優化物理概念教學 提升科學思維能力①

(江蘇省徐州市第七中學,江蘇 徐州 221011)

物理概念是對具體物理現象和過程的抽象與概括,它是物理觀念的重要組成部分,是建構物理規律的重要基石,是整個物理知識體系的支撐點?？茖W思維是對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式,是高中生必備的物理核心素養之一。物理概念教學是高中物理教學中的重要環節,更是培養學生科學思維能力的關鍵環節。教師在物理概念教學中怎樣優化物理概念的建構、理解和應用,進而提升學生的科學思維能力？筆者對此提出以下建議。

1 優化物理概念的建構過程,提升學生的科學思維能力

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,是人們將感知的一切物理現象的本質特征抽象出來并加以概括所形成的。物理概念的形成經歷了從具體到抽象、從特殊到一般、從感性到理性的過程，因此物理概念的建構過程是科學思維能力的形成過程。在教學中教師可以運用創設情境、遷移類比等方法建構物理概念,從而達成提升學生科學思維能力的目標。

1.1 創設問題情境,建構物理概念

物理學是格“物”致“知”,為了建構物理概念,就必須給學生創設真實的物理情境。情境可以是生活、生產中實例的列舉、可以是對實物模型的觀察、也可以是有趣的情境體驗或是物理實驗。從實際情境中提煉出探究性問題,引導學生觀察、思考、猜想、分析、比較,抽象、概括出事物的本質屬性,從而得出物理概念的定義,繼而導出物理概念的定義式及單位等。

例如,在進行“加速度”概念的教學時,由于加速度是學生在高中物理中接觸到的第一個較為抽象、難于理解的物理概念,所以創設恰當的物理情境就變得十分必要。在教學中教師可以先播放一段“摩托車、飛機賽跑”視頻，并提出問題:(1) 摩托車與飛機誰最終達到的速度大？(2) 摩托車與飛機誰的速度改變大？(3) 摩托車與飛機誰的速度變化快？你是如何比較的？(4) 如果兩者最終能達到的速度不一樣,用時也不一樣,我們又該如何比較速度變化快慢呢？通過這個例子,學生可以得出兩種比較速度變化快慢的方法:一是比較速度變化相同時所用的時間,二是比較相同時間內所發生的速度變化。于是,“加速度”的概念逐漸浮出水面,再結合速度概念,學生就能夠用文字語言或數學語言來較準確地表達出加速度的概念。

1.2 運用遷移類比,建構物理概念

新知的學習往往是基于舊知的基礎而實現的遷移和重構,這一點同樣也適用于物理新概念的教學。類比是一種典型且有效的思維方法,能夠實現學生對物理概念的正向遷移,并有助于其重構物理概念體系。在具體的教學過程中,教師應充分把握教材,尋找新、舊概念之間的關鍵連接點,從簡單的物理概念遷移類比到復雜、抽象的物理概念。

2 優化對物理概念的理解,提升學生的科學思維能力

對物理概念的正確理解是學好物理學的基礎。學生初步建立了物理概念,這只是從正面對概念有了初步認識,要想比較深刻地理解概念,還需要對物理概念的內涵與外延、演變與發展進行較為深入的剖析,從橫向、縱向不同側面認識和理解概念。

2.1 理解概念的內涵與外延

所有的物理概念都有它明確的內涵與外延。物理概念的內涵是指物理概念所反映的事物的本質屬性,通常需要用下定義的方法來表述;而物理概念的外延是指物理概念所適用的范圍和應用的條件。物理概念的內涵決定了物理概念外延的大小,內涵越小,外延越大。由于用數學語言定義的物理概念更嚴密、更精確、更概括，所以對于物理概念的內涵,除了用文字把概念所反映的本質特征定性地表述出來,還要由定性分析上升到定量分析,最終獲得概念的定義式。因此,物理概念教學中,需要教師引導學生對物理概念定義中的關鍵詞加以分析,從而理解物理概念的內涵與外延。

