例談初中物理概念的變式與遷移策略

陳 懋

(浙江省海寧市斜橋中學，浙江 海寧 314406)

例談初中物理概念的變式與遷移策略

陳 懋

(浙江省海寧市斜橋中學，浙江 海寧 314406)

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質特征在人們頭腦中的反映,是物理事物的抽象．在概念的教學中,通過直觀或具體的變式,使概念“結構化、通俗化、具體化、形象化”,幫助學生明確概念的具體含義,凸顯概念的本質屬性,加深概念的理解和內化,促使學生形成對概念的主觀性判斷,體悟知識的關聯性和其中蘊含的思想方法,實現知識的自主構建,并享受學習的快樂．

物理概念;變式遷移;本源問題

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質特征在人們頭腦中的反映,是物理事物的抽象．讓學生形成、理解和掌握物理概念,進而掌握規律,并使他們的思維能力在這個過程中得到發展,是初中物理教學的核心目標．因此,物理概念在物理教學中具有重要的地位．學生學習物理概念時常見問題:日常經驗中形成的不正確、不科學的前概念干擾;感性認識不足或已有概念不清;抽象思維能力不足,有些概念難以理解;忽視量度公式的物理意義;相關概念間的混淆;不會運用概念來分析、解決問題．那么,我們怎樣幫助學生對物理概念的理解呢?

依據概念教學模式,如圖1所示,筆者采用“變式與遷移”取得較好的教學效果．“變式”一詞,在心理學中是指從不同角度不同方面組織情境材料,通過變換其非本質特征,保持其本質特征不變,從而突出其本質特征的一種智力活動方式．在學習某一概念時,若能及時向學生提供一些典型的、特殊的變式,有助于學生理解這一概念的本質特征,有助于學生對此概念的識記與保持．這對于強化對物理概念的理解有舉足輕重的作用．

圖1 概念教學模式

1 界定概念的內涵和外延,概念“結構化”

物理概念的內涵是反映在物理概念中的物理現象的本質屬性,是該事物區別于其他事物的本質特征．物理概念的外延則是指反映的物理現象本質屬性的對象,即通常所說的運用條件和范圍．如果不進行變式遷移,前概念仍然一有機會就會來騷擾．在新的問題情境中,學生的前概念常常又會“死灰復燃”,不由自主地冒出來,出現反復．[1]正反例結合,使概念放在一個嚴密的邏輯結構之中．

1.1 典型的正例變式,明確概念的外延

每個物理概念都有一個明晰的邊界,掌握概念意味著能夠通過內涵去確定一個具體的對象是否在這個邊界內．因此,在概念教學中,將概念的外延作為變異空間,將其所包含的對象(含有概念本質屬性的一切特征事例)進行正例變式,通過比較不同變式的共同屬性而突出概念的本質屬性．

案例1.密度是物質的一種特性,是一種比顏色和氣味要隱蔽的特性．描述物體疏密程度的物理量,它決定于物質本身的性質,而與物體的形狀、質量和體積無關,但與溫度、狀態有關．在密度教學中,教材是先介紹自然界物質的多樣性,提出如何鑒別物質的問題,然后通過實驗探究物質的質量與體積的比值關系,進而引入密度概念,這只是一個基本的骨架．實際教學時,必須充實其血肉．如果學生不明白為什么用質量與體積的比值定義密度,是否可以用體積與質量的比值定義密度等,很容易被簡單的數學形式“俘虜”,認為密度與質量成正比,與體積成反比．為了明確比值定義密度外延,變式教學如下:

變式1:一杯水倒掉一半,剩下的水質量、體積、密度,如何變化?

變式2:一杯水結成冰,冰的質量、體積、密度與水的質量、體積、密度如何變化?

變式3:一瓶氣體,用掉一半,剩下的氣體的質量、體積、密度,如何變化?

變式4:把正方體鐵塊,在相同的溫度下壓成均勻鐵皮,則它的質量、體積、密度如何變化?

評析： 密度是比值定義概念,比值定義法的基礎:比較法．首先進行“同中求異”“異中求同”的比較．這些事例包含物質3種狀態:固態、液態、氣體之間的物態變化,促使學生認識:對同一物體而言,密度是質量與它的體積比值,排除非本質因素:質量、體積,干擾因素:溫度,從而理解密度概念．

1.2 針對性反例變式,明確概念的內涵

概念的反例(不含某個概念本質屬性的事例)提供了最有利于辨別的信息,對概念認識的深化具有非常重要的作用．適當使用反例不但可以使學生對概念的理解更加精確,建立相關概念之間的聯系,而且還可以排除無關特征的干擾,預防或澄清學生在概念理解時可能出現的混淆．

