物理觀念及其形成與發(fā)展的教學(xué)策略

曾志旺

(玉環(huán)縣楚門中學(xué) 浙江 臺州 317605)(收稿日期：2016-05-09)

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專論

物理觀念及其形成與發(fā)展的教學(xué)策略

曾志旺

(玉環(huán)縣楚門中學(xué) 浙江 臺州 317605)(收稿日期：2016-05-09)

通過具體物理知識的學(xué)習(xí)凝練而成的物理觀點(diǎn)、思想和方法即物理觀念能植根于學(xué)生頭腦中而被長時(shí)間保留，成為他們的思維習(xí)慣和行為習(xí)慣．因此，中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)重視學(xué)生物理觀念的形成與發(fā)展，所以主要論述物理觀念及其形成與發(fā)展的教學(xué)策略．

物理觀念 教學(xué)策略 思想 方法

遺忘是不可抗拒的規(guī)律，尤其在知識大爆炸時(shí)代．當(dāng)知識被遺忘以后，在學(xué)生頭腦中留下的痕跡才是教育價(jià)值的體現(xiàn)．德國物理學(xué)諾獎得主勞厄說：“教育給予人們的無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都忘記后所剩下的東西．”隨著歲月的流逝，物理學(xué)研究的事實(shí)和結(jié)論被學(xué)生忘記了，但通過具體物理知識的學(xué)習(xí)凝練而成的物理觀點(diǎn)、思想和方法即物理觀念卻植根于學(xué)生頭腦中而被長時(shí)間保留，成為他們的思維習(xí)慣和行為習(xí)慣．因此，中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)重視學(xué)生物理觀念的形成與發(fā)展．

1 物理觀念

物理觀念是指學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)，在深入理解物理學(xué)科特征的基礎(chǔ)上所獲得的對物理的概括性認(rèn)識，具體表現(xiàn)為主動地運(yùn)用物理思想、方法和觀點(diǎn)，認(rèn)識身邊事物和處理問題的自覺意識或思維習(xí)慣．譬如，一個(gè)具備物質(zhì)觀的學(xué)生，當(dāng)他覺察到某種新物質(zhì)時(shí)，會自覺地觀察和思考這種物質(zhì)的基本性質(zhì)是什么，比如導(dǎo)電性、硬度、導(dǎo)熱性、密度、熔點(diǎn)……

物理教學(xué)中，物理觀念主要來自3個(gè)方面：一方面來自于學(xué)生對物理學(xué)科具體性知識的反思和概括，形成知識類物理觀念，如力的觀點(diǎn)、運(yùn)動的觀點(diǎn)、能量的觀點(diǎn)等；另一方面來自于學(xué)生對物理探究過程、學(xué)習(xí)方法的反思，形成方法類的物理觀念，如類比方法、等效方法、模型思想；再一方面來自于對物理在社會生活中的價(jià)值的認(rèn)識和反思，形成的情意類的物理觀念，如物理價(jià)值觀．這3方面觀念相互影響、共同作用構(gòu)成物理觀念這一有機(jī)整體，如圖1所示．

圖1 構(gòu)成物理觀念體系的3個(gè)方面

物理觀念作為一種認(rèn)識成果，其完善程度、層次等級是和學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平和知識經(jīng)驗(yàn)相適應(yīng)的．隨著學(xué)習(xí)活動的深入，形成的物理觀念具有層次性特點(diǎn)．體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一方面指在不同學(xué)習(xí)階段學(xué)生形成的觀念是不同的；第二方面指同一物理觀念在不同的學(xué)習(xí)階段，由于學(xué)生所擁有的知識經(jīng)驗(yàn)的不同，其內(nèi)涵的豐富程度也是不同的．物理觀念還有能動性特點(diǎn)，最主要表現(xiàn)為能夠?yàn)樾挛锢碚J(rèn)識指明思維方向．誠如愛因斯坦所說：“在建立一個(gè)物理學(xué)理論時(shí)，基本觀念起了最主要的作用，物理書上充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，但是所有的物理學(xué)理論都是起源于思維與觀念，而不是公式”．學(xué)生在面對新問題、新情景時(shí)基于已有觀念的主導(dǎo)不會被紛繁復(fù)雜的物理表象迷惑，而是主動地利用物理觀點(diǎn)、思想和方法處理遇到的新問題，對新現(xiàn)象作出科學(xué)解釋．比如，學(xué)生在初中學(xué)習(xí)中形成的比值定義法思想可廣泛遷移運(yùn)用在高中物理量定義(摩擦因數(shù)μ，加速度a，電阻R，電場強(qiáng)度E，電勢能ε，磁感應(yīng)強(qiáng)度B等)等等．

