概念學習與規律探究整合教學設計

李海暢 楊勇誠

［摘 要］部分物理教師認為，學生只有建立了清晰的物理概念，才能進行有效的物理規律探究。但是，人對自然界事物、現象的概念形成都源于對自然規律的探究，也就是說物理概念的建立寓于物理規律的探究過程之中。文章將對“機械功”概念的學習與對“功的原理”的探究整合起來組織教學，旨在讓學生在探究活動中形成生動、完整的“功”的概念，達到一舉兩得、事半功倍的教學效果。

［關鍵詞］概念學習；規律探究；機械功；功的原理

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2022）20-0029-04

《義務教育物理課程標準（2022年版）》提倡在教學過程中注重科學探究，突出問題導向；強調創設真實問題情境，引導學生不斷探索；重視培養學生分析問題、解決問題的實踐本領和科學思維能力，發展學生的核心素養。《義務教育物理課程標準（2022年版）》倡導教學方式多樣化，鼓勵教師在教學實踐中靈活選用教學方式。因此，物理教師要根據教學目標、教學內容、教學對象及教學資源等實際情況，設計符合課程理念的教學活動，帶領學生在真實問題情境中探究物理規律，在揭示物理規律的同時形成生動的物理概念。

一、 存在的問題與破解思路

部分物理教師認為，學生只有建立了物理概念之后，才能夠進行有效的物理規律探究。這種片面的認識導致教師在沒有充分鋪墊的前提下，直接給出物理概念，試圖通過對文字的解釋來幫助學生形成物理概念，再用刷題的方式幫助學生鞏固概念。但是，這種行為，從人對自然認知規律的角度而言無疑是本末倒置的。僅僅通過文字的鋪陳和咬文嚼字式的解讀，很難讓學生真正將物理概念內化為物理模型，而且填鴨式教學也會導致課堂學習變得枯燥乏味，催生學生的厭學情緒和畏難心理。加上學生在尚未形成生動、完整的物理概念的情況下刷題，反而會固化思維。因此，不符合學科特征和學生認知規律的教學，既不能幫助學生掌握科學探究方法和科學思維方式，又不能促進學生科學態度的形成，更不能培育學生正確的物理觀念。

不管教師用什么方式方法進行概念教學，學生的學習都必須經歷四個環節，即反芻經驗、實驗探究、思辨明理和實際應用（見圖1），將物理概念的建立寓于物理規律的探究過程之中，兩者是一個不能分割的整體。

（一）反芻經驗，摸清學習基礎

教師首先要創設情境，幫助學生反芻經驗。我們常說教學需要以問題為導向，那么問題從哪里來？不是教師硬塞給學生的，而是學生在司空見慣的生活現象中發現的，這樣的問題才能激發學生探究的欲望，集聚學生學習的動力。學生發現問題的過程也是教師了解學生的知識儲備和前概念等情況的過程。對于學生頭腦里正確的前概念，教師就要在學生探究過程中不斷強化，不斷豐富充實。如果發現學生的前概念是模糊的，甚至是錯誤的，教師就應通過探究活動，引發學生的思維沖突，通過不斷矯治、不斷修正，幫助學生形成正確的物理概念。所謂的“以學定教”，絕對不是學生學習前發一份試卷讓他們做一做那么簡單，基于學生經驗的教學才是真正的“順學而教”。

（二）實驗探究，建立概念“粗坯”

科學探究不能局限于教材上那幾個“萬事俱備只欠東風”的實驗，這些已經設計好了的實驗無非是教師規范學生開展探究的示范性案例。要幫助學生建立正確、生動的物理概念，需要學生參與在真實情境中對物理真問題進行探究的活動，也就是說學生的探究活動不能過度預設，沒有“山重水復”的經歷，就沒有“豁然開朗”的體驗。要幫助學生在“真”探究過程中形成生動的物理模型，作為思維的基點、經驗的生長點、概念形成的立足點，該模型被我們稱為物理概念的“粗坯”。

（三）思辨明理，形成完整概念

從“實驗事實”到“科學真相”的“最后一里路”就是思辨，這個過程不僅是實驗觀察到的現象、采集到的數據轉變為“證據”的過程，還是物理概念形成的關鍵環節，更是物理模型被學生大腦中固有的“圖識”同化建立新的心智模式的過程。但是，教材中提供的探究案例，由于過度的預設，將實驗事實與科學真相劃上“等號”，導致實驗探究缺少學生的思辨活動，淡化了學科特征，淪為課程常識教學。

（四）實際應用，立體內化概念

運用物理知識解決實際問題，不僅能強化物理概念，而且是一個發展學生關鍵能力、提升學生必備品格不可缺少的過程。但是，解題不能替代學生的實踐活動，更不能替代物理概念的教學過程。把物理概念的建立寄托在大量的解題訓練上，是不利于提升學生思維品質的。一切物理概念的形成都應是源于解決生活中的實際問題，概念學習應融于規律的探究之中，也就是只有將概念的抽象與現象的具象緊密結合，學生才會獲得豐滿而又立體的物理概念。

