基于科學交流的物理概念建構

費志明

(海寧市教研室，浙江 嘉興 314400)

在實際的教學中,有許多教師在概念教學時,大多采用“灌輸法”．學生只在教師的引導下接觸一下事物的科學屬性,雖能做到一定的概念識別,但卻難以形成概念的正確表達,從而難以科學地思考問題,往往表現出片面、碎片、錯誤的推理．究其原因,并不完全在于敘述語言水平,還在于表達的內容并不是概念中本質的科學屬性．只有抓住了物理概念中諸多因素中的本質因素,并對主要因素加以正確表述,才能形成科學的概念．

國際經濟合作組織(OECD)認為[1],“科學素養包括能夠確認科學問題、使用證據、作出科學結論并就結論與他人進行交流的能力．”因此,科學交流是科學素養中一種十分重要的素養,物理概念教學一定要通過科學交流展開．科學交流有別于普通的交流,它必須是基于證據的交流,所以在科學交流時,實驗、建模、類比等科學方法在交流中經常用到．

1 通過科學交流,形成思維沖突,糾正錯誤前概念

前概念是指學生在學習物理概念之前,按照自己的習慣、經驗、思維方式對問題、現象進行主觀判斷的一種心理趨向[2]．

在概念教學時,對于片面的甚至錯誤的前概念,我們應設法讓學生形成思維沖突．教師要想方設法將學生原有的、錯誤的認知暴露,讓學生充分的科學交流,暴露前概念,引起學生思維沖突,形成正確的物理概念．

下面案例就是如何通過科學交流,暴露出自己的前概念．并且隨著實驗逐層深入讓學生的前概念和科學事實產生思維沖突．在充分科學交流后,進行探究式的邏輯思考,最后糾正自己的錯誤前概念．

例1.“飲料是怎樣上來的”.

當你問學生“飲料是怎樣上來的”時,大部分學生會回答說“是嘴巴吸上來的”．為了能讓學生進行科學交流,我們可以這樣設計實驗.

實驗1:比賽喝飲料.

師:教師手上有甲、乙兩個飲料瓶,內裝果粒橙,哪兩位學生有興趣上來比賽喝飲料?

生:學生紛紛摩拳擦掌,躍躍欲試,想要上去表演．

教師請兩位學生上來喝飲料．發現吸甲瓶的學生甲漲得滿臉通紅都沒能吸到一滴飲料,而吸乙瓶的學生乙已經輕松地將飲料吸入口中．

師:甲學生,你努力吸了嗎?

甲:努力吸了．

師:有沒有吸到?

甲:沒吸到．

師:你的瓶子不能吸出飲料,而乙瓶卻很容易吸出飲料．你看看,能找出其中的奧秘嗎?

甲:我的瓶子是密封的,而他的瓶子有個小孔．

師:那為什么密封的瓶子吸不出飲料,而有孔的瓶子卻能輕松喝到飲料?

乙:因為有孔的瓶子,空氣可以進入瓶中．

師:為什么空氣進入瓶中就可以吸出飲料,而空氣不能進入瓶中就吸不出飲料?

乙:因為空氣進入瓶中后,吸管內的氣壓就小于外界大氣壓,大氣壓將飲料壓入吸管,從而進入口中．

前概念轉化的條件: (1) 對原有概念的不滿; (2) 新概念的可理解性; (3) 新概念的合理性; (4) 新概念的有效性．在這里,教師并不是將大氣壓的概念生硬地強加給學生,而是讓學生充分科學交流起到暴露前概念,然后通過第1個實驗去動搖他們的前概念．讓學生看見原來“吸”的觀念無法解釋的事例,引發他們的認知沖突,從而導致讓學生對原有概念的不滿．在這里,基于證據的交流(科學交流)起來非常重要的作用．接著再精心設計了第2個實驗,為學生的前概念成功轉化為物理概念奠定基礎．

圖1

實驗2:用注射器壓飲料.

師演示:用注射器向有孔的飲料瓶打氣,飲料會從吸管內噴射出來．

生:雖然不存在吸的作用,但由于瓶內液面上方空氣受到壓縮,氣體壓強增大,所以會將液體壓入吸管．

師:通過對比這2個實驗,你對吸飲料的問題有什么新的認識?

