追求理解的初中物理概念教學(xué)支架設(shè)計(jì)

楊琳

摘? ?要：初中物理是概念驅(qū)動(dòng)的學(xué)科，物理概念是初中物理學(xué)科中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的組成部分，物理概念教學(xué)是初中物理教學(xué)的關(guān)鍵一環(huán)。素養(yǎng)導(dǎo)向的初中物理概念教學(xué)不是聚焦于事實(shí)性知識(shí)和技能的二維模式，而是聚焦于事實(shí)與技能支持下具有深刻概念性理解的三維模式。在物理概念的教學(xué)實(shí)踐中，基于蘇科版初中物理教材，優(yōu)化任務(wù)情境的設(shè)計(jì)，以實(shí)驗(yàn)為載體，問(wèn)題為導(dǎo)向，提供適切的支架，引導(dǎo)學(xué)生遵循認(rèn)識(shí)事實(shí)—聚焦并理解概念—像專家一樣做事的認(rèn)知過(guò)程，獲得概念性理解，形成物理觀念，發(fā)展核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理概念；支架設(shè)計(jì)；概念性理解

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）6-0030-5

物理概念是初中物理學(xué)科知識(shí)的重要組成部分，是構(gòu)成物理規(guī)律、建立物理公式的前提和基礎(chǔ)。物理概念的教學(xué)成效將決定初中生學(xué)習(xí)物理的品質(zhì)，“如何進(jìn)行高品質(zhì)的初中物理概念教學(xué)”需要每位初中物理教師深度思考并積極實(shí)踐。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》堅(jiān)持素養(yǎng)導(dǎo)向，素養(yǎng)是一種綜合知識(shí)、技能和方法解決復(fù)雜情境下真實(shí)問(wèn)題的實(shí)踐應(yīng)用能力，素養(yǎng)導(dǎo)向下的初中物理概念教學(xué)必然不是聚焦于事實(shí)性知識(shí)和技能的二維模式，而是聚焦于事實(shí)與技能支持下具有深刻概念性理解的三維模式。筆者在概念教學(xué)實(shí)踐時(shí)，基于蘇科版初中物理教材，設(shè)計(jì)適切的支架，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷認(rèn)識(shí)事實(shí)—聚焦并理解概念—像專家一樣做事的認(rèn)知過(guò)程，不斷啟發(fā)學(xué)生協(xié)同思考，獲得概念性理解，進(jìn)階高階思維，形成物理觀念，發(fā)展核心素養(yǎng)［１］（圖1）。

1? ? 設(shè)計(jì)聚焦概念理解的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)支架，促進(jìn)生活概念的轉(zhuǎn)化

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識(shí)事實(shí)、習(xí)得技能的有效載體。筆者在教“力”的概念時(shí)，基于課標(biāo)、教材和初中生的身心發(fā)展規(guī)律，在學(xué)生生活概念的基礎(chǔ)上，優(yōu)化體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生在理解中自主建構(gòu)物理概念，啟發(fā)學(xué)生協(xié)同思考，獲得概念性理解習(xí)得的事實(shí)性知識(shí)和技能，進(jìn)階高階思維，形成“相互作用”這一物理觀念［2］。

1.1? ? 創(chuàng)設(shè)聚焦概念的情境任務(wù)，用體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)充分認(rèn)識(shí)事實(shí)

實(shí)驗(yàn)1：用歡迎聽(tīng)課老師或表?yè)P(yáng)班級(jí)先進(jìn)等活動(dòng)創(chuàng)設(shè)物理情境，引導(dǎo)學(xué)生多次鼓掌，并說(shuō)出鼓掌后手的感覺(jué)，親身體驗(yàn)“力”的存在。

實(shí)驗(yàn)2：學(xué)生小組合作，利用桌上的器材和身邊的物品設(shè)計(jì)“產(chǎn)生力”的實(shí)驗(yàn)，并觀察、記錄現(xiàn)象。

小組交流：學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師板書(shū)。

用手推小球，小球運(yùn)動(dòng)；手壓海綿，海綿形變；手捏橡皮泥，橡皮泥形變；鉤碼拉彈簧，彈簧伸長(zhǎng)；木塊壓海綿，海綿形變；筆脫手，筆落向地面；磁鐵靠近大頭針，大頭針被吸引。

生活實(shí)例：學(xué)生結(jié)合自身生活經(jīng)驗(yàn)，列舉“產(chǎn)生力”的實(shí)例，教師板書(shū)記錄。

手提水桶；馬拉車；熊貓壓竹枝；狗拉雪橇；起重機(jī)提升重物；棒擊乒乓球等。

1.2? ? 用圖表支架歸納并理解概念

概念建構(gòu)：引導(dǎo)學(xué)生采用圖表的形式，對(duì)記錄好的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和生活實(shí)例進(jìn)行分析歸類，建構(gòu)“力”的概念（圖2）。

