基于提升科學(xué)思維水平的物理概念教學(xué)

王剛 張春紅

摘?? 要：對物理概念的學(xué)習(xí)是物理觀念形成的重要組成部分，科學(xué)思維是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素，任何物理概念的形成都離不開物理思維。以高中物理“向心力”的教學(xué)為例，提出通過創(chuàng)設(shè)真實的物理情境、經(jīng)歷物理概念的建立過程、親歷科學(xué)探究的過程、設(shè)置開放性的實踐作業(yè)等，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維水平的發(fā)展，進(jìn)而有效提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理;概念教學(xué);科學(xué)思維;向心力

中圖分類號：G633.8??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：1009-010X（2021）11-0045-06

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）指出：“發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是重要的教學(xué)目標(biāo)之一，教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑?！薄墩n標(biāo)》將科學(xué)思維水平劃分為五個等級，如表1所示。

物理概念是客觀事物的共同屬性和本質(zhì)特征在頭腦中的反映，是物理事物的抽象，也是觀察、實驗和物理思維的產(chǎn)物。對物理概念的學(xué)習(xí)是物理觀念形成的重要組成部分，也是中學(xué)物理知識中最基礎(chǔ)、最重要的內(nèi)容。物理概念的學(xué)習(xí)在整個物理學(xué)習(xí)中處于核心地位，任何物理概念的形成都離不開物理思維。因此教師在進(jìn)行物理概念的教學(xué)時，必須引導(dǎo)學(xué)生通過運用分析、比較、抽象、概括、科學(xué)推理等多種物理思維方法，抓住事物的共同屬性和本質(zhì)特征，由此可使學(xué)生形成正確的物理概念。

向心力是圓周運動學(xué)習(xí)中需要掌握的核心概念。在建立這一概念的過程中，筆者引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了“體驗—質(zhì)疑—論證—概括—分析—探究—總結(jié)”等一系列認(rèn)知過程，從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識，從定性到定量，從勻速圓周運動到變速圓周運動，使學(xué)生逐步深入理解了該概念，進(jìn)而提升了學(xué)生的科學(xué)思維水平。

一、創(chuàng)設(shè)生動恰當(dāng)?shù)奈锢斫虒W(xué)情境，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力

物理形象思維是運用物理直觀、具體、生動的形象材料，通過事物的形象特征認(rèn)識事物的內(nèi)容、本質(zhì)，并做出某種判斷的科學(xué)思維，也是通過表象、直感、想象等形式進(jìn)行的思維。在物理概念教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)能體現(xiàn)物理概念本質(zhì)特征的情境，可以拉近學(xué)生和物理知識之間的距離，為學(xué)生提供充分的感性認(rèn)識，進(jìn)而可提升學(xué)生的形象思維能力。

在本節(jié)課課前，教師讓學(xué)生設(shè)計并制作了能讓乒乓球做圓周運動的簡易教具。該簡易教具是介于實物和理想物理模型之間的形象思維材料，也是學(xué)生將生活中的實際問題轉(zhuǎn)化成物理問題并建立物理模型的“橋梁”。學(xué)生通過設(shè)計實驗方案和動手制作教具，將生活圖景轉(zhuǎn)化成具體、生動、形象的物理問題情境，如此可有效提升學(xué)生的形象思維能力。

教學(xué)片段1觀察圓周運動——引入新課

學(xué)生活動1：小組展示乒乓球的圓周運動

師：為什么這些不同模型中的小球都能沿圓周運動，而不是沿直線飛出去呢？

生1：有細(xì)繩拉著。

生2：有桿拉著。

生3：有軌道（擋著）。

……

師：如果沒有這些繩、桿或軌道，小球能做圓周運動嗎？請同學(xué)們試試看，在球運動的過程中，松開細(xì)線或取走軌道，觀察小球的運動情況。

師：哪位同學(xué)能描述一下你所觀察到的現(xiàn)象？

生4：松開細(xì)線后，小球不再做圓周運動。

生5：取走紙筒后，小球不再做圓周運動。

師：結(jié)合剛才的觀察和實驗，我們能得到什么結(jié)論呢？

生：物體做圓周運動時，一定有一個指向圓心方向的力拉著。

師：那么這個力的方向和大小有什么特點呢？下面我們繼續(xù)討論……

設(shè)計意圖：感性認(rèn)識不足，通常會成為學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念的主要障礙。為了使學(xué)生更好地建立和掌握物理概念，教師需要創(chuàng)造一個恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫常源艘龑?dǎo)、啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、探索問題。不同的學(xué)生有不同的生活經(jīng)歷，熟悉不同情境的圓周運動，例如跳跳球模型、竹蜻蜓模型、過山車模型、洗衣機(jī)滾筒模型等等，學(xué)生在設(shè)計、動手制作、展示和觀察這些模型的過程中，可形成生動、真實的問題情境，進(jìn)而可通過形象思維，對生活中常見的圓周運動進(jìn)行初步分析，由此可對向心力產(chǎn)生較為充分的感性認(rèn)識，進(jìn)而可引出本節(jié)課討論的主題——向心力。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生能說出一些常見的簡單物理模型，并對其做出初步分析，這達(dá)到了科學(xué)思維水平層級1的要求。

