“物理思維中心論”視域下的概念教學(xué)策略

陳懋

摘 ? ?要：概念是物理的核心，概念教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.概念教學(xué)必須基于學(xué)生的習(xí)得經(jīng)驗(yàn)，立足于學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從前概念出發(fā)，需要使?jié)饪s的意義充分稀釋還原.

關(guān)鍵詞：概念教學(xué);物理思維;科學(xué)素養(yǎng)

物理思維是指采用物理學(xué)的思想和方法提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的科學(xué)思維.物理思維中心論是指在物理概念教學(xué)中，物理思維位于概念教學(xué)結(jié)構(gòu)圖的中心，分別與生活情境、物理概念、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、概念本質(zhì)四個(gè)部分發(fā)生關(guān)聯(lián)[1]，如圖1所示.物理概念是觀察、實(shí)驗(yàn)與理性思維的概括抽象的產(chǎn)物.學(xué)生對(duì)物理概念的認(rèn)識(shí)，需要經(jīng)歷三個(gè)階段：感性的具體、理性的抽象、理性的具體.概念教學(xué)必須基于學(xué)生的習(xí)得經(jīng)驗(yàn)，立足于學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從前概念出發(fā)，需要使?jié)饪s的意義充分稀釋還原，這種設(shè)計(jì)符合學(xué)生的認(rèn)知次序.但在實(shí)際物理概念教學(xué)中，教師往往簡(jiǎn)單直接地給出概念的定義，學(xué)生沒(méi)有經(jīng)歷概念建立的思維過(guò)程和科學(xué)方法訓(xùn)練，因而嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)概念的理解.筆者以“壓強(qiáng)概念”教學(xué)片段為例，探討如何基于“物理思維中心論”的初中物理概念教學(xué)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

一、創(chuàng)設(shè)生活情境 ? 明確概念的意義

物理學(xué)概念建構(gòu)的意義在于物理學(xué)引入和建構(gòu)這個(gè)概念的原因，即解決“為什么”的問(wèn)題.著名教育學(xué)家杜威主張：教學(xué)是基于行動(dòng)，不應(yīng)該直截了當(dāng)?shù)刈⑷胫R(shí)，而應(yīng)引導(dǎo)兒童在活動(dòng)中獲得經(jīng)驗(yàn)從而習(xí)得知識(shí)[2].在概念教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)能凸顯事物“共同屬性”和“本質(zhì)特征”的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生將情境與物理概念進(jìn)行聯(lián)系與轉(zhuǎn)換，選取所學(xué)的物理概念解決情境中出現(xiàn)的問(wèn)題，喚醒學(xué)生的思維，并同化到學(xué)生的原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，明確概念建構(gòu)的物理意義.

例如我們已經(jīng)知道，力的作用效果有二：一是可以改變物體的形狀，二是可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).請(qǐng)同學(xué)們用手指壓桌子上的氣球和海綿，觀察并描述發(fā)生了什么現(xiàn)象.學(xué)生活動(dòng)后知道，壓力使物體的表面產(chǎn)生凹陷的效果.繼續(xù)提問(wèn)：你還能列舉一些生活中類似“壓力使物體產(chǎn)生凹陷”的例子嗎？學(xué)生討論得出，人在沙灘或雪地上行走，腳對(duì)地面的壓力會(huì)在沙灘或雪地上留下腳印;人躺在沙發(fā)上，身體對(duì)沙發(fā)的壓力會(huì)使沙發(fā)產(chǎn)生凹陷.教師追問(wèn)：汽車會(huì)使路面產(chǎn)生凹陷，如果汽車超載很多，會(huì)導(dǎo)致什么后果呢？教師投影汽車超載導(dǎo)致橋梁斷裂的圖片.學(xué)生知道，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)會(huì)損害物體，甚至造成安全事故，因此我們很有必要學(xué)習(xí)這些知識(shí)，加強(qiáng)安全教育.在此過(guò)程中，學(xué)生明白壓力是一種普遍存在的效果力，壓力可以使物體產(chǎn)生凹陷.

