比值定義物理概念教學(xué)模式的構(gòu)建

劉健智 齊思遠(yuǎn) 胡惠琪

（湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081）

1 問題及問題解決

問題是指個人在有目的地追求而尚未找到適當(dāng)手段時所感到的心理困境.［1］心理學(xué)研究表明，意識到問題的存在是思維的起點(diǎn).［2］沒有問題的思維是膚淺的思維、被動的思維.［2］我國古代偉大的教育家孔子認(rèn)為“疑是思之始，學(xué)之端”.可見，問題意識對于學(xué)生思維的發(fā)展極其重要.所謂問題意識，是指人們在認(rèn)識活動中，經(jīng)常意識到一些難以解決或疑惑的實(shí)際問題及理論問題，并產(chǎn)生一種懷疑、困惑、焦慮的心理狀態(tài).這種心理又驅(qū)使個體積極思維，不斷提出問題和解決問題.［3］因此，物理教學(xué)中教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識.

問題解決是指由一定的情境引起、按照一定的目標(biāo)，運(yùn)用一系列的認(rèn)知操作使問題得到解決的過程.［1］生活中，人們處處面臨著需要解決的問題，為應(yīng)對這些問題，需要具備一定的問題解決能力.因此，物理教學(xué)需培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力.

2 物理教學(xué)即解決問題

在物理學(xué)的發(fā)展歷程中，問題占據(jù)著極其重要的地位，物理知識的發(fā)現(xiàn)源于物理問題的解決，物理教學(xué)要體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，就應(yīng)從問題出發(fā).同時，新課程理念要求教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，即要求學(xué)生經(jīng)歷解決問題的過程.因此，物理教學(xué)過程就是解決問題的過程.

一堂物理課需要解決很多問題，我們需要抓住其中的核心問題，即抓住一堂課的主問題.教學(xué)中學(xué)生通過解決主問題學(xué)習(xí)新的物理知識，具備主問題使課堂邏輯清晰.例如“加速度”一課，如何描述速度變化的快慢就是課堂的主問題.通過理論探究得到速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值可以描述速度變化的快慢，課題可板書為“如何描述速度變化的快慢——加速度”；“力的合成”一課，如何求兩已知分力的合力就是課堂的主問題，通過實(shí)驗(yàn)探究得到平行四邊形定則，課題可板書為“如何求兩已知分力的合力——平行四邊形定則”.課堂板書課題可以采用“主問題＋結(jié)論”（有時會增加“學(xué)習(xí)方式”）的形式，如筆者設(shè)計(jì)的“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”片段教學(xué)的課題板書（圖1）中，［4］將“主問題：原子內(nèi)正電荷的分布”設(shè)置為“主標(biāo)題”，將問題得到解決后的結(jié)論“原子核”設(shè)置為二級標(biāo)題，在主標(biāo)題前又設(shè)置了學(xué)習(xí)方式為“探究”.二級標(biāo)題一定要在問題得到解決后再板書.這樣的課題板書使“需要解決的問題”“問題得到解決后得到的結(jié)論”“問題解決的方式”一目了然地呈現(xiàn)了出來，并突出了學(xué)生這一學(xué)習(xí)主體.

圖1 問題解決教學(xué)模式的課題板書

3 比值定義的物理概念

比值定義的物理概念指的是用兩個或多個物理量之“比”來定義的物理概念，中學(xué)物理教材中有大量用比值定義的物理概念.以是否反映事物的某種固有屬性作為標(biāo)準(zhǔn)，將比值定義的物理概念分為兩類：［5］第一類物理概念描述的是事物自身的某種固有屬性，有電場強(qiáng)度、電容、磁感應(yīng)強(qiáng)度等，這類物理概念屬于“性質(zhì)量”；第二類物理概念描述的是事物外在的狀態(tài)、外在的作用強(qiáng)弱，而非事物的某種固有屬性，有速度、加速度、功率等，這類物理概念屬于“狀態(tài)量”.

比值定義的物理概念具有一定的抽象性，學(xué)生不易理解，教學(xué)中要讓學(xué)生理解定義概念的來龍去脈.運(yùn)用比值法定義一個新的物理概念的邏輯是：觀察發(fā)現(xiàn)事物具有某種性質(zhì)或狀態(tài)，進(jìn)而思考如何描述事物的這種性質(zhì)或狀態(tài)，然后通過探究發(fā)現(xiàn)可以用物理量的比值來描述事物的這種性質(zhì)或狀態(tài)，為了研究方便，就把探究發(fā)現(xiàn)的比值“命名”為一個新的物理概念.分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用比值法定義新的物理概念是為了解決如何描述事物某種性質(zhì)或狀態(tài)的問題，即比值定義的物理概念教學(xué)中的主問題是如何描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài).