二、讓學(xué)生經(jīng)歷概念的建立過程，培養(yǎng)學(xué)生的抽象概括思維能力

概念是抽象思維的基本形式，也是抽象思維的成果。在建立物理概念的過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生在感性材料的基礎(chǔ)上，用分析、比較、抽象、概括等思維方法抓住事物的主要特征以得出概念。

人教版必修2教材是這樣定義向心力的：做勻速圓周運動的物體具有向心加速度，根據(jù)牛頓第二定律，產(chǎn)生向心加速度的原因一定是物體受到了指向圓心的合力，這個合力就叫做向心力。有些教師在教學(xué)時照搬教材直接給出向心力的定義，然后開始做練習(xí)題找向心力的來源，這樣做忽視了學(xué)生物理概念的建立過程，導(dǎo)致學(xué)生不能深刻理解向心力的概念。對此，筆者在教學(xué)中細(xì)化了向心力這一核心概念的建立過程，指導(dǎo)學(xué)生分析了三種不同的模型，并歸納總結(jié)出各自合外力的共同點，由此抽象概括出向心力的概念，取得了較好的教學(xué)效果。

教學(xué)片段2 向心力的定義

師：我們先分析物體做勻速圓周運動時的受力情況。忽略摩擦力和空氣阻力的影響，剛才第①、③、⑦組中的小球可近似看做勻速圓周運動，請同學(xué)們再次仔細(xì)觀察（視頻展示），并解答以下四個問題：

（1）分別畫出模型①、③、⑦中球的受力分析圖。

（2）分析小球所受的合力。

（3）畫出小球在任意位置的速度方向及合力方向。

（4）總結(jié)做勻速圓周運動的物體所受合力的特點。

……

師：哪組同學(xué)能分析下繩—球模型的受力

情況？

生1：小球受到豎直向下的重力G，以及桌面對球豎直向上的支持力FN和細(xì)繩的拉力T，如圖1（a）所示，合力為細(xì)繩的拉力，方向沿繩指向圓心。

師：哪組同學(xué)能分析下紙筒—球模型？

生2：紙筒內(nèi)側(cè)的小球受到豎直向下的重力G，桌面對球向上的支持力FN以及筒壁的彈力，如圖1（b）所示，合力為筒壁的彈力，方向垂直于接觸面指向圓心。

師：圓錐擺模型呢？

……

生3：小球受豎直向下的重力G，和沿繩斜向上的拉力T，如圖1（c）所示，合力為拉力在水平方向的分力Tx，方向指向圓心。

師：總結(jié)剛才分析的三個模型，它們的合力有什么共同點呢？

……

生4：合力方向都指向圓心。

師：也就是說，做勻速圓周運動的物體所受的合力總指向圓心，我們把這個指向圓心的力叫做向心力。可見，向心力是按力的作用效果命名的。

設(shè)計意圖：師生共同討論，對比分析“繩—球”“圓筒—球”和“圓錐擺”這三個較為熟悉的物理模型，然后解決上述4個問題，并歸納總結(jié)出做勻速圓周運動的物體所受合力的共同特征，即方向都指向圓心，由此抽象概括出向心力的定義。在建立向心力概念的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了觀察、分析、歸納、抽象等一系列思維活動，以抓住事物的共同屬性和特征，由此逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維，達(dá)到水平層級2的要求，同時這也加深了學(xué)生對向心力這一核心概念的理解。

三、在科學(xué)探究過程中，引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維方法

科學(xué)探究與科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，兩者是相互支持、相互促進(jìn)、彼此融合的整體。《課標(biāo)》要求學(xué)生能運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論。實驗探究是進(jìn)行科學(xué)探究的重要方式，也是定量測量某一物理量的手段和方法。因此在實驗探究過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用正確的科學(xué)思維方法，經(jīng)過提出問題、進(jìn)行猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗方案、進(jìn)行實驗、收集數(shù)據(jù)、進(jìn)行評估與交流等過程，逐步完成實驗。由此可使學(xué)生真正理解和掌握這些科學(xué)思維方法，并使之成為終身必備的知識與技能。

