基于物理觀念視角的物理概念教學(xué)及考評(píng)

肖學(xué)雷

摘? ? 要：以物理觀念的視角來(lái)審視，當(dāng)下的物理概念教學(xué)往往存在“以?xún)?nèi)涵論概念，忽略概念的外延”“重顯性的狹義知識(shí)的教，缺隱形的方法內(nèi)涵的導(dǎo)”等問(wèn)題.其實(shí)，許多物理概念都具有重要的方法論意義，在實(shí)踐中，教師應(yīng)為揭發(fā)“概念+”而備課，為啟發(fā)科學(xué)思維而教，并在考評(píng)中注重從“用概念”的高度來(lái)命制題目.

關(guān)鍵詞：物理教學(xué);物理概念;物理觀念

提到物理知識(shí)，似乎就是物理概念、物理規(guī)律，包括物理定律、定理、公式、原理或假說(shuō).可是，國(guó)際上關(guān)于科學(xué)知識(shí)的表述，多指核心概念、關(guān)鍵概念和大概念等釋義及應(yīng)用，而我國(guó)文化中的“觀念”與國(guó)際上的“概念”內(nèi)涵基本一致[1].《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（下簡(jiǎn)稱(chēng)“《課標(biāo)》”），把物理觀念界說(shuō)為“物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華”[2]4，并把“解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題”“從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理”[2]5-6作為課程目標(biāo).

訴諸物理觀念，旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用概念、方法及規(guī)律從物理視角看問(wèn)題的素養(yǎng).“形成并能運(yùn)用物理觀念”作為課程的首要目標(biāo)，賦予概念教學(xué)雙重任務(wù).概念是思維的基石，物理概念隱含的思維方法及應(yīng)用價(jià)值，值得教師引導(dǎo)學(xué)生去揭示.

一、物理觀念視角下的概念教學(xué)審視

物理課堂的場(chǎng)景，似乎就是物理定理、公式、定律及實(shí)驗(yàn)的教學(xué).至于物理概念，在應(yīng)試教育視角中，不過(guò)是物理教學(xué)的陪襯或序曲，似乎對(duì)學(xué)生應(yīng)試力、物理學(xué)業(yè)水平或?qū)W科能力的發(fā)展無(wú)關(guān)緊要，加之考試或競(jìng)賽命題又忽視對(duì)物理概念的測(cè)評(píng)，以致其在教學(xué)中不受重視，甚至出現(xiàn)走過(guò)場(chǎng)的亂象.

（一）以?xún)?nèi)涵論概念，忽略概念的外延

有的物理概念教學(xué)，以?xún)?nèi)涵來(lái)論概念，熱衷于下定義，忽略概念的外延.例如，“彈力”概念，一般采用“叫作”的陳述方式“照本宣科”下定義：“發(fā)生彈性形變的物體由于要恢復(fù)原狀，對(duì)與它接觸的物體會(huì)產(chǎn)生力的作用，這種力叫作彈力.”而后，往往滿(mǎn)足于解讀“彈性形變”這個(gè)內(nèi)涵，以致“照本宣科”，出現(xiàn)教學(xué)有效性差或不深入的問(wèn)題.

“備”概念，就是如何傳達(dá)概念（物理量）的內(nèi)涵或物理意義.這似乎成了思維定式.物理概念有內(nèi)涵和外延之說(shuō)。教師或許曉得概念的內(nèi)涵指向事物的“本質(zhì)屬性”，一般采取“下定義”的方式來(lái)揭示，或以漢字來(lái)表達(dá)，或轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言（公式）來(lái)表征.然而，他們卻不甚明白概念的外延是什么、為什么要教外延、怎樣教概念的外延，或?yàn)槭裁匆驅(qū)W生點(diǎn)明外延（具有同一本質(zhì)屬性的事物的范圍或產(chǎn)生現(xiàn)象的條件）.因此，只好止步于內(nèi)涵層面.

在“彈力”概念的教學(xué)中，如果相繼點(diǎn)明彈力表征物體對(duì)抗形變的本領(lǐng)這個(gè)“物理意義”和發(fā)生彈性形變這一“產(chǎn)生條件”，那么，教學(xué)言行就會(huì)相對(duì)有效.如果進(jìn)一步啟示：支持力、壓力、繃緊繩子中的張力，是否為彈力？那么，教學(xué)言行就更加有效.因?yàn)椋@樣既講了產(chǎn)生彈力現(xiàn)象的“條件”外延，又點(diǎn)撥了具有相同本質(zhì)屬性而有不同表現(xiàn)的彈力（作用）形式，即“范圍”外延。這樣的教學(xué)，就貼近了學(xué)生的最近發(fā)展區(qū).