案例2.在學習力的概念時,首先向學生提供熟悉的力的現象:如下表1,這就是感性具體,然后對這三類事物進行思維抽象,通過分析、比較、分類,發現“人、壓路機、磁鐵”是同類事物,可以抽象為物體,“車、路面、螺釘”也是同類事物,也可以抽象為物體,而推、壓、吸則是另一類事物,它們的本質屬性可以抽象為動作或作用,于是,我們可以給力下定義:力是物體對物體的作用．在此基礎上,還要把力的概念推廣到所有的同類事物中,從而達到對力的一般認識．

表1

圖2

但是,從感知到概念之間還有一段較長的思維過程,這段思維過程對形成物理概念的作用是實質性的,甚至比定義概念更重要．換句話說,學生對于力的概念并未真正理解,不能用于實踐解決問題,變式教學如下:

變式1:如圖2.人坐在椅子上,雙腳離地,看能否站起來?實驗的結果讓學生明白單單一個物體是沒有力可言的,力是物體(腳)對物體(地)的作用.力是至少兩個物體之間的相互作用．

變式2:活動,用手扔紙團,紙團離開手以后,是否受到手的力的作用?對紙團而言,力的作用是改變運動狀態,紙團離開手以后,手無法改變紙團的運動狀態,所以手對紙沒有力的作用．力的作用效果包括改變運動狀態或改變形狀．為后續學習力和運動的關系做鋪墊．

評析:變式1中只有一個物體,變式2中兩個物體都存在,但彼此間沒有受到力的作用．概念形成過程中,采用正面的例子傳遞的信息便于學生從中概括出共同的特征;概念鞏固深化過程中,反面的例子傳遞的信息則有利于辨別,通過反例變式,有助于加深對概念本質的理解．

2 階梯型變換概念的表達方式,概念“具體化”

同一物理概念往往可以用不同的表達方式進行表述．因此,教師可以通過變換概念的表達方式,用事實、數據來表達抽象的科學概念,引導學生從多個角度理解物理概念,靈活應用概念不同的表達方式．

2.1 由淺入深

課本中的物理概念,文字敘述嚴謹、簡潔,多數學生能夠讀懂字面意義,但不能把握準確深刻的含義,運用概念解決問題時容易錯誤．在概念教學時,依據學生的認知,由淺入深進行變式,逐步把握概念的本質屬性．

案例3.對重力的方向,教師可以利用如圖3所示的實驗,圖甲和圖乙,球靜止時線向下,說明重力的方向豎直向下;鐵架臺傾斜的過程中,球靜止時線的方向始終不變,說明重力的方向始終豎直向下．這句話表明兩個方面:重力的方向不變,重力的方向豎直向下．

圖3

但學生對豎直向下不理解,只認可“向下”,往往把豎直向下與垂直向下混淆,因為在水平面上,豎直向下與垂直向下是一樣的．對此,采用如圖4中變式訓練,幫助學生理解概念:

變式1:物體的重力方向正確的是(D)

變式2:豎直向下與垂直向下一樣嗎?

圖4

變式2:豎直向下與垂直向下一樣嗎?

變式3:請畫出每個人的重力的方向．如圖5.我們平常所說的“向下”,到底指的是什么方向?

圖5

變式4:作圖,畫出下圖6中重力的方向．

圖6

評析:學生對豎直向下缺乏認識,變式1讓學生明白垂直向下與豎直向下的關系;變式2明確向下的含義,變式3動態物體重力的方向,由淺入深,明白重力的方向豎直向下,其實是都指向地心．

2.2 由點及面

新授課時,在單一背景下提出的概念一般都是概念的標準形式,但很多問題,可能處于各種不同的背景中,也就是概念的非標準形式．在實際教學時,利用“變式”進行分解．將復雜概念先“變式”分解成為較簡單概念,由點及面,然后逐步加深復原,最后形成概念,頗有“水到渠成”之妙.

案例4.在學習“功”的概念之后,僅僅會背誦只掌握概念的初步應用,是難以達到教學目標的,還要結合其他概念,豐富的變式題型去逐步加深學生對“功”的理解．通過變式練習理解做功的必要因素:

變式1:人很費力地推汽車,汽車不動,這個過程中推力對汽車是否做功?

變式2:汽車關閉發動機后,又向前進了一段距離,這個過程中牽引力是否做功?

變式3:汽車在路上出故障壞,吊車把汽車吊起后在水平方向移動一段距離.汽車的重力是否做功?

變式4:汽車在牽引力作用下在公路上勻速行駛,這個過程中牽引力是否做功?