教師設(shè)問(wèn)：我們無(wú)法看到力，卻能從力產(chǎn)生的效果中感受到力的存在.那么，請(qǐng)你們思考，放在桌面上的書(shū)對(duì)桌面有壓力嗎？學(xué)生認(rèn)為，有壓力，但沒(méi)有凹陷形變;也有學(xué)生認(rèn)為，有凹陷形變，只是變形程度太小，用我們的眼睛無(wú)法直接觀察.此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn).演示實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，用手指捏玻璃瓶，毛細(xì)管中的紅色液柱上升，手指松開(kāi)，液面又下降回到初始位置.此時(shí)學(xué)生知道書(shū)對(duì)桌面產(chǎn)生壓力效果.在此過(guò)程中，學(xué)生明白，為使實(shí)驗(yàn)效果明顯，可以采用轉(zhuǎn)換法或放大法等驗(yàn)證方法.

本案例中，學(xué)生自主體驗(yàn)，再列舉生活中的壓力作用效果過(guò)大造成事故，明確壓力的作用效果的現(xiàn)實(shí)意義;教師展開(kāi)演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生從作用效果入手，將看不見(jiàn)的凹陷形變轉(zhuǎn)化為看得見(jiàn)的液面升降，調(diào)動(dòng)思維的積極性.在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生體驗(yàn)“從生活走向物理”的課程理念，從物理思維視角感受引入物理概念的意義，學(xué)生掌握了比較、質(zhì)疑、轉(zhuǎn)換等思維方法.

二、設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) ? 體悟概念的本質(zhì)

概念的本質(zhì)屬性，即抽象概括出包括一切同類對(duì)象的本質(zhì)屬性，解決“是什么”的問(wèn)題.物理教學(xué)不僅給學(xué)生傳授一些知識(shí)和技能，更應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，對(duì)習(xí)以為常的生活現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)疑、論證的習(xí)慣，對(duì)得心應(yīng)手的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行批判，以及對(duì)科學(xué)探究的熱愛(ài).在概念教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生得到切身的體驗(yàn)，通過(guò)抽象抓住事物的“本質(zhì)特征”，體悟概念的本質(zhì)屬性.

例如，關(guān)于壓力作用效果的影響因素，筆者展示狗和人在雪地上留下深淺不同腳印的照片，如圖3所示.設(shè)問(wèn)：壓力的作用效果可能與什么有關(guān)？有學(xué)生認(rèn)為人的壓力大，壓力的作用效果可能跟壓力的大小有關(guān);也有學(xué)生認(rèn)為人的重力大，壓力的作用效果可能跟重力的大小有關(guān);也有學(xué)生認(rèn)為，雖然狗有四只腳，受力面積還是小，壓力的作用效果跟受力面積的大小有關(guān).教師追問(wèn)：狗和人在雪地上行走留下腳印，此過(guò)程的研究對(duì)象是什么？那么壓力的作用效果是與壓力有關(guān)還是與重力的大小有關(guān)？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論交流得出，雪是研究對(duì)象，人和狗受到重力，雪地受到的是壓力，而不是重力，所以壓力的效果可能與壓力大小有關(guān).在此過(guò)程，糾正了學(xué)生錯(cuò)誤的前概念.

科學(xué)是基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)的，需要大膽猜測(cè)，小心求證.請(qǐng)自選實(shí)驗(yàn)器材：砝碼、塑料尺、氣球、海綿、水，設(shè)計(jì)方案定性驗(yàn)證你的假設(shè)，并畫(huà)出裝置圖.學(xué)生分小組討論后，最好的實(shí)驗(yàn)方案如下.

如圖4所示，將兩個(gè)相同的氣球充滿氣，第一次把一個(gè)氣球粘在木板上，上面放10本課本，觀察氣球的凹陷形變程度;第二次把兩個(gè)氣球粘在木板上，上面放10本課本，觀察氣球的凹陷形變程度，學(xué)生發(fā)現(xiàn)第二次氣球凹陷不明顯，學(xué)生發(fā)現(xiàn)課本數(shù)量相同，氣球越多，氣球凹陷越不明顯;第三次還是一個(gè)氣球，只是上面放15本課本，觀察氣球的凹陷程度，學(xué)生發(fā)現(xiàn)氣球數(shù)量相同，課本數(shù)量越多，氣球凹陷越明顯.這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明壓力的作用效果與壓力大小和受力面積有關(guān).

