基于科學交流的物理概念建構

費志明

(海寧市教研室，浙江 嘉興 314400)

在實際的教學中,有許多教師在概念教學時,大多采用“灌輸法”．學生只在教師的引導下接觸一下事物的科學屬性,雖能做到一定的概念識別,但卻難以形成概念的正確表達,從而難以科學地思考問題,往往表現出片面、碎片、錯誤的推理．究其原因,并不完全在于敘述語言水平,還在于表達的內容并不是概念中本質的科學屬性．只有抓住了物理概念中諸多因素中的本質因素,并對主要因素加以正確表述,才能形成科學的概念．

國際經濟合作組織(OECD)認為[1],“科學素養(yǎng)包括能夠確認科學問題、使用證據、作出科學結論并就結論與他人進行交流的能力．”因此,科學交流是科學素養(yǎng)中一種十分重要的素養(yǎng),物理概念教學一定要通過科學交流展開．科學交流有別于普通的交流,它必須是基于證據的交流,所以在科學交流時,實驗、建模、類比等科學方法在交流中經常用到．

1 通過科學交流,形成思維沖突,糾正錯誤前概念

前概念是指學生在學習物理概念之前,按照自己的習慣、經驗、思維方式對問題、現象進行主觀判斷的一種心理趨向[2]．

在概念教學時,對于片面的甚至錯誤的前概念,我們應設法讓學生形成思維沖突．教師要想方設法將學生原有的、錯誤的認知暴露,讓學生充分的科學交流,暴露前概念,引起學生思維沖突,形成正確的物理概念．

下面案例就是如何通過科學交流,暴露出自己的前概念．并且隨著實驗逐層深入讓學生的前概念和科學事實產生思維沖突．在充分科學交流后,進行探究式的邏輯思考,最后糾正自己的錯誤前概念．

例1.“飲料是怎樣上來的”.

當你問學生“飲料是怎樣上來的”時,大部分學生會回答說“是嘴巴吸上來的”．為了能讓學生進行科學交流,我們可以這樣設計實驗.

實驗1:比賽喝飲料.

師:教師手上有甲、乙兩個飲料瓶,內裝果粒橙,哪兩位學生有興趣上來比賽喝飲料?

生:學生紛紛摩拳擦掌,躍躍欲試,想要上去表演．

教師請兩位學生上來喝飲料．發(fā)現吸甲瓶的學生甲漲得滿臉通紅都沒能吸到一滴飲料,而吸乙瓶的學生乙已經輕松地將飲料吸入口中．

師:甲學生,你努力吸了嗎?

甲:努力吸了．

師:有沒有吸到?

甲:沒吸到．

師:你的瓶子不能吸出飲料,而乙瓶卻很容易吸出飲料．你看看,能找出其中的奧秘嗎?

甲:我的瓶子是密封的,而他的瓶子有個小孔．

師:那為什么密封的瓶子吸不出飲料,而有孔的瓶子卻能輕松喝到飲料?

乙:因為有孔的瓶子,空氣可以進入瓶中．

師:為什么空氣進入瓶中就可以吸出飲料,而空氣不能進入瓶中就吸不出飲料?

乙:因為空氣進入瓶中后,吸管內的氣壓就小于外界大氣壓,大氣壓將飲料壓入吸管,從而進入口中．

前概念轉化的條件: (1) 對原有概念的不滿; (2) 新概念的可理解性; (3) 新概念的合理性; (4) 新概念的有效性．在這里,教師并不是將大氣壓的概念生硬地強加給學生,而是讓學生充分科學交流起到暴露前概念,然后通過第1個實驗去動搖他們的前概念．讓學生看見原來“吸”的觀念無法解釋的事例,引發(fā)他們的認知沖突,從而導致讓學生對原有概念的不滿．在這里,基于證據的交流(科學交流)起來非常重要的作用．接著再精心設計了第2個實驗,為學生的前概念成功轉化為物理概念奠定基礎．

圖1

實驗2:用注射器壓飲料.

師演示:用注射器向有孔的飲料瓶打氣,飲料會從吸管內噴射出來．

生:雖然不存在吸的作用,但由于瓶內液面上方空氣受到壓縮,氣體壓強增大,所以會將液體壓入吸管．

師:通過對比這2個實驗,你對吸飲料的問題有什么新的認識?