2 物理觀念的教學(xué)策略

為了實(shí)現(xiàn)物理科學(xué)觀念的形成和發(fā)展，教師在選擇教學(xué)策略時(shí)需要考慮以下幾方面因素：

第一，學(xué)習(xí)內(nèi)容支撐哪些物理觀念的形成與發(fā)展，這些內(nèi)容與物理觀念的關(guān)系如何；

第二，學(xué)生已有的物理觀念、態(tài)度(或相關(guān)的)及其達(dá)到的水平；

第三，分析學(xué)生物理觀念形成和發(fā)展的智力要求；

第四，考慮能有利于物理觀念形成和發(fā)展的各種可能的策略．

我們認(rèn)為，以下一些策略在學(xué)生物理觀念形成和發(fā)展中是比較有效的．

2.1 引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突實(shí)現(xiàn)錯誤前觀念的轉(zhuǎn)化

認(rèn)知沖突的引發(fā)是指，當(dāng)原有觀念與新經(jīng)驗(yàn)之間出現(xiàn)對立性矛盾時(shí)而感受到的疑惑、緊張和不適的狀態(tài)．建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)是基于原有經(jīng)驗(yàn)，并通過不斷地與新信息進(jìn)行交流、“撞擊”的相互作用中，在學(xué)生的頭腦中建構(gòu)出的新的認(rèn)知模式，即生長出新知識．在這一過程中，學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)的激發(fā)及與新知識的交互作用是建構(gòu)認(rèn)知模式的關(guān)鍵．認(rèn)知沖突是在積極的認(rèn)知活動中產(chǎn)生的，學(xué)習(xí)者在真實(shí)情境面前聯(lián)想起原有的知識經(jīng)驗(yàn)，而且試圖對新、舊經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對照、整合，并試圖找到新的平衡，即認(rèn)知沖突的解決過程．

處在適度認(rèn)知沖突的氛圍中，行動最有動力，解決認(rèn)知沖突有不同的途徑，研究表明，原有觀念在遇到新觀念時(shí)，學(xué)生對新觀念的處理方式通常有3種情況：

(1)徑直地拒絕了新觀念；

(2)通過機(jī)械記憶，新觀念取代舊觀念；

(3)對新舊觀念進(jìn)行整合，接納新觀念．

具體的物理教學(xué)中要實(shí)現(xiàn)原有觀念的轉(zhuǎn)變則需要滿足3個(gè)條件：

(1)原有觀念跟物理事實(shí)存在矛盾；

(2)新觀念比舊觀念更易于解釋物理事實(shí)，即新觀念具有可理解性和合理性；

(3)新觀念的有效性．

因此，在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)有效的問題情境時(shí)需要考慮這3個(gè)條件，當(dāng)然除了能引發(fā)認(rèn)知沖突外，還得易于對認(rèn)知沖突的處理與解決，只有這樣，才能順利實(shí)現(xiàn)對錯誤觀念的轉(zhuǎn)變，生成正確的物理觀念．

