關注概念規律的深層理解,促進物理觀念的有效形成

◇ 北京 吳愛兄 張國玉 金朝娣

近年來,高考物理試題除對物理知識點的考查外,更關注知識背后核心素養的落實情況.物理學科的核心素養由物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任四個方面構成.物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動、相互作用和能量等的基本認識,是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華,是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.所以對物理概念、規律的理解和掌握是形成物理觀念最重要和最基礎的一步,也是培養學生物理學科核心素養的重要一環.高考物理題中對物理觀念的考查主要以物理概念規律的形成過程、深入理解、實際應用為載體,重點考查學生的理解推理能力和綜合分析能力.

本文以選擇題為例,談一談高考考查物理觀念的試題特點和對高三復習的啟示.

1 試題分析

【原題呈現1】在真空中某點電荷產生的電場中有a、b 兩點,a 點的電勢為φa,電場強度大小為Ea,方向與連線ab 的夾角為53°.b 點的電勢為φb,電場強度大小為Eb,方向與連線ab 的夾角為37°.則a、b 兩點的電場強度大小及電勢高低的關系正確的是( ).

A.Ea＞Eb,φa＜φb

B.Ea＞Eb,φa＞φb

C.Ea＜Eb,φa＜φb

D.Ea＜Eb,φa＞φb

圖1

1)物理觀念的考查角度

本題主要關注了物理觀念的形成過程.物理觀念的形成和發展需要學生通過物理概念、物理規律等內容的學習及運用才能逐步形成.本題通過考查學生對電場強度、電勢這兩個概念的深入理解來考查學生對于物質觀和能量觀的理解.

2)解題的策略分析

解決本題的關鍵是學生要清楚電場的形成過程和描述方法.知道典型電場的電場線分布特點和電勢的變化規律,了解電場線與等勢線的關系.明確電場是特殊物質,它具有力和能量的性質.知道分別用電場強度E 和電勢φ 以及電場線和等勢線(面)來描述的性質,清楚電場強度與電勢兩個概念的形成過程及概念的內涵和外延,頭腦中有點電荷的電場線和等勢線(面)圖景,問題就迎刃而解了(如圖2).

圖2

【原題呈現2】已知帶電粒子質量為m,帶電荷量為＋q,從A(0,l)點以初速度v0沿x 軸正方向射出,只添加以下某一條件,可以控制這個帶電粒子打到x 軸上的C(2l,0)點.(不計粒子所受重力,靜電力常量k 已知)下列說法正確的是( ).

D.添加垂直AC 連線方向的某勻強電場,也可能控制這個帶電粒子打到C 點

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

1)物理觀念的考查角度.本題主要關注概念規律的并聯建構.物理觀念是通過物理概念、物理規律的逐步學習、系統反思和遷移應用而逐漸發展起來的.本題通過考查帶電粒子在電場、磁場中運動的不同特點,來考查學生對這兩個場的深入理解,進而幫助學生去體會場這種物質的多樣性特點.

2)解題的策略與反思.本題主要考查的是電場和磁場對帶電粒子的控制作用.學生解決本題的關鍵是對電場、磁場進行并聯建構,清楚電場、磁場的同一性和差異性.能夠綜合分析帶電粒子在不同場中的運動規律和處理方法,就能找到問題的解決方案.所以在后續復習中應有意識地自主建立知識之間的并聯建構.將同一觀念下的相同規律、不同特點進行系統的比較梳理,是一種有利于系統地理解概念規律的方法.

【原題呈現3】三峽水力發電站是我國最大的水力發電站.三峽水庫蓄水后,平均水位落差約為100 m,用于發電的水流量約為1.0×104m3·s－1.如果通過水輪機以后水的動能忽略不計,水流減少的機械能有90%轉化為電能,按照以上數據估算,三峽發電站的發電功率最大數量級最接近( ).

A.1010W B.108W

C.107W D.105W

P＝0.9ρQgh＝0.9×1.0×103kg·m－3×1.0×104m3·s－1×10m·s－2×100m≈1010W.

可知選項A 正確.

1)物理觀念的考查角度.本題關注概念規律的實際應用,物理觀念只有在真實情境中解決問題時才能表現出來.本題以三峽水力發電為載體,考查學生對于能量觀念的理解,要求從能量守恒的角度去分析處理實際問題.

