高中物理概念的“五特征”和“三類型”

姚彬

摘? ?要：物理概念有利于學(xué)生準(zhǔn)確形成物理觀點(diǎn)，掌握好物理規(guī)律，因此概念教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。筆者歸納總結(jié)了高中物理概念呈現(xiàn)的五個(gè)特征，并從學(xué)生的認(rèn)知角度將物理概念劃分為三種類型。希望能夠?qū)ξ锢砀拍罱虒W(xué)有所啟發(fā)和幫助。

關(guān)鍵詞：物理概念;五特征;三類型

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）4-0012-3

物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一的物理觀念提到：從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。物理概念和規(guī)律是中學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)中最重要、最基本的內(nèi)容。使學(xué)生形成清晰的物理概念，準(zhǔn)確地掌握物理規(guī)律，并使他們的智力和能力得到充分發(fā)展，是中學(xué)物理教學(xué)的核心問題。由此可見，物理概念的形成是學(xué)生掌握好物理規(guī)律，形成良好的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)。所以，物理概念教學(xué)是整個(gè)中學(xué)階段物理學(xué)習(xí)過程中相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

筆者曾對(duì)高中生物理概念形成過程開展過課題研究。在高一、高二兩個(gè)年級(jí)四冊(cè)課本中挑選了加速度、向心加速度、萬(wàn)有引力、電勢(shì)、磁感應(yīng)強(qiáng)度和交流電有效值這六個(gè)物理概念進(jìn)行研究。通過對(duì)比不同版本的教材、課堂教學(xué)的集體評(píng)議、學(xué)生問卷和檢測(cè)題的統(tǒng)計(jì)分析以及資料的查閱學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生如何建立起物理概念，在概念形成過程中又會(huì)遇到哪些干擾和障礙，有了更深入的了解。隨后總結(jié)出高中階段物理概念的“五特征”，并從學(xué)生認(rèn)知角度將物理概念分為“三類型”，以期對(duì)高中階段物理概念教學(xué)能夠有所裨益。

1? ? 物理概念的“五特征”

“五特征”是指高中學(xué)生形成物理概念過程中呈現(xiàn)出的五個(gè)顯著特征，可以用五個(gè)特征詞來表述：“前因”“前概念”“關(guān)鍵信息點(diǎn)”“縱向延伸”和“橫向關(guān)聯(lián)”。

1.1? ? 特征1：概念“前因”

概念前因即概念的物理意義，簡(jiǎn)單地說就是為什么要引入這個(gè)概念？以高一學(xué)生剛接觸加速度概念為例，在學(xué)習(xí)概念后的形成性檢測(cè)題中我們?cè)O(shè)置了兩個(gè)問題：

①速度變化越大是否說明加速度越大？

②速度減小得越快是否說明加速度越大？

問卷調(diào)查顯示，問題①約有20%的學(xué)生判斷錯(cuò)誤，問題②約有40%的學(xué)生判斷錯(cuò)誤。參與調(diào)查的學(xué)生對(duì)問題判斷說明了什么？又是什么原因?qū)е滤麄兣袛噱e(cuò)誤？

教材對(duì)加速度的定義非常明確：加速度是表示速度改變快慢的物理量，它等于速度的改變跟發(fā)生這一改變所用時(shí)間的比值。由問題①可以發(fā)現(xiàn)，參與調(diào)查的學(xué)生中有八成對(duì)加速度的定義記憶是準(zhǔn)確的，但不能確定他們對(duì)加速度的理解是否準(zhǔn)確。再結(jié)合問題②的錯(cuò)誤率，可以推測(cè)仍有近兩成的學(xué)生是死記概念，而沒有理解加速度。

參與調(diào)查的學(xué)生中有近四成沒有認(rèn)識(shí)到為什么要引入加速度這個(gè)概念，即概念前因不明。訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)加速度理解錯(cuò)誤的原因有三類：第一類認(rèn)為加速度是描述速度變化大小的物理量;第二類認(rèn)為加速度是描述速度增加的物理量;第三類則表示完全不清楚。

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念時(shí)，如果不清楚這個(gè)概念的前因，就只能靠死記硬背，這樣有很大可能會(huì)出現(xiàn)知識(shí)遺忘或者混淆的現(xiàn)象。

1.2? ? 特征2：“前概念”

學(xué)生在學(xué)習(xí)某個(gè)概念之前，對(duì)這個(gè)概念的名詞或大致內(nèi)容已經(jīng)有一定認(rèn)識(shí)。這種認(rèn)識(shí)或來源于生活經(jīng)驗(yàn)，或來源于以前所學(xué)，或來源于他人述說，或來源于自學(xué)，我們稱之為前概念。它可能有助于學(xué)生更好地理解和掌握所學(xué)概念，但也有可能因?yàn)橐研纬傻那案拍畈⒉粐?yán)謹(jǐn)、甚至錯(cuò)誤，對(duì)該概念的理解造成干擾。

