在科學(xué)探究中建構(gòu)物理概念的意義
——淺析“規(guī)律—概念一體探究”教學(xué)模式

白振宇

(揚(yáng)州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校 江蘇 揚(yáng)州 225002)

1 一體化探究模式的產(chǎn)生背景

1.1 概念教學(xué)的困難

物理概念是對(duì)物理客體的抽象與概括，是構(gòu)筑物理“理論大廈”的“基石”，在學(xué)科知識(shí)體系中占有重要地位.然而,長期以來物理概念教學(xué)的狀況并不令人滿意，尤其是在一些核心概念的教學(xué)上，其困難主要表現(xiàn)為，在教的方面的“空降”現(xiàn)象，即教師無心或無法向?qū)W生展示概念建立的價(jià)值與內(nèi)涵，只是將概念憑空地、囫圇地、自上而下地灌輸給學(xué)生；在學(xué)的方面的“空心”現(xiàn)象，即學(xué)生由于沒有獲得相關(guān)物理事實(shí)的支持，沒有獲得相應(yīng)的抽象、概括、理清概念的內(nèi)部思維過程的支持，只得將概念的學(xué)習(xí)褪化為鮮有理解的成份、純粹的記憶過程，他們雖然被動(dòng)地“記住”了概念的定義，但卻普遍感到概念似乎是先驗(yàn)地存在著，其生成是神秘和突兀的，是常人(包括自己)無法理解的.正是因?yàn)閷?duì)概念缺乏深刻的認(rèn)同，一旦面臨新的、較復(fù)雜的情境，就會(huì)不自覺地產(chǎn)生“認(rèn)知背叛”.

1.2 概念教學(xué)困難的解決思路

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是對(duì)學(xué)習(xí)材料的主動(dòng)意義建構(gòu)，意義建構(gòu)有賴于“學(xué)習(xí)情境”的支持.據(jù)此分析上述困難，不難發(fā)現(xiàn)造成學(xué)生概念建構(gòu)困難的主要原因，一是難以顯示概念的內(nèi)涵，即“概念是什么”；二是無法明示概念引入的必要性，難以說明“概念為了什么”.

學(xué)生要想完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)，最好的辦法是讓學(xué)生到現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境中去感受、去體驗(yàn)(即通過獲取直接經(jīng)驗(yàn)來學(xué)習(xí))，而不是僅僅聆聽教師關(guān)于這種經(jīng)驗(yàn)的介紹和講解.縱觀物理學(xué)發(fā)展的歷程，不難看出，概念本身都是在科學(xué)探究活動(dòng)中逐步生成、廓清和發(fā)展的，與科學(xué)探究有著“天生而必然”的聯(lián)系，探究過程就是實(shí)現(xiàn)概念意義建構(gòu)最適宜的“學(xué)習(xí)情境”，所以應(yīng)該可以將概念教學(xué)與科學(xué)探究有機(jī)地結(jié)合起來，來進(jìn)行概念教學(xué).基于上述思路，筆者設(shè)計(jì)并公開發(fā)表了一批“以探究方式實(shí)施概念教學(xué)”的典型案例[1～2]，并從中概括出一種概念教學(xué)的模式即“規(guī)律—概念一體化探究”(簡稱“一體化探究”)，下面略作介紹.

2 一體化探究模式的流程

為了更好地理解“一體化探究”模式，先從兩個(gè)教學(xué)案例說起.

【案例1】電阻概念的教學(xué)流程[1]

(1)演示實(shí)驗(yàn)，引入課題

演示“導(dǎo)體對(duì)電流的影響”的實(shí)驗(yàn)，引入進(jìn)一步探究的課題——“導(dǎo)體的哪些因素會(huì)影響電流”.

(2)實(shí)驗(yàn)探究，確定因素

完成猜想、設(shè)計(jì)、操作、概括等實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，找出導(dǎo)體性質(zhì)影響電流的因素.

(3)合并因素，建立概念

由于因素眾多，為方便后繼研究，應(yīng)減少變量個(gè)數(shù).師生共同討論，教師適時(shí)啟發(fā)：材料的性質(zhì)、長短和粗細(xì)以及溫度對(duì)電流有影響可合并為“導(dǎo)體整體對(duì)電流的影響”，我們“自創(chuàng)”這一概念來表示這一影響.

(4)回味總結(jié)，彰顯價(jià)值

反思研究過程，回味電阻概念的生成過程，理解電阻概念的內(nèi)涵，體會(huì)其價(jià)值.有了電阻概念，在進(jìn)一步定量研究電流大小時(shí)，只須考慮兩個(gè)因素，即電壓和電阻，大大降低了后繼研究的難度.