“教”概念，如果不涉及其外延，那么，再好的內(nèi)涵介紹，也不可能將概念講深講透.因?yàn)椋@折射出“教”概念的膚淺、“樹(shù)”物理觀念的乏力.

（二）重顯性的狹義知識(shí)的教，缺隱性的方法內(nèi)涵的導(dǎo)

有的物理概念教學(xué)，忽略對(duì)概念中蘊(yùn)含的物理（思維）方法的引導(dǎo).例如，“失重/超重”概念的教學(xué)，一般分為三步：

1.定義：物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮冢ù笥冢┪矬w所受重力的情況，叫作失重（超重）現(xiàn)象.

2.解讀：如為避免學(xué)生對(duì)失重概念望文生義，強(qiáng)調(diào)“地球作用于物體的重力始終存在，大小也不發(fā)生什么變化，所以物體失重并不是真的失去了重量”.

3.引申：產(chǎn)生失重/超重的條件是“物體具有向下（上）的加速度”，即再講“條件”外延.

上述教學(xué)看似高效，實(shí)則已偏離“能用運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念解決實(shí)際問(wèn)題”的教學(xué)目標(biāo).因?yàn)樵凇笆е?超重”概念知識(shí)中，也許還蘊(yùn)含著探究問(wèn)題的創(chuàng)新思維方法，若能從中得到啟示并靈活運(yùn)用，就能促進(jìn)學(xué)生的物理觀念水平.《課標(biāo)》把物理觀念素養(yǎng)的水平細(xì)化為5個(gè)等級(jí)[2]78，足見(jiàn)沒(méi)有“概念遷移方法”的教學(xué)頭腦，就一定會(huì)偏離教學(xué)目標(biāo).

在備課中，教師要從“備概念”轉(zhuǎn)向“備概念知識(shí)”，并揭示概念思維方法.如“質(zhì)點(diǎn)”“慣性/非慣性參考系”“平均速度”“簡(jiǎn)諧振動(dòng)/單擺”“等勢(shì)面/電場(chǎng)線”“超重/失重”等的教學(xué)，除了要關(guān)注顯性的狹義的知識(shí)內(nèi)涵，還要注重隱性的方法內(nèi)涵.這些具有“概念+”（即關(guān)聯(lián)概念的思維知識(shí)/概念的遷移及其取向）的二重性物理概念，其蘊(yùn)含的方法就是“方法性知識(shí)”，它是基于物理視角看問(wèn)題的科學(xué)思維的組成部分.這樣的物理概念，承載著包括建構(gòu)模型、抽象推理等方法的運(yùn)用，是可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維的載體.

二、物理概念的備課及教學(xué)

許多物理概念，具有重要的方法論意義，具有以物理方法促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展和創(chuàng)新探索的潛在價(jià)值.下面，筆者以“超重/失重”概念為例，闡述物理概念的備課與教學(xué)。

（一）為揭發(fā)“概念+”而備課

物理概念的教學(xué)，要揭示概念的方法性知識(shí)，指向思維訓(xùn)練和科學(xué)思維.以“超重/失重概念”的教學(xué)為例，教師在備課時(shí)可這樣設(shè)計(jì)：

1.描述翻滾過(guò)山車(chē)的“運(yùn)動(dòng)情境”，讓學(xué)生基于“超重/失重”概念，運(yùn)用“運(yùn)動(dòng)與相互作用”觀念解釋圖1中小球的超重/失重現(xiàn)象及原因.

2.指出：關(guān)注“超重/失重”概念的“條件”外延，是創(chuàng)新性解決物理問(wèn)題的思維方法——概念思維法。這是把“超重/失重”概念化作方法性知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生理解“概念+”，即將其“二重性”的陰面呈現(xiàn)給學(xué)生.

3.點(diǎn)撥：“失重/超重”思維方法，一般用于分析物體對(duì)支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦?提問(wèn)：為什么？

例1? ?如圖1所示，質(zhì)量為M的圓弧凹形物塊固定于水平桌面上.質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)小球，在其弧形軌道的最低點(diǎn)附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng).

