基于學生前概念培育物理觀念的教學實踐

摘"要：學生的前概念是他們進一步學習物理新概念的基礎，但同時也可能會對他們的學習造成干擾。教師應重視前概念對學生學習新知識的影響，在教學時創設情境問題或探究實驗以引發學生的思維沖突，顯化學生的前概念。通過實驗、類比和遷移等方法，幫助學生建構新概念體系，培育學生的物理觀念。

關鍵詞：前概念；物理觀念；教學實踐；磁場；磁感線

美國著名教育心理學家戴維·保羅·奧蘇貝爾（David Pawl Ausubel）曾經說過：“影響學生學習最重要的一個因素乃是學生已經知道的東西，教師應當肯定這一點并據此教學。”“已經知道的東西”指學生在正式學習某個知識之前，頭腦中基于已有的經驗和觀點形成的對該知識的的認識，即前概念。［1］

1"基于學生前概念培育物理觀念的教學策略

學生的前概念可能會幫助他們進一步正確理解新的物理概念，但也有可能對他們的學習造成干擾。學生錯誤的前概念，會成為學習新知識的障礙。因此，為了使學生能正確理解新知識，教師需要讓學生摒棄錯誤的前概念。教師應當對學生的前概念有充分的了解，在教學中將學生的前概念進行顯化和解構，并基于學生前概念進行有效的教學，幫助學生形成正確的物理觀念。本文以“磁場"磁感線”教學為例，進行教學實踐，其主要教學策略模式如圖1所示。

2"“磁場"磁感線”的教學設計

“磁場"磁感線”是人教版《普通高中教科書"物理"必修"第三冊》第十三章的第1節內容。該章內容涵蓋廣泛，從磁場到電磁感應，從電磁場到電磁波再到微觀世界的量子化，整體跨度較大。學生在初中階段對其中部分內容已經有了初步的認識。雖然學生在初中階段對第1節“磁場"磁感線”涉及的磁場和磁感線兩部分內容已有所接觸，但是他們的理解通常較為淺顯，記憶的成分多于理解，且其中不乏一些錯誤的記憶。這些前概念的存在，會對學生正確理解新的物理概念形成干擾。

為幫助學生建立正確的電磁統一觀念，本節課的主要設計思路如下：首先，通過趣味實驗激發學生興趣，提出研究問題，鼓勵學生表達個人觀點；其次，通過實驗驗證來引發認知沖突，豐富學生的物質觀念和相互作用觀念；再次，利用電場作為類比，深入剖析“電場線”與“磁感線”作為“線”的本質，培養學生的抽象建模能力及科學思維；然后，通過對比通電螺線管與條形磁體的磁場分布，使學生理解“電生磁”的現象；最后，拓展至“磁生電”的討論，初步引導學生建立電磁統一觀念的框架。

2.1"創設問題情境，顯化前概念

學生腦海中的前概念通常是零散的、混亂的，他們對自己已具有的概念并不清楚，而且不同學生的前概念也各不相同。因此，教師有必要采用特定的方式來明確并顯化學生的前概念。物理觀念是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。為了將學生頭腦中的前概念顯化出來，教師可通過解釋現象或解決實際問題的方式來實現。因此，創設相關的情境問題，不僅是為了激發學生的興趣，更是為了在解決問題的過程中顯化學生的前概念，從而讓教師和學生都能對學生的前概念有清晰的了解。

教學片段1：以趣味實驗提出問題，學生各抒己見。

演示實驗：教師準備幾枚硬幣放置在水平桌面上，手中暗藏一塊強磁體。將手靠近硬幣，硬幣被吸起，形成了一條長鏈條。

生：老師手里肯定有一塊磁體。

師：展示磁體，并讓學生試著說出磁體的特性。

生：同性相斥、異性相吸。

師：電荷之間也是同性相斥、異性相吸，電荷的相互作用和磁體的相互作用如此相似，你們認為電和磁有聯系嗎？為什么？

學生各抒己見。

師：從大家的回答中可以看出，要找到兩種相互作用之間的聯系，我們需要對這兩種相互作用進行探究。實踐出真知，我們用事實說話。

設計意圖：通過趣味實驗激發學生的學習興趣，通過學生的“說”來顯化學生對磁場的前概念。學生可能會答出奧斯特實驗、磁場對通電導線有力的作用等正確知識點，也可能會答出“靜電荷能產生磁場”等錯誤的觀點。教師無需立即對學生提出的觀點進行評價，因為學生在后續的學習中自己會判斷。