【案例2】力臂概念的教學(xué)流程[2]

(1)見識(shí)杠桿，提出任務(wù)

見識(shí)常見杠桿(如翹翹板)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)杠桿和支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力，但不介紹“力臂”.提出探究任務(wù)——探索影響杠桿平衡的因素和條件.

(2)剖析典型，初探規(guī)律

剖析典型杠桿，猜想、實(shí)驗(yàn)，探究出平衡的初步條件：力與(支點(diǎn)到作用點(diǎn))距離的乘積相等.

(3)揭示矛盾，深化探究

以實(shí)驗(yàn)事實(shí)檢驗(yàn)上述結(jié)論的普遍性，發(fā)現(xiàn)其不足，引發(fā)新一輪關(guān)于普遍平衡條件的探究.

亦可輔以理論分析，揭其“硬傷”——未包含力的方向這一影響平衡因素!

(4)啟發(fā)鋪墊，催生概念

學(xué)生猜想新因素以求得不同平衡狀況的同一解釋，不斷進(jìn)行嘗試、檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)、再嘗試……教師通過力矩盤實(shí)驗(yàn)、平衡初步條件和極端方向力進(jìn)行啟發(fā).直到學(xué)生生成力臂概念，發(fā)現(xiàn)平衡的普遍條件.

(5)回味反思，彰顯價(jià)值

反思“力臂”概念的生成、轉(zhuǎn)變和發(fā)展過程，回味它對(duì)普適平衡條件建立的重要價(jià)值，深刻體會(huì)為什么要建立力臂概念，及力臂為何是“點(diǎn)到線距離”，而非“點(diǎn)到點(diǎn)距離”.

從上述案例可看出一體化探究教學(xué)的基本流程.

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師運(yùn)用多種方法，有目的創(chuàng)設(shè)一個(gè)生動(dòng)、具體的場景，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、澄清和表述出情境中蘊(yùn)含的科學(xué)問題，為后繼的探究活動(dòng)確定研究方向.所提出的問題可以是“規(guī)律”的直接表述，如“探究杠桿平衡的普遍條件”，也可以是“規(guī)律的個(gè)案化”轉(zhuǎn)述，如以“燈的亮度由什么決定”來導(dǎo)出電功率的概念.無論具體形式如何，問題都應(yīng)導(dǎo)向?qū)?yīng)的概念和規(guī)律，問題的解決應(yīng)以概念的建立和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ).問題設(shè)計(jì)的情境應(yīng)貼近學(xué)生的生活，能為學(xué)生所理解；情境應(yīng)具有新異性，以能激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引發(fā)其強(qiáng)烈的探究“內(nèi)驅(qū)力”為最佳.

2.2 經(jīng)歷探究，初顯規(guī)律

經(jīng)歷猜想與假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、收集證據(jù)、分析論證、評(píng)估交流等實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，探討出初步規(guī)律.所謂初步規(guī)律是指規(guī)律所涉及的變量的性質(zhì)、含義、名稱、適用范圍，變量間關(guān)系及其呈現(xiàn)形式等方面還存在某種程度的“模糊”，還有待明晰或深化.例如在比熱容的教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物體吸熱的多少不但與質(zhì)量、上升的溫度有關(guān)，還與物質(zhì)自身有關(guān).這里進(jìn)行的探究還僅僅是一種質(zhì)性研究，所得的僅是定性規(guī)律，此結(jié)論至少在“吸熱多少與上升溫度、質(zhì)量間存在怎樣的定量規(guī)律”和“如何用數(shù)量表示物質(zhì)自身的熱學(xué)性質(zhì)”這兩方面還有待深化.

2.3 思維辨析，創(chuàng)生概念

這是概念創(chuàng)新的關(guān)鍵步驟，要引導(dǎo)學(xué)生分辨前述初步規(guī)律的種種不足，思考分析、推斷論證，提出辨析直至理清概念，完成新概念的定義，從而使初始規(guī)律得以升華.一體化模式中概念創(chuàng)生的方式通常有以下幾種.

(1)直接命名法

通過實(shí)驗(yàn)探究，鎖定了與規(guī)律有關(guān)的新變量，且新變量的內(nèi)涵已經(jīng)清晰時(shí)，直接給新變量賦名生成概念.如在力臂教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)、反復(fù)嘗試，最終發(fā)現(xiàn)影響杠桿平衡的因素是“支點(diǎn)至力的作用線的距離”后，直接將這一新變量命名為力臂.