（1）若小球與圓弧心的連線半徑為r，與豎直方向的動(dòng)態(tài)夾角為θ，則小球?qū)ξ飰K壓力（N1）的變化情況為（? ? ）.

A.上行過(guò)程，mgcosθ≤N1

B.下行過(guò)程，mgcosθ≤N1

C.上行前期，mgcosθ≤N1

D.上行后期，mgcosθ≤N1

（2）判斷桌面所受壓力（N2）的情況（? ? ）

A.小球上行前期，N2 >（m+M）g

B.小球下行前期，N2>（m+M）g

C.小球上行過(guò)程，N2>（m+M）g

D.小球下行過(guò)程，N2<（m+M）g

（二）為啟發(fā)科學(xué)思維而教

在教學(xué)中，教師通過(guò)展示巧解、速解和化繁為簡(jiǎn)的示例，引導(dǎo)學(xué)生基于概念進(jìn)行建模推理，導(dǎo)向質(zhì)疑創(chuàng)新和模型建構(gòu)等科學(xué)思維的培養(yǎng)[2]5.

1.解法創(chuàng)新

例1中的第一個(gè)問(wèn)題，側(cè)重考查運(yùn)用加（減）速概念和超（失）重概念的能力.題目把小球的圓弧運(yùn)動(dòng)等效為水平和豎直方向的投影運(yùn)動(dòng).因?yàn)樾∏蛏希ㄏ拢┬袝r(shí)，其豎直分運(yùn)動(dòng)是分速度向上（下）的加（減）速運(yùn)動(dòng)：上行前期為“加速運(yùn)動(dòng)”，因而其加速度豎直向上，所以其間小球處于超重運(yùn)動(dòng)情境;上行后期為“減速運(yùn)動(dòng)”，因而其加速度豎直向下，所以其間小球處于失重運(yùn)動(dòng)情境.再以失重概念的條件外延——方法性知識(shí)，可推理論證小球上行后期N1cosθ

2.觸類(lèi)旁通

例1中的第二個(gè)問(wèn)題，由于小球上行前期，豎直方向運(yùn)動(dòng)為加速運(yùn)動(dòng)，其加速度豎直向上，故小球?yàn)槌剡\(yùn)動(dòng)情境，據(jù)此可推理小球加物塊整體超重：桌面壓力大于重力，即N2>（m+M）g.故可斷定選項(xiàng)A正確.

3.以評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展[2]3

解答上述訓(xùn)練題的常規(guī)套路是，對(duì)隔離的小球和物塊，首先基于受力分析列方程，再求解方程組，最后對(duì)所得壓力公式做函數(shù)分析，考查壓力隨小球位置參數(shù)（角度）的變化規(guī)律.這種常規(guī)解法比較煩瑣，加上試題潛在“摩擦”這一含糊信息，可能導(dǎo)致解不出.所以，教師應(yīng)告知學(xué)生：對(duì)該題選項(xiàng)的定量推理，應(yīng)運(yùn)用“超重/失重”的“概念+”思維方法.

三、物理概念的考評(píng)

2014年12月，教育部頒布《關(guān)于普通高中學(xué)業(yè)水平考試的實(shí)施意見(jiàn)》，提出各?。▍^(qū)、市）“根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及要求確定考試內(nèi)容”.可見(jiàn)，試題內(nèi)容與《課標(biāo)》的一致性程度，就是評(píng)價(jià)試卷的核心指標(biāo).因此，《課標(biāo)》中設(shè)定的學(xué)科核心素養(yǎng)課程目標(biāo)，應(yīng)是命題遵循的基本原則，即要注意考查四方面核心素養(yǎng)各自包括的諸要素.而這四方面核心素養(yǎng)中有三方面為智力性素養(yǎng)，所以側(cè)重考查物理觀念、科學(xué)思維等學(xué)科能力目標(biāo)的試題應(yīng)占相當(dāng)大的比重.然而，高中物理合格性考試或等級(jí)性考試的命題，并沒(méi)有較好地做到這一點(diǎn)[3].比如，對(duì)物理概念的考查，還是停留在僅僅檢測(cè)考生“懂概念”的了解或理解水平，并沒(méi)有上升到“用概念”的質(zhì)量規(guī)格.對(duì)此，筆者試以“電場(chǎng)線”和“單擺”概念為例，闡述關(guān)于物理概念的命題，以此響應(yīng)《課標(biāo)》把物理概念等知識(shí)升級(jí)為觀念，即“解釋自然現(xiàn)象”和“解決實(shí)際問(wèn)題”這一高級(jí)品格的5級(jí)描述[2]78-79，讓“概念+”成為物理教師的教學(xué)追求.