那么，壓力作用效果與壓力大小和受力面積關(guān)系如何呢？教師演示實(shí)驗(yàn)，具體操作如下：如圖5所示，將礦泉水瓶底部去掉，蒙上橡

皮膜，并固定在鐵架臺(tái)上（橡皮膜朝上），瓶口用橡膠管與U形管連接.實(shí)驗(yàn)1：在橡皮膜上平放長(zhǎng)方體木塊，依次疊放一塊、兩塊、三塊，觀察U形管中液面的高度差對(duì)應(yīng)的格數(shù)，記錄數(shù)據(jù)在表1中;實(shí)驗(yàn)2：在橡皮膜上放同一塊木塊，依次平放、豎放、側(cè)放，觀察U形管中液面的高度差對(duì)應(yīng)的格數(shù)，記錄數(shù)據(jù)在表1中[3].引導(dǎo)學(xué)生分析歸納，實(shí)驗(yàn)1中，受力面積相同，疊放木塊越多，壓力越大，壓力的作用效果越明顯;實(shí)驗(yàn)2中，壓力相同，平放受力面積最大，豎放受力面積最小，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯.

表1 ? 壓力效果實(shí)驗(yàn)記錄表

[木塊數(shù)（個(gè)數(shù)） 一塊平放 兩塊平疊放 三塊平疊放 一塊豎放 一塊側(cè)放 U形管左右液面高度差（格數(shù)） ]

在本案例中，學(xué)生從人和狗的腳印深淺對(duì)比，提出猜想，暴露迷思概念;通過(guò)自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，用氣球代替海綿，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，學(xué)生易于觀察，他們興趣盎然;教師開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從微小到放大，從定性到定量，進(jìn)行理性分析，促進(jìn)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，學(xué)生豁然開(kāi)朗.在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生從物理思維視角，體悟了概念的本質(zhì)屬性，學(xué)生掌握了假設(shè)、比較、概括、創(chuàng)新等思維方法，

三、分析事實(shí)現(xiàn)象 ? 理解概念的定義

概念的定義內(nèi)涵，即概念所包括的所有對(duì)象共同的本質(zhì)屬性的綜合，解決“怎么樣”的問(wèn)題.物理概念定義的方式主要有直接下定義、乘積定義法和比值定義法.學(xué)生理解了概念的定義本源，能深化概念應(yīng)用，不容易出現(xiàn)那些似是而非的錯(cuò)誤.在概念教學(xué)中，教師積極引導(dǎo)收集證據(jù)，分析事實(shí)現(xiàn)象，同中求異、異中求同，給概念下操作性定義，用外在的語(yǔ)言描述，理解概念的定義內(nèi)涵.

例如，對(duì)于壓力和壓力的作用效果比較，如圖6所示，你用兩只手的食指同時(shí)擠壓鉛筆

的兩端，請(qǐng)問(wèn)你的兩個(gè)手指感覺(jué)一樣嗎？為什么？有的學(xué)生認(rèn)為右手受到的壓力大，所以右手感覺(jué)更疼痛;立即有學(xué)生提出質(zhì)疑，左右手受到的力大小是相等的，物體間力的作用是相互的，相互作用的兩個(gè)力大小相等，因?yàn)橛沂值氖芰γ娣e較小，右手受到壓力效果更大，所以右手感到更疼痛.當(dāng)然這個(gè)活動(dòng)，要提醒學(xué)生用力不要過(guò)猛，平時(shí)注意尖銳物體，加強(qiáng)安全教育.教師追問(wèn)：物體受到的壓力相同，而往往壓力的作用效果不同，說(shuō)明了什么？學(xué)生討論交流，得出壓力和壓力效果是不同的.在此過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)單純的壓力大小不能準(zhǔn)確地表達(dá)壓力效果，即使壓力相同，但產(chǎn)生的效果也不同，因而需要建立一個(gè)新的物理量.