高中物理教學(xué)中典型的比值定義的概念有3個：加速度、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度，3者也常常是對師范生進(jìn)行物理概念教學(xué)技能訓(xùn)練，特別是教學(xué)設(shè)計(jì)訓(xùn)練的典型課例，［6－8］其原因如下.

（1）加速度是高中物理第一個比值定義的概念.盡管在此之前學(xué)的速度也是比值定義的概念，但由于速度在初中已經(jīng)接觸過，學(xué)生不太陌生，而加速度是高中物理獨(dú)有、全新的核心概念.

（2）區(qū)別于加速度，電場強(qiáng)度非常抽象，對學(xué)生來說更難理解，且是靜電場中的第一個比值定義的概念.

（3）電場強(qiáng)度和加速度概念都是運(yùn)用科學(xué)推理這一科學(xué)思維要素得出的，或者說是通過“理論探究”得出來的，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值概念的得出過程，必須進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)探究”，因此對學(xué)生的學(xué)以及對教師的教難度更大.

4 比值定義物理概念的教學(xué)環(huán)節(jié)

綜合問題及問題解決的重要性和比值法定義物理概念的邏輯，比值定義的物理概念的教學(xué)應(yīng)以如何描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài)的主問題為中心，圍繞主問題的提出和解決過程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).據(jù)此，筆者構(gòu)建了基于問題及問題解決的比值定義物理概念教學(xué)模式（下文簡稱為“教學(xué)模式”），教學(xué)模式包含“創(chuàng)設(shè)情境，提出問題”“初步探討，找描述量”“科學(xué)探究，解決問題”“命名比值，得出概念”“運(yùn)用概念，拓展延伸”5個環(huán)節(jié)，其對應(yīng)的問題及解決過程和教學(xué)分析如圖2所示.

圖2 基于問題及其解決的比值定義物理概念教學(xué)模式流程圖

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

任何一個概念，都有建立的必要性，學(xué)習(xí)者只有清晰地認(rèn)識到這個必要性或者概念在實(shí)際生活中的價(jià)值，才能夠進(jìn)行主動地學(xué)習(xí).［9］運(yùn)用比值法定義新的物理概念是為了描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài)，首先要讓學(xué)生感知到事物的性質(zhì)或狀態(tài)，明確建立概念的事實(shí)依據(jù)，［10］因此需要教師創(chuàng)設(shè)相關(guān)的問題情境，讓學(xué)生通過觀察情境提出主問題，培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力.

情境由教師創(chuàng)設(shè)，問題由學(xué)生提出.主問題比較抽象，一般學(xué)生不易一步到位提出，根據(jù)支架式教學(xué)理論，需要一串問題鏈逐步引導(dǎo).例如，在“加速度”的新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，學(xué)生通過觀察教師呈現(xiàn)的視頻情境，逐步發(fā)現(xiàn)：速度是變化的→速度變化有快有慢，最終提出欲解決的主問題：速度變化的快慢如何描述.即“速度變化的快慢如何描述”主問題的提出經(jīng)歷了“問題1：物體速度有何特點(diǎn)→問題2：速度變化有何特點(diǎn)→主問題：速度變化的快慢如何描述”的問題鏈，如圖3所示.

圖3 “創(chuàng)設(shè)情境 提出問題”的流程圖及其案例

問題情境要服務(wù)于問題的提出，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題.教師在設(shè)計(jì)新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)時，首先得明確問題鏈和主問題，然后針對問題設(shè)計(jì)問題情境.一些比值定義的物理概念及其教學(xué)中的主問題如表1所示.

表1 比值定義的物理概念及其教學(xué)中的主問題

創(chuàng)設(shè)情境可以使用圖片、視頻等多媒體手段，也可以使用演示實(shí)驗(yàn).例如，在加速度的新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，可以運(yùn)用汽車和火車起步加速的視頻呈現(xiàn)速度在變化的情境；［6］在磁感應(yīng)強(qiáng)度的新課引入環(huán)節(jié)，可以演示“條形磁鐵吸引大頭針”實(shí)驗(yàn)——改變條形磁鐵的位置，條形磁鐵吸引的大頭針數(shù)量不同——引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題：“磁場具有力的性質(zhì)，但同一磁場不同位置這種力的性質(zhì)是不一樣的，即磁場的強(qiáng)弱不同.”進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生提出要解決的主問題“磁場的強(qiáng)弱如何描述”.［8］

4.2 初步探討，找描述量

主問題一經(jīng)提出，課堂走向就已明確，即解決提出的主問題.解決問題首先需要找到可以描述該性質(zhì)或狀態(tài)的物理量，即找描述量.尋找描述量是解決描述事物性質(zhì)或狀態(tài)這一問題的研究起點(diǎn).比值定義的概念有狀態(tài)量和性質(zhì)量兩類，對于性質(zhì)量如電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容這些抽象的、與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系不密切的概念，描述量的尋找更是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，即教學(xué)難點(diǎn).最終是用描述量的比值來描述事物的性質(zhì)或狀態(tài)，比值中分子和分母的確定遵從不同的邏輯，下面就分子和分母的確定展開論述.