例2? ?當(dāng)一個(gè)正電導(dǎo)體小球A，從遠(yuǎn)處移向某中性導(dǎo)體B時(shí)，導(dǎo)體B的電勢(shì)UB將? ? ? （填“升高”“降低”或“無(wú)變化”），且UB? ? ?UA（填“>”“<”或“=”）.

【命題意圖】考查關(guān)于電場(chǎng)物質(zhì)的等勢(shì)面及電場(chǎng)線“概念+”：以“電場(chǎng)線法”探究靜電問(wèn)題.

在講“靜電平衡”現(xiàn)象時(shí)，如果疏于傳遞等勢(shì)面概念的外延、“電場(chǎng)線”概念的知識(shí)，那么學(xué)生就難以進(jìn)行關(guān)于等勢(shì)面及電場(chǎng)線的圖像思維，難以用“概念+”（電勢(shì)沿電場(chǎng)線方向降落）的形象思維推理電勢(shì)差，最終只能憑感覺(jué)亂猜答案.

假設(shè)我們追求“等勢(shì)面+電場(chǎng)線”的教學(xué)，映射其方法性知識(shí)——不僅講明這個(gè)復(fù)合概念的內(nèi)涵、厘清其外延，而且指出其外延知識(shí)的方法性，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“電場(chǎng)線法”思維意識(shí)，那么學(xué)生就可能進(jìn)行“畫(huà)線推理”（如圖2）：因?yàn)閁A >UB >0，所以導(dǎo)體B的電勢(shì)UB從0開(kāi)始升高.這樣就能順利獲得答案.

例3? ?如圖3所示，A為圓弧長(zhǎng)度未知的豎直平面軌道最低點(diǎn)，[AB]為裝在圓弧軌道上的弦軌道.把甲物塊置于B點(diǎn)、乙物塊置于很靠近A點(diǎn)的C點(diǎn).現(xiàn)同時(shí)釋放兩個(gè)靜止的小物塊，它們將經(jīng)由兩條軌道（忽略摩擦）而到達(dá)最低點(diǎn)A，則下列說(shuō)法中正確的是（? ? ）

① 甲物塊到達(dá)A點(diǎn)，早于乙物塊

② 甲物塊到達(dá)A點(diǎn)，晚于乙物塊

③ 甲乙兩個(gè)小物塊，同時(shí)到達(dá)A點(diǎn)

④ 缺應(yīng)有數(shù)據(jù)信息

【命題意圖】側(cè)重考查“科學(xué)思維”的模型建構(gòu)和科學(xué)論證要素：根據(jù)問(wèn)題情境和“單擺”概念，運(yùn)用單擺模型解決力學(xué)問(wèn)題.

本題毫無(wú)已知數(shù)據(jù)，僅有運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律知識(shí)，無(wú)相應(yīng)的單擺“概念+”是不能解答的.但是，如果講單擺模型時(shí)，以“概念+”啟發(fā)——“單擺概念既是知識(shí)，更是解決問(wèn)題的模型思維方法，是方法性知識(shí)”，那么學(xué)生就會(huì)有“把乙物塊的運(yùn)動(dòng)建模為單擺（弧心為懸掛點(diǎn)，無(wú)形的弧半徑為擺長(zhǎng)）運(yùn)動(dòng)”的創(chuàng)想，從而茅塞頓開(kāi)，化解“乙物塊置于很靠近A點(diǎn)的C點(diǎn)”的題意困惑，得到“乙物塊是單擺運(yùn)動(dòng)，經(jīng)[14]周期簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)A”的認(rèn)識(shí)：t乙=[14] T=[14]×[2πRg]≈[1.6Rg].

然后，對(duì)甲的斜面運(yùn)動(dòng)，輔以假設(shè)推理——設(shè)弧軌道對(duì)應(yīng)的圓半徑為R，甲物塊質(zhì)量為m，斜面傾角為θ，即可求出甲物塊的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t甲=[2Rg]，從而判斷選項(xiàng)②正確.

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018：49-51.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]王煥霞.高中物理學(xué)業(yè)水平考試與課程標(biāo)準(zhǔn)的一致性研究[J].課程·教材·教法，2015（8）：60-66.