物理教學中提取大概念的基本路徑

蔡千斌

(溫嶺市新河中學，浙江 臺州 317502)

所謂大概念,就是在一組概念群(或事實)中起核心引領作用的概念．它不同于常見的諸如速度、加速度、力這樣一定用一個詞來表達的概念,而是用“一個詞、一個短語、一句話或一個問題”來表達的概念．大概念猶如一個概念(或事實)的文件夾,將各個小概念(或事實)用一個無形的框架聯接起來,使離散的小概念(或事實)相互聯系起來形成一定的結構,用來解釋更大范圍內的科學事實與現象,具有比小概念(或原有事實)更強的應用功能與遷移功能．但是大概念具有內隱性,不去揭示就不會自動呈現．因此在物理教學中需要我們去積極提?。蟾拍钸€具有高度的抽象性,提取它并非易事,需要按照一定的路徑才能提取到．通過實踐我們總結了物理教學中提取大概念的基本路徑,現詳述如下．

1 概念關聯路徑

1.1 掛靠式關聯路徑

加強小概念間的聯系,尋找相互關聯的聯接點,通過尋找到的聯接點將各個小概念聯接起來,掛靠在一個大概念上．再尋找大概念與大概念之間的關聯點,又掛靠在一個更大的大概念上．這些小概念與大概念之間靠聯接點掛靠在一起,形成一個樹狀的穩固結構,如圖1所示．這種提取大概念的路徑可以稱之為掛靠式提取路徑．在做大概念的過程中,提取出的物理大概念,具有更普遍的意義．

圖1 掛靠式提取路徑

案例1: 從小概念間的關聯點中提取出大概念．

如表1所示,通過比較拉力、壓力、支持力3種力的方向,剖析其產生的原因,找到施力物體形變方向與各力方向的關聯點與共通之處,提取出“彈力方向與施力物體形變方向相反”這個大概念．

表1 從小概念間的關聯點中提取出大概念

1.2 融合式關聯路徑

將幾個較小適用范圍的小概念集中在一起,根據它們共通的性質融合成一個大概念,如圖2(a)所示．隨著認識深度的增加,還可繼續將幾個適用范圍較大的大概念集中在一起,根據它們共通的性質融合成一個更大的大概念,如圖2(b)所示．這種提取大概念的路徑可以稱之為融合式提取路徑．在做大概念的過程中,提取出的物理大概念,具有更廣的適用范圍．

圖2 融合式提取路徑

案例2:融合式提取彈力方向的大概念．

翻開任何一本高三一輪物理復習用書,都有如表2所示左邊3列的歸納方式．將彈力方向按“面與面接觸、點與面接觸、點與點接觸”3種接觸類型進行歸納,說明這3種類型的彈力方向并提供表2“舉例”這一列的樣例．僅僅這樣分析后,讓學生解決如下問題:“如圖3所示,質量分布均勻的正方體物塊靜止在斜面AB與擋板BC之間,已知正方體物塊的質量為m,斜面的傾角為θ,與正方體物塊接觸的各個面均光滑,求接觸面AB、BC對正方體物塊的彈力大?。苯Y果有些學生在受力分析時,將BC對正方體物塊的彈力方向畫成沿ON方向,也有學生則畫成沿OP方向．究其原因,就是沒有提取出判斷彈力方向的更大適用范圍的大概念．其提取路徑可如表2中的第4、5兩列所示．經過這樣的提取,利用獲得的大概念可以順利解決圖3之類的問題,收到較好的效果．

表2 融合式提取彈力方向的大概念

圖3 判斷彈力方向

1.3 自上而下式貫通路徑

按自上而下的方式梳理各個小概念,大膽地突破單元的局限,從方法論的角度在單元內提取大概念,甚至跨單元提取大概念,將小概念變大成為大概念．例如方法統率路徑就是這樣一種方式．我們可以基于“物理思想方法”的路徑自上而下地將一個單元或一個模塊甚至幾個模塊的小概念貫通起來．

案例3:以科學方法為大概念統率多個小概念．

1.4 自下而上式貫通路徑

對應自上而下地提取大概念路徑的是自下而上地提取大概念路徑．基于“物理事實——物理觀點——物理觀念”的路徑就是自下而上式提取大概念路徑的方式．這種提取路徑事先不清楚由哪一個大概念統率,需要逐步深化,才能逐漸明朗,最后凸顯出一個大概念．

案例4:沿“事實——觀點——觀念”自下而上式提取大概念的路徑．

摩擦力一定是阻力嗎?學生憑生活經驗普遍認同這一說法．教師按表3所示路徑,采用事實、觀點的方式,分別分析靜摩擦力、滑動摩擦力在何種情況下是動力、何種情況下是阻力,最后提取出“摩擦力既可以是動力也可以是阻力”這樣一個物理觀念,即比靜摩擦力、滑動摩擦力更大的大概念．

表3 自下而上式提取大概念

2 專家思維路徑

2.1 揭示式路徑

專家與新手相比,專家更關注的是問題解決的通法．有時通法是隱蔽的,需要揭示才能顯現．這就是運用揭示法獲得通法的專家思維路徑．

案例5:揭示式獲得“帶電粒子在復合場運動”的一個通法．

圖4 帶電粒子在復合場中的運動

其揭示式路徑如下.