教師提問(wèn)：科學(xué)研究是一個(gè)由表象到本質(zhì)，由感性到理性的過(guò)程.如何比較壓力的作用效果呢？學(xué)生討論發(fā)言，相同受力面積，比較壓力大小;相同壓力大小，比較受力面積.追問(wèn)：如果壓力和受力面積都不同時(shí)，如何比較壓力的作用效果？教師提示，在前面的學(xué)習(xí)中有沒(méi)有能借鑒的方法？通過(guò)小組討論，可以用求比值定義的方法，類似于求速度、密度的方法.比較壓力作用效果有兩種方法，即F/s和s/F，即單位面積上受到的壓力或單位壓力上所占的面積，通常我們選擇前者，符合日常生活習(xí)慣.單位面積上受到的壓力越大，壓力的作用效果越明顯.科學(xué)上把物體單位面積上受到的壓力叫作壓強(qiáng).

教師追問(wèn)：壓力越大，壓強(qiáng)也越大，是否正確？為什么？學(xué)生發(fā)言，這種說(shuō)法錯(cuò)誤，雖然壓強(qiáng)由壓力和受力面積比值定義，但是壓強(qiáng)的大小與壓力大小和受力面積大小無(wú)直接關(guān)系，必須要有一定的前提條件，即受力面積一定，壓力越大，壓強(qiáng)越大.

本案例中，教師引導(dǎo)學(xué)生從生活經(jīng)驗(yàn)中分析壓力效果和壓力的不同，明確引入壓強(qiáng)的物理意義;學(xué)生經(jīng)歷分析事實(shí)的過(guò)程，接著給壓強(qiáng)下操作性定義，明確壓強(qiáng)的定義，鞏固比值定義方法，辨析決定壓強(qiáng)大小的因素，知其然，又知其所以然.在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生從物理思維的視角，理解了概念的定義內(nèi)涵，學(xué)生掌握了比較、分析、下定義等思維方法.

四、解釋生活現(xiàn)象 完善概念的運(yùn)用

物理概念的實(shí)踐運(yùn)用，在概念指導(dǎo)下去解決問(wèn)題，解決“做什么”的問(wèn)題.對(duì)學(xué)生而言，只有會(huì)應(yīng)用、能遷移的知識(shí)才是屬于自己的.初中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平基本還處于前運(yùn)算和具體運(yùn)算階段，他們的抽象思維還離不開(kāi)具體思維的支撐.同時(shí)，學(xué)生對(duì)概念的實(shí)踐運(yùn)用，往往受錯(cuò)誤前概念的干擾.在概念教學(xué)中，針對(duì)學(xué)生的前概念，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，讓學(xué)生運(yùn)用概念解釋生活現(xiàn)象，學(xué)以致用，激發(fā)認(rèn)知沖突，培養(yǎng)多角度思考問(wèn)題的習(xí)慣，完善概念的實(shí)踐運(yùn)用.

例如，對(duì)如何增大壓強(qiáng)和減小壓強(qiáng)，教師設(shè)問(wèn)：在日常生活中，人們采用什么方法來(lái)改變壓強(qiáng)大小呢？要求學(xué)生根據(jù)壓強(qiáng)公式分析討論，學(xué)生積極發(fā)言，增大壓力、減小受力面積可以增大壓強(qiáng)，反之，減小壓力、增大受力面積，則可以減小壓強(qiáng).有時(shí)采用一種方法，有時(shí)兩種方法同時(shí)采用.

教師提供如圖7所示四幅圖，設(shè)問(wèn)：讀圖，每幅圖中采取哪種措施來(lái)增大和減小壓強(qiáng)？學(xué)生先讀圖，找出關(guān)鍵因素和目的，再表達(dá).圖7a，刀有薄薄的刀刃，通過(guò)減小受力面積，增大壓強(qiáng);圖7b，足球鞋底做了鞋釘，通過(guò)減小受力面積，增大壓強(qiáng);圖7c，坐沙發(fā)比坐木凳感覺(jué)舒服，通過(guò)增大受力面積，減小壓強(qiáng);圖7d，坦克裝有寬寬的履帶，增大受力面積，減小壓強(qiáng).

