“雙線式”高中物理概念教學(xué)模式的實踐與思考

高正球

物理概念是構(gòu)成物理知識大廈的基石，概念教學(xué)的有效性直接關(guān)系到學(xué)生物理素養(yǎng)、物理學(xué)習(xí)情感和物理知識應(yīng)用的有效發(fā)展.那么如何有效開展高中物理概念教學(xué)呢？筆者以新課程教育理念為依托，結(jié)合物理學(xué)科的特點，在概念教學(xué)中嘗試運用“雙線式”教學(xué)模式.本文就該話題進行探討，望能助力于高中物理課堂教學(xué)實踐.

1 “雙線式”高中物理概念教學(xué)的模式與價值

1.1 “雙線式”高中物理概念教學(xué)的模式

概念教學(xué)應(yīng)該包含情境創(chuàng)設(shè)、建立概念和概念應(yīng)用三個大的環(huán)節(jié)，其核心是“如何引導(dǎo)學(xué)生建立概念”.筆者在該環(huán)節(jié)結(jié)合物理學(xué)科特點，設(shè)置了兩條線：一條是活動線，主要以實驗為載體，通過實驗的演示和分析完成概念的定義；另一條是問題串，主要是以問題為載體，引導(dǎo)學(xué)生通過問題的分析和解決，歸納出概念的基本特征.通過這兩條線幫助學(xué)生由表及里、由淺入深地理解、建構(gòu)和掌握概念.具體教學(xué)模式框架如圖1所示.

“雙線式”高中物理概念教學(xué)模式實施的技巧如何呢？在進行教學(xué)設(shè)計時，教師應(yīng)盡量創(chuàng)設(shè)有助于啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和探索事物本質(zhì)屬性的物理環(huán)境，喚起學(xué)生的感性知識.教師或運用實驗，或利用新舊知識的聯(lián)系，或組織體驗活動，或介紹有趣的物理學(xué)史，力求激發(fā)學(xué)生的求知欲望，并且引導(dǎo)學(xué)生專注于被研究的對象，注意活動的觀察，達到獲取信息并引發(fā)思考的目的.在概念教學(xué)中，若只向?qū)W生提供形成概念的感性材料，而不同時讓學(xué)生參與思維加工活動，對學(xué)生而言，感性認識和理性認識、生活經(jīng)驗和科學(xué)概念仍處于分離狀態(tài).“雙線式”概念教學(xué)，以“問題”為指引，引導(dǎo)學(xué)生在形成感性認識的基礎(chǔ)上，運用比較、分析、綜合等思維方法，對感性材料加工，進而抽象概括出事物的本質(zhì)特征；借助于“活動”，引導(dǎo)學(xué)生從實驗數(shù)據(jù)或?qū)嵗治龀霭l(fā)，運用一定的數(shù)學(xué)知識，得出它的定義式，兩者結(jié)合建立概念.

1.2 “雙線式”高中物理概念教學(xué)的價值

筆者在實踐中運用圖1所示的教學(xué)模式實施概念教學(xué)，發(fā)現(xiàn)其各個環(huán)節(jié)具體的教學(xué)功能有如下幾個方面：

（1）是創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)概念的物理環(huán)境，能使學(xué)生獲得豐富的感性知識，有效激發(fā)學(xué)生進行探究活動和問題解決的興趣.

（2）活動與問題兩條線相結(jié)合的環(huán)節(jié)是學(xué)生動眼、動手、動腦進行信息提取、思維加工的過程，學(xué)生通過科學(xué)抽象，突出概念本質(zhì)特征，摒棄非本質(zhì)特征，按照物理學(xué)的研究方法來形成概念，充分體驗了物理概念學(xué)習(xí)的過程與方法.該過程中學(xué)生有了問題串的引導(dǎo)，能促進其思維過程與概念建立過程進行整合，有效提升其科學(xué)素養(yǎng).

（3）通過概念應(yīng)用的環(huán)節(jié)，設(shè)置具體的例題和變式應(yīng)用，能鞏固和深化學(xué)生對概念的理解.

