性思維的一種培養，可以促進學生物理學力的發展.

3.3.4 比較

深入理解概念，還應找出概念與構成它的要素或與它相近的另一概念的異同點及聯系，幫助學生掌握概念體系.

概念體系是指由同類概念（如靜電場與重力場，電場線與磁感線等）、相似概念（如動量與動能，電場強度與電場力，電壓與電動勢等）、并列概念（如電場強度與電勢）、從屬概念（如電場強度與點電荷電場強度等）組成的系列概念［2］.比如磁感線和電場線的異同，由于磁感線的封閉性質帶來的磁通量計算的特點；電場強度和電勢分別描寫電場的力的性質和能的性質，它們分別是矢量和標量，因此運算法則的差異在空間疊加上有所體現.

3.4 應用

概念教學的最后一步是應用，只有應用得當才能說明概念教學落實到位.應用可以是課堂對答，更多的是通過問題解決來反映物理概念的掌握程度.教師要針對性地選題，以應用概念解決實際問題達到鞏固概念的目的.教師要不定期地回顧前概念，以螺旋式上升的思維要求提高學生對物理概念綜合應用的能力.

應用的3條原則是：針對概念剖析，針對學生易錯點，針對變式遷移.

如針對上文曲線運動概念剖析下列選擇題.

【例1】下列說法正確的是

A.曲線運動物體的速度大小可能不變，所以其加速度可能為零

B.曲線運動物體在某點的加速度方向即為該點的切線方向

C.曲線運動物體的速度大小可以不變，但速度方向一定改變

D.曲線運動物體的速度方向可以不變，但速度大小一定改變

學生在學習曲線運動概念時經歷了前文所述的辨析判斷訓練，順利得出（1）、（2）、（7）等結論后，自然會知道曲線運動一定是變速運動，因此A 錯誤；曲線運動的速度方向對應曲線切線方向，加速度對應合外力方向，因此B 錯誤；針對選項C，可以舉勻速圓周運動的例子來佐證，D 顯然和辨析的結論（1）是矛盾的，所以錯誤.

又如針對電場強度概念的易錯點，選用如下例題.

【例2】關于電場強度的概念，下列說法中正確的是

C.放入電場中某點處的電荷所受的電場力越大，則該點處的電場越強

D.放入電場中某點的檢驗電荷的電量改變時，電場強度也隨之改變；將檢驗電荷拿走，該點的電場強度就是零

電場強度的定義式是采用電場力和檢驗電荷電量的比值表示，學生容易把它當做數學中的正比例關系，因此選項A，B就是針對學生的錯誤認識設置的，選項C，D 是想讓學生辨明電場強度是電場的本質屬性，其實場強是由場源電荷決定的，與是否有檢驗電荷放于此處無關.這種針對易錯點設置的題目可以有效地幫助學生澄清概念，鞏固正確的認識.

再如針對加速度概念變式遷移，選用下列試題.

【例3】臺球沿桌面以速度v0與球桌邊框成α角撞擊邊框上的O點，反彈后速度為v1，方向與框邊的夾角仍為α，如圖所示.若v1＜v0，OB 邊垂直桌邊，則球桌邊框給球的作用力方向可能為圖1中的

A.OA 方向 B.OB方向

C.OC方向 D.OD 方向

圖1

綜上所述，在物理概念教學中，按照概念獲得的邏輯順序，梳理出學生建立正確的物理概念所需的必要信息及其層次關系，教學策略和方法將會更加多元和有效.所有教學的終極目標都是為了學生真正的理解，只有順應學生認知的內在規律，科學高效地進行概念教學，才可能在學生腦海中建立起物理學大廈，培育出未來公民的科學素養.

1 張越，徐在新主編.物理.上海：上海科學技術出版社，2007

2 喬際平，程屺東.物理教育學.南昌：江西教育出版社，1992