情景化實(shí)驗(yàn)在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用

梁沛林

(深圳市西鄉(xiāng)中學(xué) 廣東 深圳 510102)

1 概念教學(xué)的意義及存在的問(wèn)題

另一個(gè)極端就是通過(guò)大量的現(xiàn)象列舉代替物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)列舉的現(xiàn)象中直接抽象出物理概念．由于定性體驗(yàn)不足，學(xué)生往往只能看到事物的表象，無(wú)法準(zhǔn)確理解概念．亞里士多德就是通過(guò)生活中的大量現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到“力是物體運(yùn)動(dòng)的原因”這個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論．由于缺乏定性或定量的實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，學(xué)生很難自主從現(xiàn)象中抽象出概念的準(zhǔn)確特征．

2 物理概念的構(gòu)建

2.1 物理概念的構(gòu)建的起點(diǎn)——概念原型

人們聽(tīng)到一個(gè)概念的時(shí)候往往在大腦中形成的并不是概念的全部特征，而是某個(gè)最能代表概念的典型的事物或情景，我們稱之為概念的原型[2]．每個(gè)人對(duì)同一個(gè)概念的感覺(jué)不一樣，其原型也會(huì)有差異．當(dāng)聽(tīng)到某個(gè)概念時(shí)，概念的原型就像一幅生動(dòng)的畫(huà)展現(xiàn)在腦海中，人們?cè)俑鶕?jù)原型的特征來(lái)描述、界定和分辨概念．

例如聽(tīng)到水果這個(gè)概念時(shí)，人們腦海中出現(xiàn)的可能是一個(gè)紅彤彤的蘋(píng)果，也可能是一把香蕉或者甘甜的西瓜．如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)專門的訓(xùn)練，根據(jù)原型提取出的概念的特征往往是不準(zhǔn)確的或者是以偏概全的．例如以蘋(píng)果為原型，那么可能把水果的特征描述為：紅色的或者綠色的、長(zhǎng)在樹(shù)上、有籽、果肉甜的……顯然，不經(jīng)過(guò)加工地用某種特定水果的特征建立的水果概念是不準(zhǔn)確的.但是在這些特征的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)抽象、概括和總結(jié)便能夠得到水果的概念.而頭腦中第一時(shí)間浮現(xiàn)出的蘋(píng)果、香蕉或西瓜等就是水果這一概念的“概念原型”.

物理概念也同樣具有生活中的原型，聽(tīng)到平拋運(yùn)動(dòng)這個(gè)概念時(shí)，人們頭腦中會(huì)出現(xiàn)物體拋出的情景(這個(gè)情景可能是拋出去的籃球，也可能是被風(fēng)吹落的樹(shù)葉……)，然后再通過(guò)這些生動(dòng)的情景(原型)理解和判斷平拋運(yùn)動(dòng)的特征．因此物理概念的“原型”就是這個(gè)生活中的典型事物或者情景，而概念教學(xué)的任務(wù)是帶領(lǐng)學(xué)生重現(xiàn)從物理原型出發(fā)，經(jīng)過(guò)理性分析和探究實(shí)驗(yàn)抽象出概念的本質(zhì)特性的過(guò)程(圖1)．概念的原型是相對(duì)穩(wěn)定且形象的，不需要有意識(shí)地記憶，這能夠大大地縮短概念建立的邏輯鏈，從而降低認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)習(xí)效率．

圖1 概念教學(xué)過(guò)程

2.2 鏈接概念原型和物理概念的階梯——情景化實(shí)驗(yàn)

概念原型往往是情景化的，就像一幅幅生動(dòng)的畫(huà)面掛在學(xué)生腦海中．如何利用這些情景化的畫(huà)面幫助學(xué)生建立概念呢？顯然，留給學(xué)生自己歸納是行不通的．以學(xué)習(xí)平拋運(yùn)動(dòng)的概念為例，學(xué)生能夠從平拋運(yùn)動(dòng)的原型中自主歸納出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡的大概形狀，但學(xué)生是很難定量地研究平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征的．由于缺乏定性的體驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)很容易歸納出“物體拋出速度越大，飛行時(shí)間越長(zhǎng)”的錯(cuò)誤結(jié)論．我們需要給學(xué)生引導(dǎo)，就像給他們一把梯子，從原型(情景)出發(fā)通往概念特征，這把梯子就是情景化實(shí)驗(yàn)．

情景化實(shí)驗(yàn)就是從生活中的概念原型出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，把原型中的本質(zhì)特征顯化，并通過(guò)定性或定量的方式研究概念的關(guān)鍵屬性，從而幫助學(xué)生理解概念．情景化實(shí)驗(yàn)首先要找到對(duì)象概念在大多數(shù)學(xué)生頭腦中的原型(情景)，以平拋運(yùn)動(dòng)為例，學(xué)生聽(tīng)到平拋運(yùn)動(dòng)這一概念，往往會(huì)想到拋出去的籃球，這是他們常常見(jiàn)到的情景，在頭腦中印象深刻.平拋出去的籃球就是平拋運(yùn)動(dòng)情景化實(shí)驗(yàn)的一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)載體.通過(guò)設(shè)計(jì)平拋運(yùn)動(dòng)與水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)與豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究平拋運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵特征，再根據(jù)總結(jié)出的平拋運(yùn)動(dòng)的特征檢驗(yàn)其他平拋運(yùn)動(dòng)是否具有同樣的特性.此時(shí)可以從籃球平拋抽象到鋼珠平拋，經(jīng)過(guò)定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善平拋運(yùn)動(dòng)的概念及特性．