圖2

生(組內交流后):液體能否沿著吸管上升,關鍵是瓶內液體表面氣壓是否大于吸管內的氣壓．當瓶蓋有孔時,無論用嘴向吸管吸氣、用針筒向小孔打氣,液體都可以被壓出來,因為此時液面上方的氣體壓強都大于吸管內的氣壓．

最后,通過比較兩個實驗,并結合平時對吸飲料機制的分析．再讓學生進行小組討論,組內、組間進行科學交流,讓學生真正懂得新概念的內涵,讓學生感到新概念和事物本質相一致、不存在沖突,并且能用概念解決原概念無法解決的問題和事例．在這里,證據的交流起了關鍵作用,最后揭示出藏匿在“吸”背后的“大氣壓”的“壓”作用．

2 通過科學交流,把握內涵和外延,理解物理概念

物理概念包含內涵和外延兩個方面,這是物理概念的兩個基本特征[2]．物理概念的內涵是指概念所反映的對象、現象、過程所特有的本質屬性．物理概念的外延是指具有物理概念所反映的本質屬性的全體對象．在教學中,教師只有切實把握概念的內涵和外延,學生才能更好地理解概念．讓學生在主動動腦、動口、動手,獨立觀察、比較、聯想、歸納等科學交流,更好地幫助學生整理、獲取重要信息,促進學生思維的活躍,從而理解物理概念．

下面案例就是如何通過科學交流,讓學生逐步把握住概念的內涵和外延．在充分表達、交流后,不斷完善自己對概念內涵和外延的理解,最后有效的理解物理概念．

例2.功的概念.

功的概念:如果物體受到力的作用,并且在這個力的方向上通過了一段距離,我們就說這個力對物體做了功．但要正確理解這個概念必須以情景為載體,與學生交流分析才能讓學生真正理解概念的內涵和外延．

情境1:師:叉車把貨物從地面抬升到一定高度,叉車對貨物有沒有做功?

生:做功.

情境2:師:人推小車在水平路面上通過一段路程,人對車有沒有做功?

生:做功.

情境3:師:人用力搬石頭,石頭沒有搬動,人對石頭有沒有做功?

生1:做功.

生2:不做功(學生間爭論很劇烈)

師:……(笑而不答)

情境4:師:人提書包在水平路面上勻速通過一段距離,人對書包有沒有做功?

生3:做功.

生4:不做功(學生間還是爭論很劇烈)

師:同學們從概念的內涵和外延思考一樣(小組討論)

生:情境1、情境2做功,情境3、情境4沒做功．因為情境3雖然有力,但在力的方向上卻沒移動距離;情境4雖然有力,也有距離,但它們不是在力的方向上移動的．

師:很好,哪位同學幫我們總結一下做功因素．

生:做功的兩個重要因素:一個是作用在物體上的力,另一個是物體在這個力的方向上移動的距離．

教師引導學生進行科學交流時常用的引導語言:這個觀點很有意思,能再多說一點嗎?他的意見如此,有沒有不同的看法?我們可以從另一個角度來看這個問題嗎?假如你是……,你會怎么做?你肯定一定是如此嗎,有沒有例外?對不起,能簡單地表達你的想法嗎?科學表達一般要求:需要說明發(fā)生的條件(外因和內因)、過程和結果,最后是一個明確的結論．因此,準確把握物理概念的內涵和外延,在建構概念的過程中是非常重要的．

3 通過科學交流,辨析比較概念,厘清物理概念

物理概念還有一個特殊屬性——多重抽象性,這就使得學生感覺物理難學[2]．選擇恰當的時機,引導學生通過科學交流來辨析、區(qū)分易混淆的物理概念,能有效地幫助學生克服物理概念的多重抽象性所帶來的學習困難,從而更好地厘清物理概念．

下面案例是熱量與內能兩個非常容易混淆的概念,為了能厘清這兩個物理概念我們讓學生充分科學交流,起到了非常好的效果．

例3.熱量與內能概念辨析.

同學們在學習這兩個概念時, 常常把二者很難區(qū)別開來, 于是就出現了“這個物體含有熱量多”, 那個“ 物體吸收了多少內能” 等諸多錯誤說法．我們可以通過師生間的科學交流從兩個概念的定義, 決定因素等各個方面加以對比．

師:什么是熱量?

生:物體在熱傳遞過程中吸收或放出能量的多少叫熱量．

師:那什么又是內能呢?

生:物體內所有分子的動能與分子勢能總和叫內能．

師:那你們怎么理解兩者間的關系?(小組討論)

生:物體內能發(fā)生變化時才能說“熱量” 兩個字．

師(追問):若物體內能增加,則熱量將如何變化?

生:物體可能吸收了熱量．

師(追問):若物體內能減小,則熱量將又如何變化?

