還原概念建構(gòu)情境揭示科學(xué)思維過程

【關(guān)鍵詞】概念建構(gòu)情境 科學(xué)思維 過程

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2012）10B-0057-02

數(shù)學(xué)家華羅庚對(duì)他的學(xué)生這樣說：“學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，最好是到數(shù)學(xué)家的字紙簍里去找材料?！逼鋵?shí)，學(xué)習(xí)物理又何嘗不該如此。這些字紙簍里的草稿紙上記錄著探索發(fā)現(xiàn)的艱辛歷程，蘊(yùn)藏有科學(xué)家卓越的智慧、深邃的思想、嚴(yán)密的思維。

以觀念建構(gòu)為本的物理教學(xué)理論的核心是：物理學(xué)科的基礎(chǔ)概念、基本規(guī)律和物理學(xué)科特有的認(rèn)識(shí)論、方法論、思維論是物理學(xué)科的基本觀念，教學(xué)活動(dòng)應(yīng)以幫助學(xué)生建構(gòu)這些基本觀念為目標(biāo)而展開。因此，在物理概念的教學(xué)過程中，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)與物理概念產(chǎn)生、建立和發(fā)展相似或者相同的情境，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念建構(gòu)的過程，體驗(yàn)科學(xué)家的邏輯思維，汲取他們的智慧，不斷提升學(xué)生的思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)。簡單地說，就是采用“還原概念建構(gòu)情境”的教學(xué)策略來充分揭示概念建構(gòu)的科學(xué)思維過程。現(xiàn)結(jié)合電場強(qiáng)度的教學(xué)實(shí)踐予以說明。

現(xiàn)行的人教版高中教材《物理》（選修3-1）是這樣描述電場強(qiáng)度概念的建構(gòu)的：“我們不能直接用試探電荷所受的靜電力來表示電場的強(qiáng)弱，因?yàn)閷?duì)于電荷量不同的試探電荷，即使在電場的同一點(diǎn)，所受的靜電力也不相同。然而，人們會(huì)很自然地想到，如果把一個(gè)很小的電荷q1用做試探電荷，它在電場中的某個(gè)點(diǎn)受到的靜電力是F1，另一個(gè)同樣的電荷在同一點(diǎn)受到的靜電力一定也是F1；現(xiàn)在把兩個(gè)這樣的電荷一同放在這里，它們總的電荷量是2q1，它們所受的合力很可能就是2F1。依此類推：三個(gè)這樣的電荷放在這里，電荷量是3q1，受到的靜電力可能是3F1……也就是說，試探電荷在電場中某點(diǎn)受到的力F很可能與試探電荷的電荷量q成正比，即F=Eq ，式中E是比例常數(shù)，與試探電荷q無關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，我們的推測是正確的：試探電荷在電場中某個(gè)點(diǎn)所受的力，的確與試探電荷的電荷量成正比。實(shí)驗(yàn)還表明，在電場中不同的點(diǎn)，F(xiàn)=Eq中的比例常數(shù)E一般說來是不一樣的，它反映了電場在這點(diǎn)的性質(zhì)，叫做電場強(qiáng)度。根據(jù)F=Eq，我們知道■。”

課堂上，如果按照教材的描述進(jìn)行教學(xué)，絕大部分學(xué)生會(huì)產(chǎn)生思維障礙，不能順利地建構(gòu)電場強(qiáng)度概念。學(xué)生“只知其然，而不知其所以然”，即只知道■是常數(shù)，而不知道為什么要將F與q相比。這是因?yàn)?，教材?duì)于建構(gòu)電場強(qiáng)度概念的描述存在缺陷，沒有指出為什么物理學(xué)家會(huì)想到用電場力F與試探電荷的電荷量q的比值來定義電場強(qiáng)度E。難道就是因?yàn)樗鼈兊谋戎凳且粋€(gè)常數(shù)嗎？顯然不是，采用比值定義法定義電場強(qiáng)度E的根本原因是，比較各點(diǎn)電場的強(qiáng)弱必須采取相同的標(biāo)準(zhǔn)，而電場力F與試探電荷的電荷量q的比值滿足了這一要求。因此，教學(xué)需要解決的關(guān)鍵問題是：如何引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟必須在相同的標(biāo)準(zhǔn)下用電場力的大小來做比較， 即領(lǐng)悟?yàn)槭裁匆谩龆x電場強(qiáng)度E。對(duì)此，教材中只是簡單地說：“人們會(huì)很自然地想到……”實(shí)際上學(xué)生真的會(huì)很自然地想到嗎？