2.2"設計探究實驗，引發認知沖突

學生的前概念是根深蒂固的，想要撼動學生的前概念，就需要引發他們強烈的認知沖突。教師可以從學生的觀點出發，設計一系列探究實驗，讓學生在操作過程中發現與已有觀念相矛盾的實驗現象，以此激發學生的學習興趣。此外，教師還可以改變實驗條件，讓學生進行多次探究實驗，讓他們在操作過程中發現問題，從而完善他們對概念的理解。

教學片段2：靜電荷和小磁針之間是否存在作用力？

演示實驗：毛皮摩擦過的橡膠棒吸引小磁針的北極。

橡膠棒能吸引小磁針。

師：橡膠棒吸引小磁針和磁體吸引小磁針的原理一樣嗎？怎么證明？

生：用橡膠棒吸引小磁針的南極試試，如果排斥，兩者原理就是一樣的。

演示實驗：橡膠棒能吸引小磁針的南極。

師：實驗現象說明兩者作用原理不一樣。那出現這種實驗現象的原因是什么？

生：可能是帶電物體具有能夠吸引輕小物體的性質。

師：怎么驗證？

生：將小磁針換成鋁片或銅片試試，或者將小磁針靜電屏蔽試試。

演示實驗：橡膠棒能吸引鋁片或銅片。用金屬絲將小磁針靜電屏蔽后不能再被橡膠棒吸引，但仍能被磁體吸引。

設計意圖：制造思維沖突，破除舊觀念。帶電橡膠棒能吸引小磁針的現象，會讓那些認為“靜止電荷不能吸引小磁針”的同學大感驚訝；隨后進行的實驗驗證，則會給認為“靜止電荷能吸引小磁針”的同學帶來了強烈的認知沖擊，使他們深入理解到靜止電荷吸引小磁針的本質，進而促使他們改變原有觀念，樹立起正確的觀念。

教學片段3：通電導線和小磁針之間是否存在作用力？

探究實驗：通電導線和小磁針位置可隨意放置，觀察小磁針偏轉情況。教師請觀察到實驗現象的同學上講臺展示，并講述實驗成功的原因。

設計意圖：學生在初中階段已經學習過奧斯特實驗，但那時的學習主要停留在識記層面，對實驗原理的理解較為粗淺和模糊，對實驗條件的把握不夠深刻。學生原本知道通電導線可以使小磁針偏轉，并在實際操作中也確實觀察到了這一現象。然而，當有些學生在講臺上進行演示時，卻意外地發現無法清晰地觀察到小磁針的偏轉現象，這一結果與他們頭腦中的既有觀念產生了沖突。通過這次經歷，學生深刻體會到了實驗條件對實驗結果的顯著影響，進而加深了對電流對磁體作用原理的理解。在此基礎上，學生繼續探究磁體與電流、電流與電流之間的相互作用，從而深刻地認識到磁體與磁體、磁體與電流以及電流與電流之間的相互作用都是通過“磁場”這一媒介來實現的。

2.3"類比前概念，建構物理觀念

類比是科學發現中廣泛使用的一種方法，它也可以為學生建立正確的物理觀念。通過將原有的或新近獲得的知識進行類比，可以使新知識更容易被理解和接受。這種方法為學生掌握新概念提供了一個有效的學習途徑。特別是在學習“場”這種抽象的概念時，利用前概念進行類比，能夠為學生在建構新的物理觀念時鋪設學習臺階。

教學片段4：如何形象地描述磁場？

師：磁場看不見摸不著，那怎樣形象地來描述磁場呢？

生：可以用磁感線來描述。

師：你能用磁感線描述條形磁體的磁場嗎？

學生在紙上畫出條形磁體的磁感線。

師：你畫的磁感線能否準確描述該條形磁體的磁場？怎么驗證？

生：可用小磁針來驗證。

師：你是怎樣想到用小磁針來驗證的？

生：前面學習過的電場就是通過利用試探電荷所受的力來描述電場線的。小磁針在磁場中會受到力的作用，所以可以利用小磁針來探測磁場方向。

學生利用小磁針驗證時，發現小磁針不夠小，驗證有困難。

師：怎樣才可以有更小、更多的小磁針，來更方便地進行驗證？

生：可以利用鐵屑。

學生將條形磁體置于放有大量短小鐵屑的塑料片上，然后將已畫好的條形磁體磁場圖覆蓋在條形磁體上方

進行驗證。

師：你畫的磁感線能準確描述該條形磁體的磁場嗎？條形磁體的磁感線有什么特點？磁感線與電場線之間有哪些異同？

學生進行回答并作出總結。

設計意圖：學生在初中時已經學會利用磁感線來描述磁場，但是對磁感線的繪制過程并不了解。通過親自繪制磁感線并進行實驗驗證，學生深入理解了磁場方向的定義，以及磁感線作為“線”的本質。這一過程讓學生認識到，磁感線是將抽象的“場”概念形象化的工具，進而掌握了如何運用這一工具來分析和理解磁場問題的方法。