本節(jié)教材根據(jù)向心加速度和牛頓第二定律推導(dǎo)出向心力的表達(dá)式，再用圓錐擺進(jìn)行粗略驗證，課后安排了一個與向心力相關(guān)的“做一做”沙袋實驗。除此之外，筆者還從提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維水平的角度出發(fā)，對教材進(jìn)行重組，調(diào)整了教學(xué)順序，由此可讓學(xué)生經(jīng)歷從定性到定量的實驗探究過程，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維方法進(jìn)行科學(xué)探究。

教學(xué)片段3探究影響向心力大小的因素

師：請同學(xué)們分組進(jìn)行實驗，用細(xì)線帶動不同質(zhì)量的小球在水平面內(nèi)做圓周運動，然后改變繩長、轉(zhuǎn)速等，體會手上的拉力大小，并跟你的小組成員交流向心力的大小可能和哪些因素有關(guān)。

……

生1：和小球的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，向心力越大。

生2：和繩長有關(guān)，繩越長，向心力越大。

生3：我感覺繩越短，向心力越大。

生4：和轉(zhuǎn)動的快慢有關(guān)，轉(zhuǎn)動越快，也就是角速度越大，向心力就越大。

師：既然向心力的大小可能和這么多因素有關(guān)，那么該怎樣設(shè)計實驗方案來驗證我們的猜想呢？

生：控制變量法。

師：下面請同學(xué)們分組設(shè)計實驗方案，并用向心力演示器完成實驗驗證。

……

學(xué)生實驗操作（1）：質(zhì)量、半徑相同。

實驗結(jié)論：在質(zhì)量和半徑一定的情況下，向心力的大小和角速度的平方成正比。

……

實驗操作（2）、（3）與之相同，在此略過。

在進(jìn)行實驗教學(xué)時，教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生提出新的物理問題、設(shè)計新的實驗方案并創(chuàng)造性地解決新問題。例如本節(jié)課用圓錐擺驗證向心力的表達(dá)式教學(xué)環(huán)節(jié)，按照教材上的實驗設(shè)計，筆者在備課過程中發(fā)現(xiàn)：“用手帶動鋼球，設(shè)法使它沿紙上的某個圓周運動”（如圖2所示）存在一定的困難。小球的運動軌跡多數(shù)情況下為橢圓，這給學(xué)生進(jìn)行半徑的測量帶來了較大的誤差。因此筆者引導(dǎo)學(xué)生分組討論交流，對該實驗進(jìn)行了以下幾點改進(jìn)：①減少需測量的物理量，只需測出圓心到懸點的豎直高度和周期即可;②在小球的正下方放一個圓形的透明玻璃碗，避免小球做橢圓運動;③利用透明玻璃碗巧妙測量桌面到懸點和桌面到小球運動時圓心所在水平面的高度差，由此得到較為準(zhǔn)確的圓心到懸點的豎直高度;④在玻璃碗底畫兩條互相垂直的直徑作為計時開始的標(biāo)記，如此可減小周期的測量誤差。通過這幾點簡單的改進(jìn)，大大降低了實驗的難度，減小了實驗誤差，同時也傳遞給學(xué)生這樣一個理念——在實驗探究過程中，要有意識地進(jìn)行創(chuàng)造性的想象，發(fā)散思維以尋求更好的實驗方法、創(chuàng)新實驗操作，如此可使學(xué)生高質(zhì)量地完成每一個物理實驗。