二、教學設計與案例分享

教師在教學時應將“機械功”概念的學習與“功的原理”的探究整合起來，讓學生在問題的引導下，在探究“功的原理”的過程中建立“功”的基本概念。

（一）開門見山，提出問題

學生學習簡單機械后都有了一定的相關經驗，即省力杠桿費距離，費力杠桿省距離。滑輪組提升重物能省力，但繩子自由端通過的距離比物體抬升的高度要大。教師順勢向學生提出問題：力與在力的方向上通過的距離是否存在著一定的數量關系呢？這個問題源于學生經驗，教材上也沒有預設，因此對學生而言具有一定的挑戰性。

（二）回顧遷思，設計實驗

探究力與在力的方向上通過的距離的數量關系，最核心的操作就是改變作用在機械上的力的大小，測出在力的方向上通過的距離。如何改變力的大小？學生憑經驗知道有兩種方式：一是改變提升重物的重力；二是改變作用在杠桿上力的位置（改變力臂）或者改變動滑輪數量。這兩種方式哪個比較合理？學生討論后認為第二種方式比較合理，原因是實驗需要控制變量。

教師順勢再提出問題：控制哪些變量？如何控制？學生想到的是：使用同一根杠桿或同一組滑輪、控制重力大小不變、提升重物的高度保持一致、重物在杠桿上的懸掛點不變等。教師需要提醒學生思考：如何控制測力計的重力對實驗的影響？為此，應盡可能地在豎直方向上拉動機械。

通過問題導向，幫助學生邊反芻經驗邊完善實驗設計。

（三）實驗探究，啟思明理

圖2、圖3分別為利用杠桿和滑輪組提升重物的裝置。如果課堂教學時間有限，可以讓學生選擇其中一個裝置開展探究活動，也可以抽簽決定用哪個裝置進行探究。

以圖2實驗為例，學生在測力計校零后，分別在杠桿1，2，3三個點位上通過測力計豎直、勻速提拉杠桿，每次讓3牛重的物體抬升10厘米，測出點位相應提升的高度[s]，同時測出拉力[F]的大小，一并記錄在表1中（表中數據為某一小組的實測記錄）。教師引導學生分析，在不同點位上完成同一項工作，即提升同一個重物到同一個高度，使用的力的大小不同，在力的方向上通過的距離也不同，但是力與在力的方向上通過的距離的乘積是相等的，這時“功”概念的“粗坯”開始形成。為了突顯探究結果的可靠性，教師收集不同小組的測量數據，最后發現結果是完全一致的。

用同樣的方法，針對選用滑輪組（圖3）探究的小組收集的實驗數據進行分析，得出“使用不同數量的動滑輪提升同一個重物到同一個高度，使用的力的大小不同，在力的方向上通過的距離也不同，但是其乘積是不變的”的結論。通過組間數據比對，學生在頭腦中不斷地加深“[F?s]”的印象，豐富“功”概念的“粗坯”符號，逐步形成物理模型。

再將使用杠桿和使用滑輪組探究的實驗合起來觀察，發現用不同的簡單機械做同一項工作，力與在力的方向上通過的距離的乘積都是相等的，進一步強化“功”的概念。就在學生的思維發展處于“水到渠成”的關鍵時刻，教師拋出“功”的概念：物理學上，把力與在力的方向上通過的距離的乘積稱為“功”，功是一個重要的物理量。接下來再介紹功的計算公式和功的單位。[F?s]的物理意義就是人對機械做的“功”，也就是說：用不同機械做同一項工作，人對機械做的功是相等的。這時，功的原理“粗坯”在功的概念基礎上逐漸形成。

學生通過探究、思辨，自然體會到功不是一個教師硬塞給他們的物理概念，而是基于物理事實的發現。學生頭腦中一個抽象的概念與具體的物理事實產生關聯，使得生動的物理模型轉化為深刻的心智圖識。

（四）由此及彼，窮幽極微

教師要求學生進一步觀察實驗數據，看看還能發現什么。學生通過交流，發現力與在力的方向上通過的距離的乘積（[F?s]）等于物體重力與物體提升的高度的乘積（[G?h]）。由此教師再提出問題：如何驗證這個發現的可靠性？讓學生繼續設計探究方案。

新問題是在學生探究過程中自然形成的，而且是一個真實的問題，這就能充分激發學生的探究欲望，使學生開啟深度學習“模式”。要進一步探究這個問題，那么物體的重力和提升的高度也就成了變量，學生既要測拉力和在拉力的方向上通過的距離，又要測出物體的重力和物體提升的高度。這時，變量的增多使得探究活動進階，探究活動變得更加開放。學生利用杠桿或滑輪組進行自主探究，并將實驗數據記錄在表2中。學生通過實驗，發現并證實了[F?s=G?h]。