評析:學生往往知道做功的條件:力和距離,但沒有對應．在上述變式教學中,兩個非本質因素的出現是依次遞增,這既有利于降低學生思維的難度,也有利于學生發現起干擾作用的是哪一個因素．

3 多維度變換概念的表達形式,概念“形象化”

物理學中許多概念都可以用不同的形式進行表述,這也成為變式教學的重要依據．物理概念的常見表述形式有: (1) 文字表達法,即用科學、簡潔的語言描述概念．(2) 公式表達法,即用數學式反映概念和規律,直觀體現概念和規律的構成要素．(3) 圖像表達法,即用數學函數圖像表述物理概念和規律的含義．(4) 圖表表達法,即將某些事實或觀念加以整理、摘要,然后用圖形、表格表達出來．(5) 圖形表達法,即用圖像形象地描述概念．[2]變換多維度表達,使學生更加形象化認識物理概念．

案例5.在電阻概念的學習中,隨著學習的不斷深入,可以不斷的變式,讓學生體驗物理之美．

變式1:電阻的定義式R=U/I,對特定的導體,加在其兩端的電壓越大,產生的電流強度越大,但U/I比值是一常量,這一常量由組成導體的材料及導體的尺寸決定,與加在導體兩端的電壓無關．

變式2:R描述導體對電流的阻礙作用,任何導體都有這種性質．

圖7

變式3:電阻一定,同一導體,電流與電壓成正比．如圖7．

變式4:為什么兩個電路串聯后的總電阻比任何一個分電阻大?你能用類比方法解釋嗎?并聯后的總電阻反而比任何一個分電阻小?你可以用類比方法解釋嗎?

評析:對學生而言,方法比知識更重要,因為知識過幾年就會忘記,而科學方法會陪伴終身．文字表達比較抽象,圖像表達比較直觀,文字和圖像之間變換,讓學生感受到“知識不僅是靜態的結論,還是生動的過程,更是思維的工具和方法,是具有認識方法論的功能和價值．”

4 利用概念和概念間的邏輯關系,概念“通俗化”

前概念對物理概念的建構之所以會產生干擾,原因之一是前概念與物理概念之間存在著某些關聯性和相似性．為此,運用比較、類比等方法,同中求異、異中求同,摒棄事物的非本質特征和影響事物的非本質因素,對事物的本質特征和影響事物的本質特征獲得正確的認識,幫助學生理解科學概念．

4.1 變換情境,同中求異

建構主義學習觀認為,知識的學習并不是學習者對知識被動的接受,而是學習者對知識意義自主的建構．學生先前學習的概念和已有經驗的前概念,都會對當前的概念學習產生種種影響．教師可以變換新的學習情境,讓學生解釋生活中的現象,在應用中辨析彼此間的關系．

案例6.在學習壓力的概念,學生難以把重力和壓力區分清楚,重力是由于地球吸引而使物體受到的力,方向豎直向下;壓力是垂直作用于物體表面的力,是兩個物體相互接觸擠壓而受到的力．但由于生活中我們所接觸到的水平地面上的物體對地面的壓力大小和物體的重力大小和方向都相同,很多學生錯誤地認為壓力就是由于重力而產生的,甚至有的學生認為壓力就是重力．對此,在教學中可以采用變式新情境,幫助學生區分這兩個概念:

變式1:把黑板擦壓在豎直的黑板上時,黑板擦受到的重力和手對它的壓力是怎樣的?

變式2:當工人把裝修材料壓到天花板上時,材料所受到的重力和人對其的壓力是怎樣的?

4.2 畫概念圖,異中求同

科學教育最根本任務是培養學生科學的思維方法．物理中有許多相近或相似的概念,例如壓力和重力、功率和效率等,把這些相近的概念歸納在一起,分析異同,辨析本質．厘清概念建立的緣由,使學生認知從感性發展到理性的關鍵,是后續學習中能準確解讀反映概念間關系的科學規律的前提．

案例7.浮力是初中物理的一個難點概念．涉及密度、力、體積,把一些相近、易混淆的概念:上浮、懸浮、漂浮、下沉,以及影響因素,串成鎖鏈,編成網絡,配以圖示,如圖8,縱橫聯系,使學生獲得的是一個有序的概念系統,從整體中看到部分,從部分中體現整體．

圖8 浮力概念圖

古人云:“變則通,通則久”．“變式”的核心,是一個“變”字,新穎有趣的“變式”問題,不僅可以加強對物理概念的深刻理解,同時能使學生掌握知識信息大量增殖,并且能拓寬思路,遏制單向思維定勢的消極影響．在推進素質教育和進行課程改革的今天,“變式”的方法必然越來越受到人們的重視．但需要特別指出的是,變式教學要緊扣教學目標,即變式之“變”要“有理、有利、有節”,不能為了變而變,變得不切實際,要遵循循序漸進的原則．[3]

1 鄭青岳.鄭青岳科學教育講演錄[M].杭州:浙江教育出版社，2015.

2 竇瑾.摭談三個維度上的物理變式教學[J].中學物理教學參考，2016(5):20.

3 楊心德.變式練習與程序性知識的學習[J].上海教育科研,2004(9):44-45.

4 張瑞能.例談變式對初中物理教學的作用[J].物理教師，2011(11)：27-28.

2016-09-23)