分子的確定可以從兩個角度出發(fā).一是根據(jù)提出的主問題確定，例如在如何描述速度變化快慢的問題中，分析問題可知描述速度變化的快慢需要用到速度的變化量；二是根據(jù)創(chuàng)設(shè)的情境確定，例如在電場強(qiáng)度的教學(xué)中，情境中同一試探電荷在同一電場中的不同位置所受的電場力大小不一樣，可知可以用試探電荷在電場中受到的電場力來描述電場的強(qiáng)弱.相對于分母的確定，分子的確定對學(xué)生來說難度較小.

反映事物性質(zhì)或狀態(tài)的物理量在特定情況下必須是一個定值，例如描述電場強(qiáng)弱的物理量在特定電場（靜電場）中的特定一點(diǎn)必須是一個定值.由此，確定分母可以遵循以下思路：通過教學(xué)活動體現(xiàn)分子不是一個定值，而會隨著某個或某幾個物理量的變化而變化，因此不能僅用分子一個物理量描述該性質(zhì)或狀態(tài)，還應(yīng)考慮上述影響分子的物理量，分母即為該物理量.例如，在如何描述電場強(qiáng)弱的問題中，分子確定為電場中試探電荷受到的電場力，根據(jù)庫侖定律可知電場中同一位置帶電量不同的試探電荷受到的電場力大小不同，得出不能僅用電場力F來描述電場的強(qiáng)弱，還應(yīng)考慮試探電荷的電荷量q，從而確定分母為試探電荷的電荷量q.再如，在如何描述磁場的力的性質(zhì)的問題中，由于實(shí)驗(yàn)中是通過通電導(dǎo)線在磁場中受到的力來嘗試解決問題，而通過導(dǎo)線受到的力的大小與導(dǎo)線的長度、導(dǎo)線內(nèi)電流的大小兩個因素有關(guān)，因此分母中必然涉及到以上兩個因素.分析這兩個案例，特別是后一個案例，分母的確定有一定的難度，其原因一是可能涉及到多個物理量；二是需要具有扎實(shí)的物理知識的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，因此尋找描述量的教學(xué)難點(diǎn)更是體現(xiàn)在分母的確定上.

4.3 科學(xué)探究，解決問題

找到可以用來描述該性質(zhì)或狀態(tài)的物理量后，就要通過科學(xué)探究確定具體的描述方法，最終得到用物理量的比值可以描述該性質(zhì)或狀態(tài)的結(jié)論.“提出問題”“找描述量”就是為這一教學(xué)環(huán)節(jié)服務(wù)的，“科學(xué)探究，解決問題”是比值定義的物理概念教學(xué)的重點(diǎn)所在.

科學(xué)探究包括理論探究和實(shí)驗(yàn)探究，根據(jù)解決問題的需要進(jìn)行選擇，如“加速度”“電場強(qiáng)度”概念的得出運(yùn)用的是“理論探究”；而“磁感應(yīng)強(qiáng)度”“電容”概念的得出運(yùn)用的是“實(shí)驗(yàn)探究”.學(xué)生往往不理解為什么要用比值定義一個新的物理概念，這一步需要體現(xiàn)用物理量的比值描述事物性質(zhì)或狀態(tài)的原因.根據(jù)概念生成過程的不同，把探究的思路分為以下兩類.［11］

對于“性質(zhì)量”，探究的思路可以概括為：通過探究發(fā)現(xiàn)物理量的比值為定值，反映出可以用物理量的比值描述事物的某種性質(zhì).以得出試探電荷所受的靜電力與它的電荷量的比值可以描述電場的強(qiáng)弱為例，進(jìn)行說明.

對于“狀態(tài)量”，探究的思路可以概括為：比較需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).以得出速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值可以描述速度變化的快慢為例.

假設(shè)有兩個速度均勻變化的物體，當(dāng)速度變化量相同時，所用時間越短的速度變化越快；當(dāng)所用時間相同時，速度變化量越大的速度變化越快.當(dāng)速度變化量和所用時間都不相同時，如何比較速度變化得快慢呢？比較要有意義，必須統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這里我們?nèi)∷脮r間相同為比較的標(biāo)準(zhǔn)，如何使所用時間相同呢？根據(jù)數(shù)學(xué)知識知道把速度的變化量和所用時間相除就能得到相同時間速度的變化量，進(jìn)而可以比較速度變化的快慢，速度的變化量和所用時間的比值越大，速度變化越快.由此，得到速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值可以描述速度變化的快慢，便解決了如何描述速度變化的快慢這一問題.