2)解題的突破點分析.學生解決本題有兩點障礙：一是不能有效地建立物理模型,將實際生活中的流量問題轉化為流體問題；二是不能從能量的角度思考問題,不能準確運用能量守恒和轉化思想去解決問題,也就是不能將真實的情境與能量觀念建立聯系,形成應用能量觀念處理問題的意識.

2 高三復習中有效形成物理觀念的策略

2.1 回歸教材、突破要點，把握概念本質

1)回歸教材,挖掘概念本質

教材是課標的具體體現,是教、學、考三方唯一可參考的交點.教材中對概念規律的闡述準確科學,對規律的認知過程層層深入.所以在復習中我們應在理解概念和規律上多下功夫.對于每個概念規律,一方面我們要清楚它是什么? 為什么? 還有些什么? 另一方面我們也要清楚它在教材中的呈現形式,梳理教材的編寫邏輯,思考這種邏輯帶給我們的啟示.

例如人教版教材對于“閉合電路歐姆定律”的編寫邏輯就可以梳理如圖8所示.

圖8

這樣的邏輯梳理能使我們從能量守恒、電路特點、圖象表征等多個角度對閉合電路歐姆定律有深入的理解.

2)突破要點,形成自我概念體系

我們對于任何一個物理概念規律內涵的理解都不可能是一次完成的,都是隨著學習的進程不斷進行的.而高三對概念的復習就是一個回頭看的過程,一個梳理整合的過程.這個梳理是圍繞核心問題展開的,例如我們對電場的梳理就可以追問以下問題：為什么要建立電場? 電場是真實存在的嗎? 它是一種物質嗎?如果空間中沒有試探電荷,電場還存在嗎? 電場具有哪些性質? 這些性質有哪些特點?

回答這些問題的過程就是梳理物理概念的內涵和外延的過程,就是準確理解物理概念、物理規律形成的過程,就是突破要點形成體系的過程,其最終目的是形成我們對一章知識的自我理解,建立自己的知識體系.

2.2 多維建構，促進概念規律的深層理解

高考考查的不僅僅是單一知識點,更是對知識系統化的知識的理解和應用,因而只有形成知識體系,才能比較清楚地了解物理知識的因果關系,從全局的高度去總攬物理知識,進而形成物理觀念.在復習中應提升自己的整合建構能力,既要關注知識體系的建構,也要關注認知方式的建構.

1)圍繞知識的內在聯系的建構

按照物理知識的內在聯系,建構物理知識體系,是指建構不同概念、規律及其關系在同一主題中的內在聯系,強調物理知識本身的系統性和邏輯性.所以,這種建構就要打破課程模塊和教材中的章節順序的束縛,按知識的內在邏輯關系建構完整的物理知識體系.我們可以采取知識歸類法,即將有關物理知識進行分類,并建立各類別概念規律之間的關系.既可以采用概念圖的方式,也可以采用表格分類的方式.

表1就是利用表格分類法,對運動做的縱向梳理.

表1

通過這樣的梳理,我們對于運動的形式、種類、特點、處理方法獲得了系統的認識,形成真正的運動觀念,并能利用這種觀念去處理實際問題.這樣的梳理也有助于在解決問題的過程中根據實際情境特點,快速準確地提取有效信息,建立合理的運動模型,運用正確的方法處理問題.

2)圍繞核心概念的并聯整合

中學物理是以為數不多的核心概念和規律為主干構成的完整體系,知識之間具有并聯性、層級性和系統性.圍繞核心概念來整合物理學科內在的知識,強調的是對核心概念的認知發展的建構,這種建構是一種認知方式的建構,重點體會不同概念的內在統一性和一致性.可采取類比遷移法,一方面要找出知識間的異同,另一方面要深化對知識的認識.最重要的是從客觀事物本身去理解概念,進而形成觀念.對于場這一概念可以比較電場和磁場兩種場的差異,如電場線與磁感線、保守場和非保守場、有源場和無源場.也可以結合重力場對三種場進行橫向比較,從而更深入地理解場這一物質觀念.表2為場的橫向比較.

表2

對場的特點和性質的橫向比較過程,就是深入理解場的物質屬性的過程,也是深化理解電場強度的概念、勢的概念的過程.

任何物理概念和規律的得出都需要經過科學思維加工,不是隨手拈來,也不是死記硬背.我們只有參與到物理概念和物理規律的推導中來,明白科學知識的由來,掌握科學推理的過程,通過事實依據和科學觀察總結物理規律和概念,自主完成構建,進行內部消化和升華,并在實踐中利用物理知識解決實際問題,才能促進物理觀念的有效形成.