2.2 理解概念的演變和發展

物理科學體系的建立是以物理概念為基礎的,對物理概念的認知由表及里、由簡到繁、由淺入深,是我們必然要經歷的一個發展的過程。

3 優化對物理概念的應用,提升學生的科學思維能力

物理概念教學的最終目的是學生能夠運用物理概念來解決具體問題。應用物理概念分析和解決實際問題,既是理論指導實踐的過程,又是教師獲得反饋信息的過程,也是學生對概念理解、深化、鞏固的過程,更是提升學生科學思維能力的過程。只有運用物理概念去分析和解決實際問題,學生才能真正掌握概念,體會科學思維方法。因此在概念教學的不同階段,教師應設計不同的問題引導學生由淺入深地理解和應用概念。

3.1 設計概念辨析類問題

在概念建構過程中,針對概念理解上容易出錯的地方,設計與概念緊密相連的對比識記類、掩蓋設誤類和應用設誤類的思考題,在辨析中加深對物理概念的理解。例如,在進行“加速度”概念的教學時,可以編制這樣的思考題,來加深學生對加速度的理解。

(1) 小明說:“復興號”CR400系列動車組研制成功并投入運營,其最高速度可達400km/h,它的加速度一定很大。這一說法對嗎？為什么？

設計意圖:使學生深刻理解并能夠辨析速度與加速度的大小關系。

(2) 兩輛小車相比,一輛小車的速度變化量很大,而加速度卻比較小。這樣的實例存在嗎？若存在,請舉例說明。

測序結果提示患兒存在ERCC6基因復合雜合突變（表 1），Sanger測序(表 2)：對父母進行同片段序列分析結果顯示，該患兒分別遺傳了父親及母親的雜合突變，該患兒ERCC6復合雜合突變中核苷酸 變 化 c.116-1125delTGAGTATTTC、c.780-781insCC； 氨基酸變化：p.Ser372SerfsX30|p.S372SfsX30、p.ProfsX70|p.P260PfsX70； 基因亞區：EX5；CDS4，屬框移突變，該框移突變導致氨基酸編碼蛋白發生提前終止，產生截短蛋白，會對蛋白質的結果和功能產生較大影響；該突變在文獻中未見報道；與CS發病有相關性。

設計意圖:使學生深刻理解并能夠辨析速度變化量與加速度的大小關系。

(3) 做直線運動的汽車,后一階段的加速度比前一階段的小,但速度卻比前一階段大。這樣的實例存在嗎？若存在,請舉例說明。

設計意圖:使學生深刻理解加速度的方向與速度大小變化的關系。

3.2 設計概念應用類問題

在概念建構之后,教師可以從多角度提供物理概念的變式讓學生作出判斷,也可以通過創設問題情境、設計階梯式問題,在應用中加深學生對物理概念的理解。

例如,在進行“加速度”概念的教學時,可以編制這樣的思考題,來加深學生對加速度的理解。

(1) 百千米加速指的是0到100km/h加速時間,是對汽車動力最直觀的體現。一般1.6L緊湊型轎車百千米加速時間約為12秒,2.0T的中型轎車約為8秒,而超級跑車約為3.8秒。試比較三種車型百千米加速時的加速度大小,并計算出三種車型的加速度大小。

設計意圖:使學生會運用加速度定義式計算加速運動時的加速度。

(2) 汽車碰撞試驗是綜合評價汽車安全性能的有效方法之一。某次試驗中,試驗車以速度v=36km/h正面撞擊固定試驗臺,經時間t1=0.10s碰撞結束,車速減為零,求此碰撞過程中汽車的加速度。

設計意圖:使學生會運用加速度定義式計算減速運動時的加速度,學會在進行矢量運算時應選取正方向。

(3) 若試驗車以水平向東的速度v=36km/h正面撞擊正前方另一速度也是v=36km/h水平向西行駛的汽車,經時間t2=0.16s兩車速度減小為零，求此碰撞過程中汽車的加速度。

拓展:若上述撞擊發生后,經時間t2=0.16s兩車以相同的速度v1=18km/h一起向西運動,求此碰撞過程中汽車的加速度。

設計意圖:使學生會在多個物體的運動情境中如何合理選擇研究對象,增強將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型的意識。

總之,對于物理概念的教學,要想使學生“知其所以然”,教師就必須從具體的問題情境入手,引導學生建構物理模型,在建立概念的基礎上深入理解概念,然后在具體的情境中加以綜合應用,即物理概念教學要從“重知識”向“重過程”轉變,只有這樣,學生才能真正理解概念、提升思維能力。