重力與物體提升的高度的乘積具有什么物理意義呢？通過師生討論，歸納出[G?h]就是人不通過機械直接對物體做的功。也就是說，使用機械可以省力，也可以省距離，但是不能省功。“人通過機械對物體做的功等于人直接對物體做的功。”功的原理在抽絲剝繭中呈現出來。在這樣的教學過程中，學生對功的概念理解更加自如、更加豐滿。

作為探究活動，到此已經完成，但是要強化學生對功的概念和功的原理的理解，還需要在課堂教學中引導學生進行實際運用。

三、教后反思和認識提升

在真實情景中對實際問題進行探究，在探究活動中體驗物理過程、觀察物理現象、建立物理概念、解釋物理規律，不僅是我們認識自然的一般方式，還是我們學習物理的主要方式。真情境、實探究要靠物理教師創造性的勞動來實現。

（一）物理概念學習與規律探究整合教學符合學生的認知特點

一是概念的建立是寓于人對大自然的認識活動過程之中的，對大自然的認識過程就是一個對未知世界進行探究的過程。物理概念也不例外，需要學生在探究物理規律的過程中建立起來，在實踐中豐滿起來。離開了學生探究活動，靠教師的一味灌輸形成的概念，無助于學生的素養提升和能力提高。

二是初中生處于形象思維向抽象思維發展的關鍵階段，雖然他們具備了一定的邏輯推理能力和抽象地表達事物本質特征的能力，但是他們的抽象思維在很大程度上還屬于“經驗型”，即在他們的抽象思維中具體形象的成分仍然起著重要的作用。因此，對物理概念的理解和內化，僅靠文字、符號是遠遠不夠的，需要活生生的情境、鐵錚錚的事實作為觸發思維進階的基礎，需要生動形象的物理模型為概念的形成鋪陳，一句話，概念的形成不是一蹴而就的。

三是初中生還不能在觀察中注意到事物的細微處，不能長時間地專注于一件事物，但是物理概念的學習需要學生經歷一個去偽存真、由表及里、由此及彼的內化過程，需要學生聚神和專注，而富有挑戰性的探究活動，正好能幫助學生克服年齡特征對學習的負影響，使學生從學習中獲得成就感，更好地促進學生深刻思維和深度學習。

（二）物理概念學習與規律探究整合教學符合物理學科特征

物理實驗既是研究物理、學習物理的手段，也是物理學的一個重要組成部分，將物理概念的學習與物理規律的探究整合起來組織課堂教學，就是將動手操作與思辨明理統合，強化了物理實驗的重要性。近年來，初中物理課堂中低思維含量的重復性、體驗性實驗比比皆是，在真實情景中對真實問題進行探究的實驗較少，即便有探究，也常局限于教材上僅有的幾個預設性很強的、作為探究范例的活動。這樣的探究僅僅是為了滿足學生的體驗，根本不能當作物理學科教學內容，失去了物理學科的基本特征，這種課堂樣態不是我們需要的。我們把物理概念學習和物理規律教學整合在一個真探究的活動之中，從教與學的方式尋找突破口，就能從根本上清除物理課程教學中的“頑瘴痼疾”，讓物理課堂靈動起來。上述教學設計在實際操作中，不論是教師的教，還是學生的學，都呈現出積極、活躍的一面，也不會因為探究預設的減少，而使學生望而卻步。恰恰相反的是，因為有了挑戰，學生的參與度更高。

（三）物理概念學習與規律探究整合教學符合新版課標要求

物理概念學習與規律探究整合教學中，教師基于學生經驗，積極創設問題情境，學生在問題的引導下開展探究活動，在“做中學、用中學、研中學”的活動中，發現知識、掌握技能、生長經驗、發展創新思維、提升思維品質。教師應幫助學生學會從經驗中去認識、發現事物的共同屬性和事物之間的內在聯系，積極地內化知識，促進經驗常識轉化為物理概念。學生在解決實際問題的過程中主動運用知識，在運用知識的過程中學習新知識、新技能，發展關鍵能力，提升必備品格。應讓學生感覺到知識的進階、技能的拔節和經驗的生長，體會到物理學習給他們帶來的快樂。

物理概念學習與物理規律探究整合教學絕對不是初中物理教學的創新之舉，而是讓初中物理教學返璞歸真的實踐，目的就是讓物理學習走進學生的生活，同時帶領學生走進社會、走向大自然，充分發揮物理學科的育人功能，積極培育學生的物理觀念、發展學生的科學思維品質、提升學生的科學探究能力，培養有科學精神和態度、有社會責任的新時代好公民。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］ ?楊勇誠.初中物理教學中提高科學探究實效性的五項建議［J］.中學物理教學參考，2020（9）：1-4.

［3］ ?鄭青岳.如何幫助學生更深刻地理解“功”［J］. 物理教師， 2019（7）：41-42，46.

（責任編輯 易志毅）