圖2

生(組內交流后):液體能否沿著吸管上升,關鍵是瓶內液體表面氣壓是否大于吸管內的氣壓．當瓶蓋有孔時,無論用嘴向吸管吸氣、用針筒向小孔打氣,液體都可以被壓出來,因為此時液面上方的氣體壓強都大于吸管內的氣壓．

最后,通過比較兩個實驗,并結合平時對吸飲料機制的分析．再讓學生進行小組討論,組內、組間進行科學交流,讓學生真正懂得新概念的內涵,讓學生感到新概念和事物本質相一致、不存在沖突,并且能用概念解決原概念無法解決的問題和事例．在這里,證據的交流起了關鍵作用,最后揭示出藏匿在“吸”背后的“大氣壓”的“壓”作用．

2 通過科學交流,把握內涵和外延,理解物理概念

物理概念包含內涵和外延兩個方面,這是物理概念的兩個基本特征[2]．物理概念的內涵是指概念所反映的對象、現象、過程所特有的本質屬性．物理概念的外延是指具有物理概念所反映的本質屬性的全體對象．在教學中,教師只有切實把握概念的內涵和外延,學生才能更好地理解概念．讓學生在主動動腦、動口、動手,獨立觀察、比較、聯想、歸納等科學交流,更好地幫助學生整理、獲取重要信息,促進學生思維的活躍,從而理解物理概念．

下面案例就是如何通過科學交流,讓學生逐步把握住概念的內涵和外延．在充分表達、交流后,不斷完善自己對概念內涵和外延的理解,最后有效的理解物理概念．

例2.功的概念.

功的概念:如果物體受到力的作用,并且在這個力的方向上通過了一段距離,我們就說這個力對物體做了功．但要正確理解這個概念必須以情景為載體,與學生交流分析才能讓學生真正理解概念的內涵和外延．

情境1:師:叉車把貨物從地面抬升到一定高度,叉車對貨物有沒有做功?

生:做功.

情境2:師:人推小車在水平路面上通過一段路程,人對車有沒有做功?

生:做功.

情境3:師:人用力搬石頭,石頭沒有搬動,人對石頭有沒有做功?

生1:做功.

生2:不做功(學生間爭論很劇烈)

師:……(笑而不答)

情境4:師:人提書包在水平路面上勻速通過一段距離,人對書包有沒有做功?

生3:做功.

生4:不做功(學生間還是爭論很劇烈)

師:同學們從概念的內涵和外延思考一樣(小組討論)

生:情境1、情境2做功,情境3、情境4沒做功．因為情境3雖然有力,但在力的方向上卻沒移動距離;情境4雖然有力,也有距離,但它們不是在力的方向上移動的．

師:很好,哪位同學幫我們總結一下做功因素．

生:做功的兩個重要因素:一個是作用在物體上的力,另一個是物體在這個力的方向上移動的距離．

教師引導學生進行科學交流時常用的引導語言:這個觀點很有意思,能再多說一點嗎?他的意見如此,有沒有不同的看法?我們可以從另一個角度來看這個問題嗎?假如你是……,你會怎么做?你肯定一定是如此嗎,有沒有例外?對不起,能簡單地表達你的想法嗎?科學表達一般要求:需要說明發生的條件(外因和內因)、過程和結果,最后是一個明確的結論．因此,準確把握物理概念的內涵和外延,在建構概念的過程中是非常重要的．

3 通過科學交流,辨析比較概念,厘清物理概念

物理概念還有一個特殊屬性——多重抽象性,這就使得學生感覺物理難學[2]．選擇恰當的時機,引導學生通過科學交流來辨析、區分易混淆的物理概念,能有效地幫助學生克服物理概念的多重抽象性所帶來的學習困難,從而更好地厘清物理概念．

下面案例是熱量與內能兩個非常容易混淆的概念,為了能厘清這兩個物理概念我們讓學生充分科學交流,起到了非常好的效果．

例3.熱量與內能概念辨析.

同學們在學習這兩個概念時, 常常把二者很難區別開來, 于是就出現了“這個物體含有熱量多”, 那個“ 物體吸收了多少內能” 等諸多錯誤說法．我們可以通過師生間的科學交流從兩個概念的定義, 決定因素等各個方面加以對比．

師:什么是熱量?

生:物體在熱傳遞過程中吸收或放出能量的多少叫熱量．

師:那什么又是內能呢?

生:物體內所有分子的動能與分子勢能總和叫內能．

師:那你們怎么理解兩者間的關系?(小組討論)

生:物體內能發生變化時才能說“熱量” 兩個字．

師(追問):若物體內能增加,則熱量將如何變化?