2.2 鋪設(shè)“綠色通道”發(fā)展、拓寬學(xué)生的物理觀念

此策略建立在學(xué)生的現(xiàn)有物理觀念基礎(chǔ)上，是對原有的觀念加以拓寬和深化，即在前觀念與新觀念之間鋪設(shè)一條“綠色通道”．鋪設(shè)這樣一條通道通常得有以下幾個(gè)步驟：第一，創(chuàng)設(shè)問題情境，暴露學(xué)生的前觀念；第二，繼續(xù)創(chuàng)設(shè)學(xué)生通過直覺就容易相近的問題情境；第三，引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行相關(guān)觀念的類比，尋求新觀念與舊觀念之間的整合點(diǎn)；第四，教師幫助學(xué)生完成物理觀念的發(fā)展和拓寬．

例如，在進(jìn)行“電場力做功和電勢能轉(zhuǎn)化的關(guān)系”的教學(xué)時(shí)，就可以借助類比的方法．因?yàn)榇饲皩W(xué)生已建立了功是能量轉(zhuǎn)化的量度及重力做功與重力勢能轉(zhuǎn)化關(guān)系等觀點(diǎn)．故而在教學(xué)中，讓學(xué)生研究升降機(jī)中的物體在升降過程中重力做功與重力勢能轉(zhuǎn)化的關(guān)系；再次，讓學(xué)生自主探究電場力做功時(shí)能量如何轉(zhuǎn)化；最后得出電場力做功與勢能轉(zhuǎn)化這個(gè)能量守恒關(guān)系．實(shí)踐表明，借用類比是發(fā)展和拓寬學(xué)生物理觀念的“綠色通道”，它能有效地使學(xué)生的認(rèn)知在原有的基礎(chǔ)上得到與科學(xué)觀念相一致的發(fā)展．

2.3 引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)評價(jià)反思概括促進(jìn)物理觀念形成和發(fā)展

傳統(tǒng)的教學(xué)小結(jié)是針對具體性知識進(jìn)行的．觀念構(gòu)建導(dǎo)向的做法應(yīng)該是，為學(xué)生搭建體驗(yàn)、評價(jià)、交流的平臺，提供概括反思的方向和線索．如，引導(dǎo)學(xué)生反思對核心概念理解得如何，解決問題的思路和方法是怎樣的，對基本理解的認(rèn)識有哪些提升，和相關(guān)相近知識有何聯(lián)系等．同時(shí)，還注重對學(xué)生學(xué)習(xí)活動中的表現(xiàn)做出及時(shí)恰當(dāng)評價(jià)，不斷調(diào)整和優(yōu)化學(xué)習(xí)策略．另外，還可以通過課后習(xí)題和訪談等途徑獲取學(xué)生觀念建構(gòu)的有關(guān)信息，以此為依據(jù)幫助學(xué)生進(jìn)一步修正、完善、豐富觀念體系．

例如，“單擺”課題學(xué)習(xí)后，僅引導(dǎo)學(xué)生回顧“單擺”的定義、周期公式、回復(fù)力定義式是不夠的，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生概括和反思.

(1)建立“單擺”模型的理想化方法．這種方法在物理研究和學(xué)習(xí)中的使用是非常普遍，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、點(diǎn)電源、光線、自由落體運(yùn)動、勻強(qiáng)電場等；

(2)研究振動周期時(shí)使用的“控制變量法”．這種方法更是人類思考和研究多因素問題的一種普遍方法．物理中應(yīng)用如學(xué)習(xí)牛頓第二定律時(shí)探究F，m，a的關(guān)系，學(xué)習(xí)電阻定律時(shí)探究R，ρ，L，S的關(guān)系等；

(3)動力學(xué)分析方法．研究分析圓弧切線方向的受力；

(4)概括單擺的本質(zhì)特征：沿圓弧運(yùn)動，受到一個(gè)始終指向圓心的力，另一垂直向下的恒力．如果學(xué)生形成了如此“單擺”觀，那么在碰到求如圖2所示問題中周期時(shí)將異常方便．

圖2 幾種情形概括成“單擺”