筆者從以觀念建構(gòu)為本的教學(xué)理論出發(fā)，將電場強(qiáng)度概念建構(gòu)情境與速度概念建構(gòu)情境相類比，巧妙地還原了電場強(qiáng)度概念的建構(gòu)情境，在充分揭示概念建構(gòu)的科學(xué)思維過程的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生的思維活動(dòng)，使學(xué)生主動(dòng)參與概念的建構(gòu)，有效避免了思維障礙的產(chǎn)生。教學(xué)的具體過程如下：

教師：把同一試探電荷q放在場源電荷Q產(chǎn)生的電場中的不同點(diǎn)，電荷q受到的電場力F的大小一般是不同的，這說明了什么？

學(xué)生：這說明了電場中不同點(diǎn)的電場強(qiáng)弱一般不同。

教師：我們能否直接用電場力F的大小來表示電場的強(qiáng)弱呢？為什么？（讓學(xué)生討論后回答）

學(xué)生：不能，因?yàn)椴煌碾姾蓂放在電場中的同一點(diǎn)所受到的電場力F的大小是不同的。

教師：（給予學(xué)生肯定）其他同學(xué)還有補(bǔ)充嗎？

學(xué)生：還存在這樣的情況：如果在距離場源電荷Q近的A點(diǎn)放一個(gè)電荷量較小的試探電荷q1，而在距離場源電荷Q遠(yuǎn)的B點(diǎn)放一個(gè)電荷量較大的試探電荷q2，會(huì)有可能出現(xiàn)q2受到的電場力大于q1受到的電場力，進(jìn)而得出距離場源電荷Q遠(yuǎn)的B點(diǎn)電場較強(qiáng)的錯(cuò)誤結(jié)果。

教師：既然這樣，我們就需要建構(gòu)一個(gè)新的物理量來方便地描述電場的強(qiáng)弱。同學(xué)們，我們先來完成這樣一道思考題：劉翔110米跨欄跑的最好成績?yōu)?2？郾88秒，楊揚(yáng)500米短道速滑的最好成績?yōu)?4？郾19秒，他們倆誰更快？

學(xué)生：（恍然大悟）可以用電場力F與試探電荷的電荷量q的比值來比較電場中不同點(diǎn)的電場強(qiáng)弱。

教師：為什么？

學(xué)生：就像速度這個(gè)比值那樣，速度表示單位時(shí)間內(nèi)通過的距離。這里的比值表示單位電荷所受到的電場力。比較比值，就相當(dāng)于比較同一試探電荷q在場源電荷Q產(chǎn)生的電場中不同點(diǎn)受到的電場力的大小。因此，該比值能夠描述電場中某一點(diǎn)的電場強(qiáng)弱。

教師：以點(diǎn)電荷Q形成的電場為例（如圖1），分別在與點(diǎn)電荷Q距離為r的A點(diǎn)和與點(diǎn)電荷Q距離為2r的B點(diǎn)放置不同電荷量的正試探電荷，若電荷量為q0的試探電荷在A點(diǎn)所受電場力大小為F0，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)庫侖定律求出電荷量不同的其他試探電荷所受的電場力并填入表1中，并根據(jù)填表結(jié)果分析比值的特點(diǎn)。

表1 試探電荷在電場中不同位置受到的電場力的大小

學(xué)生：（填表后發(fā)現(xiàn)）電場中同一點(diǎn)，電場力F與試探電荷的電荷量q的比值相同，是一個(gè)常數(shù)；電場中不同的點(diǎn)，電場力F與試探電荷的電荷量q的比值一般不同。

教師：比值的這一特點(diǎn)說明了什么？

學(xué)生：這個(gè)比值是一個(gè)與試探電荷q無關(guān)的量，它由場源電荷Q與電場中的位置決定，即只與電場本身的屬性有關(guān)。這個(gè)比值的大小，反映了電場中不同位置的場的強(qiáng)弱，能夠表征電場的力的性質(zhì)。

教師：所以，物理學(xué)家就把試探電荷在電場中某點(diǎn)受到的電場力F與電荷量q的比值，定義為該點(diǎn)的電場強(qiáng)度E，寫成公式是■。

物理知識(shí)的建構(gòu)具有個(gè)體性和情境性。個(gè)體學(xué)生只有在一定的情境中經(jīng)歷物理知識(shí)建構(gòu)的過程，才可能真正地理解并掌握知識(shí)。沒有經(jīng)歷物理知識(shí)建構(gòu)的過程，學(xué)生就不可能真正理解物理學(xué)的氣象恢宏，不可能真正感受到物理學(xué)的科學(xué)美，更不可能開啟物理思維的大門。

（責(zé)編 王學(xué)軍）