抽象概念同樣有其原型，只是這個(gè)原型可能是另一個(gè)概念，或者是根據(jù)概念描述而形成的一個(gè)情景．例如矢量，其在學(xué)生頭腦中的概念原型為力．學(xué)生往往通過(guò)力的特征來(lái)界定矢量的，例如力滿足平行四邊形行法則，所以矢量應(yīng)該滿足平行四邊形法則，矢量的運(yùn)算法則也可以通過(guò)力的運(yùn)算作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)矢量的運(yùn)算特征進(jìn)行研究．

因此一般的物理概念構(gòu)建方式如圖2所示，從學(xué)生熟悉的物理情景或者物理現(xiàn)象出發(fā)，通過(guò)情景化實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生從定性和定量?jī)煞矫媪私飧拍畹奶卣?，從而建立物理概念．然后再利用物理概念檢驗(yàn)概念范疇中的其他對(duì)象，從而完善概念的內(nèi)涵和外延．

圖2 物理概念構(gòu)建方式

3 基于情景化實(shí)驗(yàn)的概念教學(xué)的啟發(fā)和建議

學(xué)生在理解物理概念時(shí)，常常是從情景出發(fā)的，而教師往往從理性出發(fā)幫助學(xué)生建立物理概念，這樣的教學(xué)效率是不高．加上公式推導(dǎo)和邏輯分析過(guò)程無(wú)形中增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，造成許多學(xué)生感覺(jué)到物理難學(xué)．

情景化實(shí)驗(yàn)是在日常教學(xué)中總結(jié)出的有效的概念教學(xué)手段，具體就是從生活中的概念原型出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，把原型中的本質(zhì)特征顯化，并通過(guò)定性或定量的方式研究概念的關(guān)鍵屬性，從而幫助學(xué)生理解概念．實(shí)際上不少物理教師也會(huì)無(wú)意中使用情景化的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué).例如講慣性這一概念時(shí)，不少教師都會(huì)使用汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)突然剎車，乘客會(huì)向前倒，這一情景來(lái)幫助學(xué)生理解慣性.實(shí)際上這就是一個(gè)情景化實(shí)驗(yàn).情景化實(shí)驗(yàn)在概念教學(xué)中應(yīng)用非常廣泛，而且效果顯著.下列是教學(xué)中總結(jié)出的一些情景化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)建議.

(1)情景化實(shí)驗(yàn)必須取材于學(xué)生生活中熟悉的事物或情景，方便學(xué)生代入情景中，建立清晰的情景畫(huà)面．例如力的合成可以選取晾衣服、推桌子、用水桶提水等.

(2)情景化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)有針對(duì)性，尤其是針對(duì)學(xué)生常見(jiàn)的錯(cuò)誤的物理前概念進(jìn)行設(shè)計(jì)．例如平拋運(yùn)動(dòng)中，由于生活中的拋體運(yùn)動(dòng)大多數(shù)是斜拋運(yùn)動(dòng)，于是學(xué)生頭腦中會(huì)形成“拋出速度越大，物體飛行時(shí)間越長(zhǎng)”的前概念．在設(shè)計(jì)情景化實(shí)驗(yàn)時(shí)必須有針對(duì)性地轉(zhuǎn)化物理前概念，可以設(shè)計(jì)兩個(gè)小球在同等高度同時(shí)出發(fā)，一個(gè)做平拋運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)做自由落體，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)觀察中發(fā)現(xiàn)不管平拋的小球拋出速度多大，其落地時(shí)間跟自由落體的時(shí)間是相同的．從而通過(guò)情景化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變物理前概念．

(3)情景化實(shí)驗(yàn)應(yīng)該以定性實(shí)驗(yàn)為主，兼顧定量實(shí)驗(yàn)．定性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生建立正確物理觀念的核心環(huán)節(jié)，也是學(xué)生界定概念的有效手段．定性實(shí)驗(yàn)往往結(jié)果明顯，而且不需要進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)處理，能夠大大地降低認(rèn)知負(fù)荷，更容易被學(xué)生接受．但是遇到概念的關(guān)鍵性特征，單從定性判斷是不夠的，需要定量實(shí)驗(yàn)介入．以反作用力為例，學(xué)生對(duì)作用力和反作用力的等大、反向和同步等特性是有感官基礎(chǔ)的，但是是否嚴(yán)格相等卻是不清楚的，這時(shí)候可以通過(guò)DIS(數(shù)字化信息)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用力和反作用力的大小方向等關(guān)系從而建立清晰的且正確的作用力和反作用力關(guān)系．

(4)情景化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程應(yīng)該簡(jiǎn)潔且現(xiàn)象明顯．情景化實(shí)驗(yàn)的目的是為了讓學(xué)生在概念原型的基礎(chǔ)上直接建立概念，縮短邏輯鏈從而降低認(rèn)知負(fù)荷．如果實(shí)驗(yàn)本身邏輯復(fù)雜且過(guò)程繁瑣，那情景化實(shí)驗(yàn)的價(jià)值便會(huì)大打折扣．