2.4 還原“真實(shí)”的科學(xué)研究歷史

寫在教科書上的科學(xué)結(jié)論固然重要，但它背后的孕育發(fā)展，由潛到顯的轉(zhuǎn)化歷程則更富啟迪．因此，觀念建構(gòu)導(dǎo)向的物理概念、規(guī)律教學(xué)，可以借助物理學(xué)發(fā)展史，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，然后帶領(lǐng)學(xué)生乘座“思維之舟”穿越時(shí)空，蕩漾于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折物理學(xué)歷程，領(lǐng)略涌現(xiàn)出的著名事件、現(xiàn)象、物理學(xué)觀點(diǎn)、思想和方法及其對后世的影響．使學(xué)生真真切切地受到體驗(yàn)和熏陶，從而有利于物理觀念的形成與發(fā)展．

比如，動量概念教學(xué)．先帶領(lǐng)學(xué)生回憶擊球、炮彈出膛、火箭升空的情景，當(dāng)學(xué)生意識到用已有的知識無法解決問題時(shí)，然后教師指出：“原則上，我們可以用牛頓定律解決所有力學(xué)問題，但是，像上述情形受力比較復(fù)雜的實(shí)際問題，直接用牛頓定律解決就非常困難，需要引入新的概念．”接著帶領(lǐng)學(xué)生回顧歷史上動量概念建立過程及科學(xué)家的思考和所做的工作……如何通過研究碰撞等復(fù)雜的力學(xué)問題，建立動量概念的思想和方法，思考運(yùn)動的量度與追尋守恒量的關(guān)系、思考自然界的對稱性和物理守恒定律間的關(guān)系等．這種基于真實(shí)史實(shí)的教法，使學(xué)生受到了大量物理思想、方法和物理觀念的熏陶，逐漸認(rèn)識“每一種守恒定律，必定有其伴隨的物理對稱性”這樣的物理觀念等．

2.5 挖掘?qū)嶒?yàn)探究功能促進(jìn)物理觀念構(gòu)建

物理觀念是隱藏于具體性知識背后的概括性觀點(diǎn)和思想方法，物理觀念只有在學(xué)生本人親自經(jīng)歷知識的探索發(fā)現(xiàn)過程，對具體物理知識進(jìn)行深入分析和挖掘才能展開出來，并在與他人的交流討論與具體應(yīng)用中獲得日漸清晰的認(rèn)識．因此，在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究情境，讓學(xué)生親身體驗(yàn)物理知識的發(fā)現(xiàn)過程，感悟物理知識中蘊(yùn)含的思想、觀點(diǎn)和方法，使學(xué)生通過高水平的思維活動，深刻理解和掌握物理知識，并通過不斷的反思、概括、提升，從而促進(jìn)物理觀念的構(gòu)建．

比如，“牛頓第二定律”課題教學(xué)．在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下，學(xué)生開始認(rèn)為物體的加速度與所受的外力及物體的質(zhì)量有關(guān)，并且外力越大，加速度越大；質(zhì)量越大，加速度越小．如何研究它們之間具體的數(shù)值關(guān)系呢？學(xué)生答：可以用實(shí)驗(yàn)方法來探索．使用控制變量法，先確定m不變，研究a與F關(guān)系；再確定F不變，研究a與m的關(guān)系．然后要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量不同情況下物體的加速度(提示：物體可放在氣墊導(dǎo)軌上，以減小摩擦，用光電管和計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間)．學(xué)生設(shè)計(jì)的裝置圖如圖3所示，分別測出通過兩只光電門(寬度d)時(shí)所需的時(shí)間t1和t2，兩光電門間距s，則物體運(yùn)動的加速度

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，得出

最后得出牛頓第二定律．

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

上述實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中，學(xué)生遷移相關(guān)物理觀點(diǎn)、思想和方法到新的問題情景中，并作出創(chuàng)新性應(yīng)用．如猜測加速度與什么因素有關(guān)且可能是什么關(guān)系，采用控制變量法設(shè)計(jì)方案，通過邏輯推理得出加速度算式等．因此是非常有利于物理觀念構(gòu)建的．