教學(xué)片段4用圓錐擺驗證向心力的表達(dá)式

【實驗步驟】

（1）細(xì)線的一端連接小球，另一端固定在鐵架臺上。

（2）用刻度尺記下懸點到桌面的高度h1。

（3）在內(nèi)壁光滑的玻璃碗底部粘貼一個和碗底等大的圓，并標(biāo)記出兩條互相垂直的直徑。

（4）剪一個和碗口大小相等的圓，折疊并標(biāo)記出圓心的位置。

（5）將玻璃碗放在小球的正下方，使小球靜止時剛好位于碗底圓心的正上方，且細(xì)線和碗口圓心重合。

（6）帶動小球，讓小球在水平面緊貼碗內(nèi)壁做圓周運動。當(dāng)小球剛好離開碗時按下秒表，記錄小球運動3到5圈的時間。

（7）將靜止時的小球拉到剛才做圓周運動的位置，記下球心所在高度，并測量球心離桌面的高度h2，則小球做圓周運動圓心到懸點的高度h=h1-h2。

（8）調(diào)節(jié)懸線長度，重復(fù)上述實驗過程2到3次，并記錄數(shù)據(jù)。

設(shè)計意圖：探究影響勻速圓周運動向心力大小的因素，應(yīng)遵循從定性到定量的認(rèn)識過程。即先讓學(xué)生用細(xì)線帶動不同質(zhì)量的小球做圓周運動，由此體會并感受手受到細(xì)線拉力的大小，然后根據(jù)真實體驗提出合理的、有依據(jù)的猜想。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗方案，并用向心力演示器完成定性的驗證實驗，然后再用圓錐擺進(jìn)行定量的測量。通過定性、定量這兩部分實驗，學(xué)生可掌握控制變量、對比、歸納、總結(jié)等科學(xué)思維方法以及進(jìn)行科學(xué)探究的一般步驟。特別是在圓錐擺實驗中，教師引導(dǎo)學(xué)生對教材中已有的實驗方案進(jìn)行了改進(jìn)，并制訂了新的科學(xué)探究方案。如此可鼓勵學(xué)生對研究的問題進(jìn)行積極的設(shè)想以尋求更好的解決方案，同時也能有意識地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生能恰當(dāng)使用證據(jù)表達(dá)自己的觀點，并對已有的觀點提出質(zhì)疑，同時還能從不同的角度思考物理問題，這樣就達(dá)到了科學(xué)思維水平3的要求。

四、設(shè)置開放性的實踐作業(yè)，提升學(xué)生的高階思維水平

在學(xué)生對物理概念有了初步的認(rèn)識之后，教師要及時聯(lián)系實際生活，設(shè)置開放性的實踐作業(yè)。開放性的實踐作業(yè)其實就是將作業(yè)情境化，讓學(xué)生體驗和所學(xué)知識密切相關(guān)的生活，并從中提出要分析或解決的物理問題，然后經(jīng)過簡化和抽象，構(gòu)建物理模型，進(jìn)行科學(xué)推理和論證，由此可促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。

筆者給學(xué)生布置的實踐作業(yè)是課下體驗自行車的勻速轉(zhuǎn)彎過程，并結(jié)合所學(xué)知識提出要研究的問題，然后查找資料，分析和解決該問題。情境化的作業(yè)不能急于求成，要讓學(xué)生在有充分的時間準(zhǔn)備和充足的知識儲備之后開展，這樣才能起到事半功倍的效果。例如教學(xué)片段5就是在學(xué)習(xí)完第七節(jié)“生活中的圓周運動”后開展的。在此過程中學(xué)生分組討論交流了很多相關(guān)的問題，實現(xiàn)了科學(xué)思維水平由低階到高階的過渡。

教學(xué)片段5探究自行車轉(zhuǎn)彎時的向心力

師：前兩節(jié)課我們討論了向心力和生活中的圓周運動，并利用課下時間體驗了自行車的圓周運動。下面請同學(xué)們結(jié)合自己的體驗，提出合理的問題，我們共同討論和交流。

生1：自行車在水平路面上轉(zhuǎn)彎時的向心力來源？

生2：橡膠與干水泥路面間的滑動摩擦因數(shù)為0.6，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑為10m時，騎車的最大速度是多少？

生3：經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，普通人騎自行車的速度平均為15km/h，場地自行車賽車手的騎行速度能達(dá)到80km/h以上，結(jié)合數(shù)據(jù)和相關(guān)圖片分析場地自行車賽道有一定傾斜度的原因。

生4：當(dāng)場地自行車的彎道半徑為 60m，坡度為30°時，運動員騎自行車在該賽道上做勻速圓周運動，要使自行車不受摩擦力作用，其速度應(yīng)等于多少？

生5：……

設(shè)計意圖：要想在學(xué)生頭腦中形成扎實的物理概念，就需要讓學(xué)生在不同的情境中運用學(xué)到的向心力概念解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象、解決相關(guān)的實際問題。并指導(dǎo)學(xué)生將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，然后進(jìn)行深入的分析和推理，由此可加深學(xué)生對相關(guān)概念的理解，進(jìn)而可提高學(xué)生物理模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等能力。

自行車在水平彎道上轉(zhuǎn)彎時的向心力分析較為簡單，屬于低階思維。而傾斜賽道上的自行車受力較復(fù)雜，可以類比“火車的彎道”進(jìn)行分析和推理，這對學(xué)生的思維水平要求較高，屬于科學(xué)思維水平層級4的要求。本環(huán)節(jié)的設(shè)計旨在運用對比和類比的方法，開拓學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力，由此可提升學(xué)生的高階思維水平。

物理概念是物理知識體系中最基本的重要內(nèi)容，幫助學(xué)生建立并深入理解物理概念是學(xué)好物理的基礎(chǔ)。本節(jié)課的概念教學(xué)由淺入深，通過創(chuàng)設(shè)生動恰當(dāng)?shù)奈锢斫虒W(xué)情境，培養(yǎng)了學(xué)生的形象思維能力;讓學(xué)生經(jīng)歷了物理概念的建立過程，由此培養(yǎng)了學(xué)生的抽象概括思維能力;在進(jìn)行科學(xué)探究的過程中，教師設(shè)置了開放性的實踐作業(yè)以引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維方法，由此促進(jìn)了學(xué)生高階思維的發(fā)展。

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