問題1:粒子做什么運動,軌跡如何?(電場力不變,洛倫茲力大小方向在改變,真實的軌跡很難描繪．)

問題2:如果將電場力平衡掉,只有洛倫茲力作用,粒子僅做勻速圓周運動就簡單了,那么如何平衡電場力呢?(將速度矢量分解,某一合適的速度對應的洛倫茲力剛好與電場力平衡．)

問題3:粒子實際的運動可分解為怎樣的兩個分運動?(沿水平方向的勻速直線運動與磁場中的勻速圓周運動)

問題4:解決這類問題需要提取什么樣的大概念?(需要提取“處理復雜運動的基本方法”這個大概念來進行處理．)

2.2 類比法路徑

在提取大概念的思路受阻時,類比是一種很好的方法,有助于迅速地獲得提取大概念的路徑．通過類比法獲得問題解決的一種大思路,即大概念．

案例6:自感電路的等效法處理．

在如圖5所示的電路中,3個相同的小燈泡a、b、c和電感線圈L1、L2與直流電源連接,其中電感線圈的直流電阻忽略不計,開關S從閉合狀態突然斷開時,a、b、c3個小燈泡的亮暗情況將發生怎樣的變化．

圖5 自感電路

新手在處理這個問題時感到迷茫的一點是:當開關S從閉合狀態突然斷開時,L1上的電流有無通過c燈,L2上的電流有無通過a燈、b燈?如果有,這些電流怎么分配?

專家則從問題解決的角度來看,關鍵是要搞清楚開關S斷開前后通過小燈泡的電流是怎么流動的這個問題．因此,需要從科學方法的角度來提取大概念,類比電路簡化的思路,運用電路的等效法這個大概念來處理．開關S閉合,電路穩定時,電感線圈等效于導線,等效電路如圖6 所示．3個小燈泡中通過的電流相等,都為I．開關S從閉合狀態突然斷開時,電源E不起作用可去掉,等效電路如圖7所示．電感線圈L1、L2由于自感現象電流不能突變,要維持原來的電流,所以通過b、c兩個小燈泡中的電流要從I開始逐漸減少為0,即逐漸變暗至熄滅．而a小燈泡與電感線圈L1串聯,通過a小燈泡中的電流從穩定時的I突然增大到2I然后逐漸減少到0,則a小燈泡的亮度突然變亮然后逐漸變暗至熄滅．采用這樣的方式就避開了新手腦中電流怎么分配的問題,能迅速破解這個難題．

圖6 等效電路1

圖7 等效電路2

2.3 縱向追溯路徑

從新舊知識的形成原因上進行追溯，在縱向對比中,揭示出物理現象的本質,進而提取出物理學大概念．這樣一種追溯本源的提取路徑,是深度學習的表現．通過這樣的提取路徑,使學生能真正運用大概念將小概念統率起來．

案例7:電流表、電壓表大概念的縱向追溯．

學生在初中學過電流表、電壓表的知識,認為:電流表是測電流的電表,沒有電阻,使用時要串聯到被測電路中;電壓表是測電壓的電表,內阻無窮大,使用時要并聯到被測電路中．給學生的感覺是電流表與電壓表是截然不同的兩種儀器,兩者沒有什么瓜葛．到高中學了電表改裝后才知道:實際的電流表與電壓表都是由同一種電流表表頭改裝而成的;電流表是有內阻的,只不過電阻較小在初中視為內阻為零的理想電流表;電壓表內阻也不是無窮大,只不過是電阻很大在初中視為內阻無窮大的理想電壓表而已．基于高中所學電表改裝的方式,揭示出電流表與電壓表的“物理本質”,尋找到本質相同的地方,進而提取出物理大概念．這就是通過加強新舊知識的對比,采用知識溯源的方式提取大概念的路徑．具體如表4所示．

表4 從新舊知識的縱向對比中提取出大概念

3 總結

把零散的小概念串接起來,組成一個大概念,有利于學生像專家那樣思考與解決問題．由于大概念具有內隱性和高度的抽象性,需要提取才能為我們所用．本文從概念關聯路徑與專家思維路徑兩個角度梳理出提取大概念的幾條路徑,為大概念在素養課堂教學中的落實提供了有力的保障．