2 教學(xué)實踐——“電場”教學(xué)

2.1 基于學(xué)生認知基礎(chǔ)的“問題”情境創(chuàng)設(shè)

問題1 在我們所學(xué)的各種力中，有哪些是接觸力？哪些是非接觸力？

問題2 非接觸物體之間如何傳遞作用力？

設(shè)計意圖 引導(dǎo)學(xué)生回顧已學(xué)的力并予以區(qū)分，高一學(xué)到“彈力”、“摩擦力”是接觸力，高一和初中學(xué)到的“重力”、“磁力”等是非接觸力；帶電體之間相互作用的庫侖力也屬于非接觸力.

問題2將學(xué)生的思維引向了其熟悉的兩個方面：

（1）地球?qū)Φ乇砀浇镔|(zhì)的作用力是通過什么物質(zhì)作用的？重力場（看不見、摸不著的物質(zhì)）

（2）磁體與磁體之間的磁力是通過什么物質(zhì)作用的？磁場（看不見、摸不著的物質(zhì)）

通過對上述兩個方面的思考，學(xué)生自然而然提出與課題相關(guān)的問題.

問題3 兩電荷間相互作用時不直接接觸，它們之間的相互作用也是通過別的物質(zhì)作用的，這是什么物質(zhì)？

設(shè)計意圖 創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境，引發(fā)學(xué)生概念探究的欲望.萬有引力曾被認為是一種既不需要媒介，也不需經(jīng)歷時間，而是超越空間直接發(fā)生的作用力，并被稱為超距作用.盡管牛頓本人不贊成把引力看成超距作用，然而，他未能解決這個問題，因而超距作用的堅持者仍把萬有引力說成是超距作用的典范.早期的電磁理論是超距作用理論.庫侖的平方反比定律似乎表明，靜電力像萬有引力一樣，也是一種超距力.但是不是呢？法拉第后來將兩塊條形磁鐵的N極推到一塊兒，感覺到半空中磁力之間的阻力.這種力好像是作用于物體的外部，于是開始形成“力場”的概念，認為這種非接觸力是通過“場”來實現(xiàn)近距作用的.

問題4 庫侖定律給出了兩個點電荷相互作用的當量關(guān)系，那么它們間的相互作用是如何傳遞的？

分析 （1）電荷電荷（超距作用）；（2）電荷電場電荷（近距作用）.

設(shè)計意圖 我們知道，兩者爭論由來已久，近代物理證明，電場傳遞相互作用.介紹科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷史的目的，是幫助學(xué)生認識科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)，體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)的價值，欣賞科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的智慧，學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的精神.

2.2 探究電場，建立概念

教材中給定的概念：電場是帶電體周圍存在的“特殊”媒介物質(zhì).那么特殊在哪里呢？這也是學(xué)生好奇的.教師應(yīng)該對此有清晰的認識：電場是客觀存在的一種非分子、原子組成的“特殊”物質(zhì)形態(tài).具體特殊在如下幾個方面：

特殊性1：與一般的實體物質(zhì)相比，電場沒有靜止質(zhì)量.

特殊性2：實體物質(zhì)在空間內(nèi)的速度小于光速，而且根據(jù)運動的相對性，其速度和觀察者的運動速度有關(guān)（運動的相對性）；而電場在真空中永遠以光速運動，電場的速度與觀察者的運動速度無關(guān).

特殊性3：實體物質(zhì)具有一定的體積大小、形狀；而電場充滿整個空間，沒有體積大小、沒有形狀.

特殊性4：實體物質(zhì)的原子占有的空間不能同時被另一個原子占據(jù)；而若干個電場可以互相疊加，可以同時占據(jù)同一空間，具體某一個位置的電場強度是合場強.

上述幾點特殊性，對于初學(xué)“電場”概念的學(xué)生而言，顯然是無法理解的，至于后面要給學(xué)生滲透多少，結(jié)合學(xué)生實際水平而定.那么，在新授課上，我們的概念探究應(yīng)該給學(xué)生構(gòu)建怎樣的雙線呢？

問題5 電場看不見摸不著，如何研究、認識看不見摸不著的物質(zhì)？

問題6 初中時如何具體探究磁場的作用的？

問題7 電場有什么性質(zhì)呢？

設(shè)計意圖 問題5～7目的在于引導(dǎo)學(xué)生對電場的力學(xué)性質(zhì)進行歸納，同時對于問題6的思考，將學(xué)生的思維引向熟悉的“磁場”力的性質(zhì)上，便于方法的遷移促進新概念的建立.