教學片段5：如何描述通電直導線的磁場？

師：利用小磁針可以探測出條形磁體周圍的磁場分布。通電直導線周圍也存在磁場，能不能利用小磁針探測出通電直導線周圍的磁場分布呢？

探究實驗：通電直導線水平或豎直放置，學生通過改變小磁針和通電直導線間的位置關系，探測通電直導線周圍的磁場分布，并嘗試用磁感線來描述該磁場。

學生展示實驗結果，并講述理由。

教師演示通電直導線周邊大量短小鐵屑的分布情況，和學生一起用磁感線畫出通電直導線周圍的磁場分布。

師：改變通電直導線中的電流方向，你能畫出此時通電直導線周圍的磁場分布嗎？

請學生分別畫出此時通電直導線周圍磁場分布的俯視圖、側視圖和立體圖。

師：請大家觀察電流方向和磁場方向有沒有規律？

生：電流方向和磁場方向始終是垂直的，不同方向的電流產生的磁場都可以通過空間旋轉來相互對應。

師：你有沒有辦法可以很方便地找到電流方向和磁場方向的關系？

生：右手螺旋定則（安培定則）。

師：一定要用右手嗎？左手可不可以？不用手可不可以？

師生共同回顧安培定則的使用方法，并明確安培定則作為一種工具的特性。

設計意圖：通過類比使用小磁針探測條形磁體磁場的方法，教師引導學生應用小磁針來探測通電直導線周圍的磁場。這一過程讓學生充分體驗了電流與磁體之間的相互作用，并掌握了如何利用小磁針來確定磁場方向的方法。同時，在探究過程中，學生也明確了通電直導線周圍磁場的分布情況，并熟練掌握了安培定則的使用方法，為后續學習環形電流和通電螺線管周圍的磁場奠定了堅實的基礎。

2.4"知識遷移應用，培育物理觀念

新的概念只有在新的情境下得到應用，并對新的現象進行解釋時，才能被學生真正掌握，轉化為他們頭腦中的概念，并被用來解決實際問題。同時，在教學中，教師還應幫助學生提煉新的概念，并進一步升華，使概念體系更加清晰和準確，從而在學生頭腦中建立完善的物理觀念。

教學片段6：電和磁的統一性。

師：請大家觀察通電螺線管和條形磁體的磁場分布，并找出它們的異同。

生：通電螺線管外部磁場分布和條形磁體外部磁場分布非常相似。

師：你們認為條形磁體內部有沒有磁場？為什么？如果有，磁場怎樣分布？

生：有磁場，因為磁感線是閉合的曲線，其內部磁場應該和通電螺線管的內部磁場一樣。

師：確實如此。那么條形磁體為什么會有磁性呢？請大家自行閱讀教材上本小節的科學漫步欄目“安培分子電流假說”。

應用：請解釋教學片段1的演示實驗中為什么硬幣像鏈條一樣被吸起來？

請利用安培分子電流假說解釋磁場。

學生閱讀、思考、交流。

在肯定學生的回答后，教師介紹電生磁（奧斯特）、磁生電（法拉第）、麥克斯韋方程組，讓學生體會電場和磁場的統一性。

設計意圖：在深入學習磁現象的基礎上，教師進一步引導學生對磁的本質進行深入思考，特別是從電與磁的相互聯系和相互作用的角度進行思考。教師引導學生應用安培分子電流假說來解釋實際問題，旨在強化學生的物理觀念，使他們能夠更深刻地理解電與磁之間的復雜關系。雖然磁生電的現象以及麥克斯韋方程組超出了本節課的講授范圍，但這樣的引入有助于學生形成更為準確的物理觀念，即電磁場的統一性。這樣的拓展能夠促使學生有意識地運用電磁統一觀念來指導后續內容的學習，從而加深學生對電磁學整體框架的理解。

3"總結

在學生腦海中形成物理觀念是一個長期且持續發展的過程，而已形成的物理觀念也不是一成不變的。［2］通過不斷學習，學生已有的物理觀念必將得到進一步完善，甚至被新的理解所更新。教師在教學時，應充分重視前概念對學生學習新概念的潛在阻礙或促進作用。因此，在教學設計上，教師應緊密圍繞學生的前概念，以此為基礎引導學生深入理解新概念，從而更有效地培育學生的物理觀念，并全面提升學生的物理核心素養。

參考文獻

［1］鄭青岳.指向理解的科學教學［M］.杭州：浙江教育出版社，2020：193"-203.

［2］陸良榮.注重物理觀念教育"培養學科核心素養［J］.中學物理教學參考，2021，50（16）：5"-7.