(2)推陳出新法

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究形成初步規(guī)律后，若發(fā)現(xiàn)規(guī)律中雖未出現(xiàn)新變量，但出現(xiàn)了幾個(gè)原變量的新的固定搭配形態(tài)，在挖掘、理清固定搭配的物理意義后，予以命名而形成新概念.如通過實(shí)驗(yàn)探究和(或)理論推導(dǎo)后，發(fā)現(xiàn)各種機(jī)械(杠桿、滑輪、斜面等)省力的必費(fèi)距離，費(fèi)力的必省距離，完成同一工作時(shí)力與距離的乘積大致相等.在進(jìn)一步明確“距離是(受力物)在力的方向上移動(dòng)的距離”后，將此乘積命名為功，從而生成功的概念[3].

(3)定量表征法

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究獲得與規(guī)律相關(guān)聯(lián)的新定性概念后，再進(jìn)一步探索出定性概念的量化表征(或測量)的方法，使概念從定性升格為定量(物理量)，進(jìn)而生成新概念.如在比熱容教學(xué)中，在獲得前述初步規(guī)律的基礎(chǔ)上，再通過理論探索，尋找到以“1 kg某種物質(zhì)溫度上升1℃時(shí)所吸收的熱量”來定量表征“影響物體吸熱多少的一個(gè)變量——物質(zhì)自身的熱學(xué)性質(zhì)”的方法后，完成比熱概念的量化定義，實(shí)現(xiàn)概念創(chuàng)新.

2.4 重組規(guī)律，解決問題

應(yīng)用所生成的概念，重新歸納、概括和組織規(guī)律的內(nèi)容，重新審視、更加深刻地理解規(guī)律的意義、價(jià)值與適用范圍，愈加精確地表述規(guī)律.并應(yīng)用概念、規(guī)律解決(或解釋)相關(guān)問題，同時(shí)在規(guī)律的應(yīng)用中進(jìn)一步加深對(duì)概念的意義和價(jià)值的理解.)

2.5 回味對(duì)比，彰顯價(jià)值

回味問題解決的整個(gè)教學(xué)過程，包括概念的發(fā)展過程(生成、廓清和轉(zhuǎn)變)和規(guī)律的發(fā)展過程(從模糊到清晰，從定性到定量，從特殊到一般).對(duì)比概念建立前后，人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)(知識(shí)層面)的深刻程度的不同，對(duì)比概念建立前后，人們研究或解決相應(yīng)問題的難易(方法層面)不同，使學(xué)生從中明了“概念為了什么”，彰顯概念建立的價(jià)值.

3 一體化探究模式的適用范圍

一體化探究教學(xué)將規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與概念的建構(gòu)有機(jī)地組合在科學(xué)探究過程中，教學(xué)內(nèi)容多，課堂容量大，概念的發(fā)展過程展示充分，但教學(xué)耗時(shí)相對(duì)較長，比較適合于那些內(nèi)涵與日常生活相距較遠(yuǎn)，或其建立價(jià)值不夠直白，必須與相關(guān)的規(guī)律相聯(lián)系方可顯示的概念的教學(xué).一些內(nèi)涵明顯、價(jià)值直白的概念，如“速度”(內(nèi)涵：單位時(shí)間內(nèi)通過的路程；價(jià)值：定量表示運(yùn)動(dòng)的快慢)，則不必運(yùn)用此模式.

4 結(jié)束語

一體化探究教學(xué)充分利用了“概念”與“規(guī)律”間固有的本質(zhì)聯(lián)系，遵循了兩者間相互依賴、彼此支撐、共同建構(gòu)這一“知識(shí)創(chuàng)新”的基本邏輯，為我們提供了概念教學(xué)的一種新思路.目前筆者已應(yīng)用此模式進(jìn)行了“力臂”、“電阻”、“電功率”、“比熱容”、“(機(jī)械)功”等概念的教學(xué)，取得了良好的效果.由于篇幅的限制，有關(guān)“規(guī)律—概念一體化探究”模式更深層次的問題(如模式的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理、功能優(yōu)勢和實(shí)施要領(lǐng)等)有待進(jìn)一步研究解決.

參考文獻(xiàn)

1 白振宇. 在科學(xué)探究中建構(gòu)電阻概念的教學(xué)嘗試與啟示. 中學(xué)物理教與學(xué)，2009(3)：7

2 白振宇.“力臂”教學(xué)的真正突破口在哪里.中學(xué)物理教學(xué)參考，2007，36 (4)：61

3 劉炳升，李容. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·九年級(jí)上冊.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008.15