圖7 ? 改變壓強(qiáng)的方法

最后，教師追問(wèn)：日常生活中，有時(shí)需要增大壓強(qiáng)，有時(shí)要減小壓強(qiáng)，你知道還有哪些場(chǎng)合增大壓強(qiáng)，哪些場(chǎng)合減小壓強(qiáng)？學(xué)生舉例，比如鐵軌鋪在枕木上，減小壓強(qiáng);書(shū)包有寬寬的背帶，減小壓強(qiáng);注射器的針尖很細(xì)，增大壓強(qiáng).在此過(guò)程中，學(xué)生用科學(xué)家眼光看待生活，促進(jìn)理性思維的發(fā)展.

又如，從壓強(qiáng)的角度分析生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)現(xiàn)象.教師講述：動(dòng)物的進(jìn)化會(huì)使它們的身體結(jié)構(gòu)和功能更適應(yīng)環(huán)境.駱駝的趾長(zhǎng)得特別寬大，而啄木鳥(niǎo)的喙長(zhǎng)得又尖又長(zhǎng).你知道這樣的身體結(jié)構(gòu)對(duì)駱駝和啄木鳥(niǎo)的生活有什么好處嗎？你還知道別的動(dòng)物也有類似的身體結(jié)構(gòu)嗎？請(qǐng)舉例說(shuō)明.學(xué)生交流發(fā)言，駱駝趾長(zhǎng)得特別寬大，增大受力面積，減小對(duì)沙子的壓強(qiáng)，適合在沙漠上行走，而啄木鳥(niǎo)的喙長(zhǎng)得又尖又長(zhǎng)，減小受力面積，增大對(duì)樹(shù)木的壓強(qiáng)，適合在樹(shù)木中覓食.學(xué)生還列舉狗的犬齒特別尖等現(xiàn)象.至此，學(xué)生突然有一種一覽眾山小的感覺(jué).

本案例中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析推理，先抽象改變壓強(qiáng)的方法，結(jié)合生活實(shí)例進(jìn)行分析，然后列舉生活實(shí)例，最后從壓強(qiáng)角度解釋生物進(jìn)化中身體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，享受到理性思維的樂(lè)趣，感受科學(xué)的神奇與美妙，獲得無(wú)比的愉悅感.在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生從物理思維的視角，體驗(yàn)從“物理回歸生活”的課程理念，完善概念的實(shí)踐運(yùn)用，經(jīng)歷抽象、比較、創(chuàng)造等思維活動(dòng).

總之，對(duì)學(xué)生而言，物理概念往往感覺(jué)“聽(tīng)講就懂，看書(shū)就會(huì)，做題就錯(cuò)”;對(duì)教師而言，學(xué)生的大腦就像一個(gè)黑箱，物理概念總是反反復(fù)復(fù)錯(cuò)誤，學(xué)生的錯(cuò)誤前概念總是“死灰復(fù)燃”，教學(xué)效果不佳.究其原因，學(xué)生的思維仍然是淺層的、低階的.物理思維中心論為我們的概念教學(xué)找到出發(fā)點(diǎn)和歸屬點(diǎn)，即生活是教學(xué)的起點(diǎn)，也是教學(xué)的終點(diǎn)，同時(shí)也為我們找到教學(xué)的著力點(diǎn)——物理思維，即從物理思維視角建立物理概念，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，理解概念本質(zhì).

參考文獻(xiàn)：

[1]董友軍，黃愛(ài)國(guó)，周璐.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的概念教學(xué)策略——以“速度”概念為例[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2019（7/8）：16-19.

[2]王耀村.初中科學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2016：147.

[3]胡先濤.用概念形成原理深度建構(gòu)物理概念的策略初探——以壓強(qiáng)概念的核心片段教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（3）：4-6.