4.4 命名比值，得出概念

在物理教學(xué)中，必須向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：我們是把比值“命名”（而不是“定義”）為一個新的物理概念，而不是把新的物理概念“定義”為比值，遵從這個邏輯，就能讓學(xué)生理解為什么要定義一個新的物理概念了.這時讓學(xué)生自己歸納出這類概念命名方法是“比值定義法”.至此，學(xué)生也就能很好地理解比值定義的物理概念的物理意義就是“用來描述……”.以“加速度”為例，通常的說法（加速度的定義是速度的變化量與所用時間的比值）是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，下面兩種表述才體現(xiàn)了物理學(xué)的本質(zhì)和比值定義概念的真正意義：

4.5 運(yùn)用概念，拓展延伸

比值定義的物理概念都是用定量的方法來描述事物的性質(zhì)或狀態(tài)，也可以稱為物理量.深入理解一個物理量，僅理解了物理量的物理意義是不夠的，還需要對概念進(jìn)行完善、對上述教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行延伸，讓學(xué)生了解概念的外延.從以下兩個方面進(jìn)行拓展.（1）討論物理量的單位以及物理量是狀態(tài)量還是過程量、是矢量還是標(biāo)量、是相對量還是絕對量等.［10］（2）比值定義的物理量的最大特點(diǎn)是被定義物理量本身與定義它的物理量無關(guān)，而從物理實(shí)質(zhì)上決定它的物理量另有其量，［13］這里的無關(guān)指的是沒有因果關(guān)系.［14］最后，教師還可以設(shè)計(jì)相關(guān)習(xí)題，讓學(xué)生運(yùn)用剛學(xué)習(xí)的概念，鞏固對概念的理解.

5 教學(xué)價(jià)值

比值定義物理概念教學(xué)，很多人進(jìn)行了研究，但都沒有很好地揭示出問題的本質(zhì)，也沒有給出一套具有可操作性的教學(xué)模式，我們構(gòu)建的教學(xué)模式除了有極強(qiáng)的可操作性外，還具有以下優(yōu)勢.

5.1 突顯了比值定義概念的物理本質(zhì)

構(gòu)建的比值定義物理概念教學(xué)模式的“創(chuàng)設(shè)情境，提出問題→初步探討，找描述量→科學(xué)探究，解決問題→命名比值，得出概念→運(yùn)用概念，拓展延伸”5步教學(xué)環(huán)節(jié)，突出了物理概念的建構(gòu)過程，體現(xiàn)了物理概念的本質(zhì)，其核心思想是“先比值再命名”，即“先尋找比值，再命名比值”.

5.2 問題意識和問題解決能力的培養(yǎng)

教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生觀察情境中呈現(xiàn)的現(xiàn)象，提高學(xué)生的觀察能力，培養(yǎng)學(xué)生勤觀察的良好品質(zhì).學(xué)生通過觀察，會發(fā)現(xiàn)許多原有知識經(jīng)驗(yàn)解釋不了的現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲.教學(xué)模式中的問題由學(xué)生提出，有利于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和提出問題的能力，促使學(xué)生意識到生產(chǎn)生活中存在許多問題，使學(xué)生遇到疑惑時能意識到問題的存在，并能提出問題.教學(xué)模式緊扣問題解決，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生積極思考、參與解決問題的過程，能有效提高學(xué)生解決問題的能力.

5.3 學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升

“創(chuàng)設(shè)情境，提出問題”教學(xué)環(huán)節(jié)從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識；從情境中抽象出易于研究的理想模型，提高學(xué)生的模型建構(gòu)能力；通過問題鏈提出主問題是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评磉^程，能提高學(xué)生的科學(xué)推理能力.“初步探討，找描述量”教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生針對問題提出能用來描述事物某種性質(zhì)或狀態(tài)的物理量的合理猜想，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識.“科學(xué)探究，解決問題”教學(xué)環(huán)節(jié)解釋了為什么物理量的比值可以描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài)，學(xué)生理解了事物該性質(zhì)或狀態(tài)的本質(zhì)，有利于形成正確的物理觀念；在解決問題的過程中運(yùn)用了分析、綜合和比較等思維方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.“命名比值，得出概念”教學(xué)環(huán)節(jié)遵從物理本質(zhì)，解釋將物理量的比值命名為一個新的物理量的原因，體現(xiàn)了正確的物理觀念.教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的問題意識，使學(xué)生逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.