比如，學(xué)生在學(xué)習(xí)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過“電場(chǎng)強(qiáng)度”。學(xué)生會(huì)不自覺地將電場(chǎng)與磁場(chǎng)進(jìn)行類比。電場(chǎng)強(qiáng)度的定義是學(xué)生學(xué)習(xí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的前概念，而且是起干擾作用的前概念。從問卷和檢測(cè)題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生將磁場(chǎng)類比電場(chǎng)，將電流元類比檢驗(yàn)正電荷，將電流元所受安培力類比檢驗(yàn)正電荷所受到的電場(chǎng)力，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與電場(chǎng)強(qiáng)度大小的定義方法相似。所以，學(xué)生用檢驗(yàn)正電荷受到的電場(chǎng)力方向定義電場(chǎng)強(qiáng)度方向，類比理解電流元所受安培力的方向?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度方向。電場(chǎng)強(qiáng)度這個(gè)前概念有利于學(xué)生理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，反過來因?yàn)檫@種類比又干擾了學(xué)生記憶磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的規(guī)定。

在我們分析的目標(biāo)概念中，電場(chǎng)強(qiáng)度是磁感應(yīng)強(qiáng)度的前概念，重力也可以視為萬(wàn)有引力的前概念。因此，要使學(xué)生更好地形成新概念，特別是抽象的概念，就要分析學(xué)生可能存在的“前概念”，并判斷“前概念”在哪個(gè)點(diǎn)有利于學(xué)生的理解，哪個(gè)點(diǎn)會(huì)造成干擾。

1.3? ? 特征3：定義的“關(guān)鍵信息點(diǎn)”

一般來說，物理概念都有明確的定義。如交流電的有效值的定義：恒定電流通過相同的電阻在交流的一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生熱量與交變電流的相等，則該恒定電流的電流強(qiáng)度和電壓是交流電電流和電壓的有效值。這個(gè)定義中包含了三個(gè)關(guān)鍵信息點(diǎn)：交流一個(gè)周期、相同電阻、熱量相等。從問卷中“交流電的有效值是如何定義的？”問題的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)三個(gè)信息都能準(zhǔn)確記憶的只有40%，其中錯(cuò)誤最多是時(shí)間信息點(diǎn)，很多學(xué)生回答“相同的時(shí)間”或“單位時(shí)間內(nèi)”。

對(duì)關(guān)鍵信息點(diǎn)的記憶缺失會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生分析綜合應(yīng)用問題。在檢測(cè)題中設(shè)置求有效值的問題，如圖1所示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該題的正確率只有32%。通過個(gè)別訪談了解到，學(xué)生反映不知道時(shí)間取0.5 s、1 s還是2 s。

因?yàn)殛P(guān)鍵信息點(diǎn)記憶不準(zhǔn)確或是缺漏，導(dǎo)致學(xué)生在較為復(fù)雜的問題上陷入了困境。

1.4? ? 特征4：概念的“縱向延伸”

必修1學(xué)習(xí)了加速度，必修2又出現(xiàn)了向心加速度的概念。必修1涉及到的運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)，學(xué)生更多地是在直線運(yùn)動(dòng)中去理解加速度，潛意識(shí)認(rèn)為速度變化是指速度大小變化，因弱化速度方向或不理解導(dǎo)致學(xué)生無視速度的矢量特點(diǎn)。勻速圓周運(yùn)動(dòng)中的向心加速度是加速度概念在更為具體的運(yùn)動(dòng)類型中的縱向延伸。這種概念在縱向延伸后引出新概念，可以認(rèn)為是原概念的子概念，是原概念具體化的一種補(bǔ)充。由于延伸，可能會(huì)運(yùn)用到某些物理思想或規(guī)律。在教學(xué)中，如果對(duì)延伸帶來的變化處理得當(dāng)，不僅會(huì)幫助學(xué)生掌握好子概念，而且能夠幫助學(xué)生更好地理解原概念。

1.5? ?特征5：概念的“橫向關(guān)聯(lián)”

電場(chǎng)中學(xué)習(xí)過“電勢(shì)、電勢(shì)差和電勢(shì)能”的概念，在后續(xù)的學(xué)習(xí)中電勢(shì)的概念屢次出現(xiàn)。比如，利用等電勢(shì)點(diǎn)法簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，電磁感應(yīng)現(xiàn)象中導(dǎo)體上電勢(shì)的高低。

學(xué)生在學(xué)習(xí)感生電動(dòng)勢(shì)后就會(huì)對(duì)“電勢(shì)”概念產(chǎn)生疑問：磁場(chǎng)變化產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，使閉合線圈中形成閉合的電場(chǎng)線。但電勢(shì)會(huì)沿著電場(chǎng)線的方向逐漸降低。那如何判斷電勢(shì)高低？