生:物體可能放出了熱量

師:同學們討論一下:熱量與內能兩概念的區(qū)別與聯系．(同學們討論非常劇烈)

生:熱量是在熱傳遞過程中,物體吸收或放出熱的多少,其實質是內能的變化量．

抓住概念間的本質特征,進行師生間充分交流,消除學生的思維障礙．從而辨析比較兩概念,厘清物理概念,提升概念教學的有效性．當然其中讓學生進行小組討論、交流非常重要．

4 通過科學交流,進行交流與表達,應用物理概念

從2015年開始浙江省科學中考專門命制了“表達題”．什么是表達題?表達題是一種需要學生運用科學原理,使用較多科學語言,并運用因果關系,體現一定邏輯順序,來闡述、解釋某一科學問題或科學現象的綜合性試題．表達題實質上就是應用物理概念、原理進行語言交流表達的一種科學交流．

例4.(2017年溫州).避險車道是與公路主干道相連的一條距離很短的分岔專用車道,供速度失控車輛安全減速．一般設置在長陡坡下坡的拐彎處,保證駕駛員能看到(如圖3、4),這種車道很特別,一般長度在50～100m,有一定的坡度,路面上鋪著疏松的石子、沙土層,兩側及頂部用廢舊輪胎或防撞桶圍起來(如圖5、6)．避險車道很大程度上解決了汽車剎車失靈時的安全隱患,請你談談避險車道設置所包含的科學知識并作簡要解釋．(5分)

圖3

圖4

圖5

圖6

答案: 長陡下坡,剎車失靈的汽車,速度會越來越快,需要通過一定方式來減速．(1分)

(1) 1820年10月,法國物理學家畢奧和薩伐爾發(fā)表題為《運動的電傳遞給金屬的磁化力》的論文,報告了他們發(fā)現:直流電流對磁極的作用方向垂直于磁極到導線的垂線.他們的實驗裝置如圖1所示,一條垂直的金屬絲CZ兩段連接到伏打儀器的兩極,一根磁化的鋼針用一條絲線懸掛在水平位置上.當電流通過導線時,磁針就轉到與其中心到導線的距離相垂直的水平方向,和奧斯特的實驗結果一致.

(1) 避險車道設置在下坡拐彎處的右邊,是利用光的直線傳播,便于司機看到,有充足的反應時間,能做出合理判斷;(1分)

(2) 有一定的坡度,是利用動能轉化為勢能,使車減速;(1分)

(3) 鋪上疏松的碎石、沙土,是為了增大摩擦,使車減速;(1分)

(4) 廢舊輪胎和防撞桶,起到緩沖的作用(增加沖撞時間),車的動能轉化為內能,使車減速．(1分)

本題的思維層次能得到有效區(qū)分,思維結構越復雜,越具有邏輯思維能力,所回答的內容越全面,所獲得的分數也就越高,學生的科學素養(yǎng)也就越好．這樣的科學交流,是應用物理概念、原理．在應用過程中,進一步鞏固概念,發(fā)現不足．這樣的科學交流,能更為全面地考查學生所具備的科學知識、科學技能、邏輯思維和語言表達能力,這類題目才能真正考查學生綜合能力的一類試題．

物理概念又是人們?yōu)榱私沂狙芯繉ο缶哂械目茖W屬性的一種思維形式[3]．當事物的科學屬性未區(qū)分時,盡管它是一種客觀存在,卻不能用來進行科學思維;當這種科學屬性被區(qū)分,但未被表述時,它只是一種知覺和表象．只有這種科學屬性在被區(qū)分之后又被正確表述,它才能用來進行科學思維．科學素養(yǎng)發(fā)展不夠的學生能回憶簡單的科學事實性知識、使用常用的科學知識判斷或得出結論．科學素養(yǎng)發(fā)展較好的學生就會展現出創(chuàng)造和使用概念模型預估和解釋、分析科學研究,聯系數據作為證據、評價同一現象的其它解釋,以及簡潔交流結論的能力．因此,科學交流是科學素養(yǎng)中一種十分重要的素養(yǎng)．

參考文獻：

1 鄒愛玲.初中物理教材體現科學素養(yǎng)教育的評價研究[D].大連： 遼寧師范大學,2007:3.

2 王耀村.浙江省中小學學科教學建議——案例解讀[M].杭州： 浙江教育出版社，2015(8): 75-79.

3 葉鎮(zhèn)源.運用有效策略 建構科學概念[J]. 教學月刊·中學版，2016 (Z2):36-39.