2.6 在原始物理問題情景中實(shí)現(xiàn)觀念的創(chuàng)新應(yīng)用

“原始”物理問題是指，自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問題，其教學(xué)如圖4所示．

圖4 原始物理問題教學(xué)

當(dāng)學(xué)生面臨原始物理問題的“頭”時(shí)，由于原始問題只暴露了現(xiàn)象的某些特征，難以對它作出有效的判斷，只能根據(jù)某些事實(shí)或已知理論，運(yùn)用類比、外推、猜測、不連續(xù)和非邏輯的方法形成適應(yīng)性的領(lǐng)悟，提煉“物理圖像”從而走出認(rèn)識的關(guān)鍵一步．當(dāng)學(xué)生面臨原始問題的“尾”時(shí)，同樣需要借助于物理直覺來判斷結(jié)論的合理性．因此，教學(xué)中創(chuàng)設(shè)“原始”物理問題情境，同時(shí)為學(xué)生提供探索的空間．在學(xué)生獨(dú)立地嘗試運(yùn)用各種物理觀點(diǎn)、思想方法研究問題的過程中，可有效地實(shí)現(xiàn)物理觀念的創(chuàng)新應(yīng)用．

比如，《中國青年報(bào)》1990.12.25 報(bào)道了我國前往南極的科學(xué)考察船“極地號”上發(fā)來的專電——“極地號啟動減搖裝置慢速航行”．報(bào)道稱：“隨著西風(fēng)帶的離去，船體擺動愈發(fā)劇烈，船體橫搖已達(dá)15°，最高達(dá)27°……為了減小船體搖動，船上已采取了新的減搖措施，為此航速已減至10節(jié)．”為什么通過減速能實(shí)現(xiàn)減搖?(波浪沖擊力的頻率接近輪船搖擺的固有頻率時(shí)，輪船搖擺幅度最大．)

怎樣來解決這樣一個(gè)原始物理問題?先看兩種特殊情況：

(1)船的速度方向和波浪傳播的方向在同一直線上；

(2)船的速度和波浪傳播的方向垂直．

解析：(1)設(shè)船的速度為u，波浪的速度為v，則波浪相對船的速度v′=v-u，式中u正方向與v相同．波長相對運(yùn)動著的船不變，即λ′=λ，波浪相對船的頻率

(2)此時(shí)波浪相對船的速度v′=v，波速是波的傳播速度，在垂直其傳播方向上觀察，觀察者的運(yùn)動不影響結(jié)果．故λ′=λ，波浪相對船的頻率

任意方向的速度分解成上述兩種情況，則可以得到一般結(jié)果，當(dāng)船以速度u與波浪傳播方向成θ角航行時(shí)，波浪沖擊力的頻率為

為了避免 f′與f的接近，人們往往通過改變輪船的航向和速度以達(dá)到兩者遠(yuǎn)離的目的．

上述原始物理問題解決過程中，不難發(fā)現(xiàn)運(yùn)用了物理模型的方法．而在物理模型建立中，又使用了歸納推理的方法．因此，通過對原始問題的不斷了解、積累，能使學(xué)生形成一種借助于科學(xué)方法研究問題的心理定勢，有效地提升物理觀念．

1 朱海英.高中學(xué)生物理觀念形成和發(fā)展的心理因素分析及有效策略研究.物理教師，2006(7)

2 馮華.以物理觀念統(tǒng)領(lǐng)物理教學(xué).課程·教材·教法，2014(8)

3 趙立新.物理觀念及其教學(xué).牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(1)

4 邢紅軍.論原始物理問題的教育價(jià)值及其啟示.課程·教材·教法，2005(1)

曾志旺(1967- )，男，特級教師，主要從事物理教學(xué)及研究.