出現(xiàn)這種疑問主要有兩個(gè)方面的原因：一是在靜電場(chǎng)章節(jié)學(xué)習(xí)電勢(shì)概念時(shí)，限于所學(xué)，雖然強(qiáng)調(diào)是靜電場(chǎng)，但無法提及感生電場(chǎng)，因此學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為電場(chǎng)只有靜電場(chǎng)一種，所以電勢(shì)沿電場(chǎng)線降落是所有電場(chǎng)都具有的特征。另一個(gè)原因是感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的區(qū)別在教材中并沒有作為重點(diǎn)描述，教師在教學(xué)中或是有意弱化，或是自身存在知識(shí)缺陷。

有“橫向關(guān)聯(lián)”的概念往往會(huì)使問題更復(fù)雜，也會(huì)使學(xué)生不僅不能掌握好現(xiàn)有概念，甚至對(duì)原概念也產(chǎn)生疑問。

2? ? 物理概念的“三類型”

物理概念分類有很多種分法。比如，根據(jù)內(nèi)容分為力學(xué)概念、電磁學(xué)概念等;根據(jù)定義方式分為比值法概念、等效法概念等。我們根據(jù)學(xué)生在物理概念形成過程中呈現(xiàn)的“五特征”， 從學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的角度將中學(xué)物理概念分為“全新型概念”“延伸型概念”“類比型概念”三種類型。

2.1? ? 類型1? “全新型概念”

“全新型概念”是指在學(xué)習(xí)某個(gè)概念之前，對(duì)大部分學(xué)生而言，從未聽說過或是從未了解過的名詞。比如加速度，初中物理沒有出現(xiàn)過，生活中也很少出現(xiàn)。對(duì)于大部分學(xué)生而言，可以說是一個(gè)全新的概念。還有“交流電的有效值”等概念亦是如此。

“全新型概念”具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）由于全新，因此沒有或很少有前概念的干擾;（2）由于全新，因此必須重視概念的前因;（3）由于全新，因此需要通過一定量的形成性練習(xí)鞏固對(duì)概念的理解。

2.2? ? 類型2? “延伸型概念”

“延伸型概念”是指在某個(gè)概念的基礎(chǔ)上縱向延伸時(shí)引出的新概念。它是原概念在某環(huán)境中的具體化體現(xiàn)。比如，加速度和向心加速度、重力和萬(wàn)有引力等。

對(duì)于“延伸型概念”的學(xué)習(xí)，一般需要采取如下幾個(gè)步驟：

（1）找出它的原概念，并從定義進(jìn)行比較。使學(xué)生能從多方位、多角度理解原概念;

（2）通過對(duì)概念的辨析，使學(xué)生知道“延伸型概念”反映的是原概念的某個(gè)方面，使學(xué)生在宏觀上增強(qiáng)對(duì)“延伸型概念”的認(rèn)識(shí);

（3）重點(diǎn)關(guān)注概念延伸涉及到的不易掌握的物理思想和方法，根據(jù)學(xué)生層次來確定這些教學(xué)難點(diǎn)的取舍。若是覺得學(xué)生難以接受這些物理思想和方法，教學(xué)中也應(yīng)該采用盡可能簡(jiǎn)潔、清晰的方式表述這些難點(diǎn)，而不是完全置之不顧。

2.3? ? 類型3? “類比型概念”

“類比型概念”是指諸如電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度、重力勢(shì)能與電勢(shì)能……這些物理概念有著相似的引入方式或定義方式，稱為“類比型概念”，它們具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）它們分屬于物理學(xué)中不同領(lǐng)域的概念;（2）它們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域中具有某種相似的物理屬性;（3）它們的定義方式相同。

在物理概念教學(xué)中可依據(jù)上述三種類型對(duì)概念進(jìn)行歸類，根據(jù)不同類型在導(dǎo)入方法、內(nèi)容表述、關(guān)鍵信息點(diǎn)以及鞏固練習(xí)等四個(gè)方面有所側(cè)重。如“全新型概念”側(cè)重于比較導(dǎo)入法、“延伸型概念”側(cè)重于強(qiáng)化關(guān)鍵信息點(diǎn)、“類比型概念”側(cè)重于內(nèi)容表述形式。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2019-01-31

基金項(xiàng)目：本文為中山市教育科研一般課題“高中學(xué)生物理概念形成過程探究”（課題編號(hào) D12078）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：姚彬（1975-），男，中學(xué)物理高級(jí)教師，主要從事高中物理教學(xué)工作，中山市高中物理學(xué)科帶頭人，曾獲中山市中學(xué)物理教學(xué)比賽一等獎(jiǎng)，多次被評(píng)為中山市優(yōu)秀教師等稱號(hào)。