實驗1 在桌面上放一個有絕緣支座的帶電體A，在A附近分別懸掛一個不帶電的球和一個帶電的球，觀察現(xiàn)象.

現(xiàn)象及分析 不帶電的球沒有發(fā)生偏離，帶電的小球偏離了豎直位置；說明電場的性質(zhì)是對放入電場中的電荷有力的作用.

建立概念 如圖2所示，電荷A對電荷B的作用，實際上是A產(chǎn)生的電場1對電荷B的作用；反過來，B對A實際上是B產(chǎn)生的電場2對電荷A的作用.

問題8 既然電場對放入電場中的電荷有力作用，那么如何研究電場呢？（必須放入電荷）

問題9 對這個電荷是有條件呢？

（1）電荷量應(yīng)充分小，不至于影響要研究的電場；

（2）電荷的體積要小，便于研究電場中各點的情況，這種電荷叫試探電荷q.

設(shè)計意圖 試探電荷是一個理想化模型，可培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和想象力.

進一步使用問題串分析電場的特征：

問題10-1 將同一試探電荷分別放在 A、B 兩點，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)什么特點、規(guī)律？

問題10-2 在同一點 A放入不同電量的試探電荷，發(fā)現(xiàn)什么特點、規(guī)律？

問題10-3 在另一點B 放入不同電量的試探電荷，發(fā)現(xiàn)什么特點、規(guī)律？

設(shè)計意圖 對于問題10-1，學(xué)生很容易從庫侖定律進行判斷，但是問題也隨之生成，場源電荷產(chǎn)生的電場的強弱與試探電荷所受電場力的大小相對應(yīng)，能不能用試探電荷所受的電場力的大小來描述電場的強弱呢？ 順著這個生成性問題進行探究，學(xué)生在問題10-2、10-3的探究中會有所發(fā)現(xiàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生采用列表的形式進行理論探究，例如問題10-2的理論探究結(jié)果如表1所示.

對于問題10-3的探究結(jié)果也與之類似，繼而歸納出“不同的電荷在電場的同一點所受的電場力不同，但電場中同一點電場的強弱是唯一的”結(jié)論，再回到問題10-1，又能有新的結(jié)論：“的大小與電場的強弱一一對應(yīng)，而且只與場源電荷Q和場中點的位置r有關(guān)，與引入的試探電荷無關(guān).”這個比值恰恰就是電場的定義式.

縱觀整個“雙線式”教學(xué)模式，雖然演示實驗只有一個，但由于借助于“問題串”的理論探究，充分應(yīng)用 “思維實驗法”，促進了學(xué)生對“引入場強的必要性、場強定義方法和場強內(nèi)涵”的理解.

2.3 概念應(yīng)用與拓展

概念應(yīng)用題：點電荷是最簡單的場源電荷.設(shè)一個點電荷的電荷量為+Q，產(chǎn)生了一個電場，現(xiàn)在以點電荷+Q為球心，以任意長r為半徑，畫一個球面，進行如下的分析與思考：

（1）在球面上各點的電場強度是否相同？

（2）與之相距為r的A點放一試探電荷，所帶電荷量為+q，試推導(dǎo)A點的場強的大小，并確定場強的方向？

（3）若所放試探電荷為-2q，結(jié)果如何？

（4）如果移走所放的試探電荷呢？

設(shè)計意圖 建構(gòu)主義理論認為，在應(yīng)用階段，學(xué)生通過變式的練習(xí)，能鞏固和完善新的認知結(jié)構(gòu)，順利實現(xiàn)遷移.在本題中，學(xué)生通過電場概念應(yīng)用的過程，促進了“電場”概念的內(nèi)化，同時也將概念的觸角延伸到了點電荷的電場強度大小、方向的確定上.