生:物體可能吸收了熱量．

師(追問):若物體內能減小,則熱量將又如何變化?

生:物體可能放出了熱量

師:同學們討論一下:熱量與內能兩概念的區別與聯系．(同學們討論非常劇烈)

生:熱量是在熱傳遞過程中,物體吸收或放出熱的多少,其實質是內能的變化量．

抓住概念間的本質特征,進行師生間充分交流,消除學生的思維障礙．從而辨析比較兩概念,厘清物理概念,提升概念教學的有效性．當然其中讓學生進行小組討論、交流非常重要．

4 通過科學交流,進行交流與表達,應用物理概念

從2015年開始浙江省科學中考專門命制了“表達題”．什么是表達題?表達題是一種需要學生運用科學原理,使用較多科學語言,并運用因果關系,體現一定邏輯順序,來闡述、解釋某一科學問題或科學現象的綜合性試題．表達題實質上就是應用物理概念、原理進行語言交流表達的一種科學交流．

例4.(2017年溫州).避險車道是與公路主干道相連的一條距離很短的分岔專用車道,供速度失控車輛安全減速．一般設置在長陡坡下坡的拐彎處,保證駕駛員能看到(如圖3、4),這種車道很特別,一般長度在50～100m,有一定的坡度,路面上鋪著疏松的石子、沙土層,兩側及頂部用廢舊輪胎或防撞桶圍起來(如圖5、6)．避險車道很大程度上解決了汽車剎車失靈時的安全隱患,請你談談避險車道設置所包含的科學知識并作簡要解釋．(5分)

圖3

圖4

圖5

圖6

答案: 長陡下坡,剎車失靈的汽車,速度會越來越快,需要通過一定方式來減速．(1分)

(1) 1820年10月,法國物理學家畢奧和薩伐爾發表題為《運動的電傳遞給金屬的磁化力》的論文,報告了他們發現:直流電流對磁極的作用方向垂直于磁極到導線的垂線.他們的實驗裝置如圖1所示,一條垂直的金屬絲CZ兩段連接到伏打儀器的兩極,一根磁化的鋼針用一條絲線懸掛在水平位置上.當電流通過導線時,磁針就轉到與其中心到導線的距離相垂直的水平方向,和奧斯特的實驗結果一致.

(1) 避險車道設置在下坡拐彎處的右邊,是利用光的直線傳播,便于司機看到,有充足的反應時間,能做出合理判斷;(1分)

(2) 有一定的坡度,是利用動能轉化為勢能,使車減速;(1分)

(3) 鋪上疏松的碎石、沙土,是為了增大摩擦,使車減速;(1分)

(4) 廢舊輪胎和防撞桶,起到緩沖的作用(增加沖撞時間),車的動能轉化為內能,使車減速．(1分)

本題的思維層次能得到有效區分,思維結構越復雜,越具有邏輯思維能力,所回答的內容越全面,所獲得的分數也就越高,學生的科學素養也就越好．這樣的科學交流,是應用物理概念、原理．在應用過程中,進一步鞏固概念,發現不足．這樣的科學交流,能更為全面地考查學生所具備的科學知識、科學技能、邏輯思維和語言表達能力,這類題目才能真正考查學生綜合能力的一類試題．

物理概念又是人們為了揭示研究對象具有的科學屬性的一種思維形式[3]．當事物的科學屬性未區分時,盡管它是一種客觀存在,卻不能用來進行科學思維;當這種科學屬性被區分,但未被表述時,它只是一種知覺和表象．只有這種科學屬性在被區分之后又被正確表述,它才能用來進行科學思維．科學素養發展不夠的學生能回憶簡單的科學事實性知識、使用常用的科學知識判斷或得出結論．科學素養發展較好的學生就會展現出創造和使用概念模型預估和解釋、分析科學研究,聯系數據作為證據、評價同一現象的其它解釋,以及簡潔交流結論的能力．因此,科學交流是科學素養中一種十分重要的素養．

參考文獻：

1 鄒愛玲.初中物理教材體現科學素養教育的評價研究[D].大連： 遼寧師范大學,2007:3.

2 王耀村.浙江省中小學學科教學建議——案例解讀[M].杭州： 浙江教育出版社，2015(8): 75-79.

3 葉鎮源.運用有效策略 建構科學概念[J]. 教學月刊·中學版，2016 (Z2):36-39.