概念表達(dá)：力是物體對(duì)物體的作用。

概念理解：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)例進(jìn)行思考，概念性理解“力”（表1、表2）。

發(fā)生力的作用應(yīng)有兩個(gè)物體。手拍桌子時(shí)，手是施力物體，桌子是受力物體；手拍桌子時(shí)手會(huì)感到疼，這時(shí)手是受力物體，桌子是施力物體，可見(jiàn)力的作用是相互的。

1.3? ? 用拓展練習(xí)引導(dǎo)學(xué)生像專家一樣做事

拓展練習(xí)：請(qǐng)同學(xué)們課后利用所學(xué)知識(shí)解密飄浮魔術(shù)中為什么魔術(shù)師的小球能飄在空中還能自己移動(dòng)。設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生在理解力是物體與物體之間作用的基礎(chǔ)上解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題。

教師基于學(xué)生熟悉的生活情境，創(chuàng)設(shè)指向概念的物理情境，充分關(guān)注學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)為載體設(shè)計(jì)概念教學(xué)。通過(guò)熱烈鼓掌既讓學(xué)生體驗(yàn)了“力”的存在，又起到了很好的激趣作用；通過(guò)優(yōu)化體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生小組通過(guò)合作親歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程，親身體驗(yàn)“產(chǎn)生力”；通過(guò)列舉“產(chǎn)生力”的生活實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)“力”的無(wú)處不在；通過(guò)圖表支架，引導(dǎo)學(xué)生把記錄好的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和生活實(shí)例進(jìn)行歸類分析，從人對(duì)物體的作用、動(dòng)物對(duì)物體的作用到物體對(duì)物體的作用，進(jìn)階建構(gòu)“力”的概念模型，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合實(shí)例思考，概念性理解“力”的內(nèi)涵和外延，初步形成“相互作用觀”；通過(guò)問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生像專家一樣做事，讓學(xué)生在解決真實(shí)問(wèn)題的實(shí)踐中，進(jìn)一步形成“運(yùn)動(dòng)和相互作用觀”，發(fā)展核心素養(yǎng)。

2? ? 設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)概念規(guī)律的探究性實(shí)驗(yàn)支架，驅(qū)動(dòng)屬性概念的建構(gòu)

實(shí)驗(yàn)探究是2022版義務(wù)教育物理課標(biāo)課程內(nèi)容的一級(jí)主題，探究性實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生探究、理解物理規(guī)律的有效途徑，也是學(xué)生建構(gòu)物理概念、形成物理觀念的有效載體。筆者以物質(zhì)屬性概念的建構(gòu)為例，優(yōu)化“密度”概念的教學(xué)如下。

2.1? ? 創(chuàng)設(shè)激發(fā)思考的體驗(yàn)性游戲，用引導(dǎo)性問(wèn)題認(rèn)識(shí)事實(shí)

體驗(yàn)游戲：教師設(shè)計(jì)“分辨不同物質(zhì)”的體驗(yàn)性游戲，啟發(fā)學(xué)生通過(guò)氣味辨別酒精和水；通過(guò)顏色辨別銅塊和鐵塊。

思考：如何辨別被密封的等體積的銅柱和鐵柱？引導(dǎo)學(xué)生討論通過(guò)質(zhì)量來(lái)辨別等體積的銅柱和鐵柱。教師進(jìn)一步啟發(fā)提問(wèn)“物體質(zhì)量與體積之間可能有怎樣的關(guān)系”。

實(shí)驗(yàn)探究：物體質(zhì)量與體積之間的關(guān)系。

學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行有依據(jù)的猜想：物體體積越大，質(zhì)量越大；同種物質(zhì)組成的物體，體積越大，質(zhì)量越大。

學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇3個(gè)銅塊和3個(gè)鋁塊，用托盤天平分別測(cè)出其質(zhì)量，用量筒分別測(cè)出其體積，記錄在設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)記錄表中。

學(xué)生小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中（表3）。

2.2? ? 用數(shù)理模型分析并理解概念

引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，建立數(shù)理模型。

師：請(qǐng)大家橫看行，豎看列，仔細(xì)分析數(shù)據(jù)表格，有什么發(fā)現(xiàn)呢？

生甲：豎看列1、2、3次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)它們都是鐵塊，體積越大質(zhì)量越大，且質(zhì)量/體積是定值。豎看列4、5、6次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)它們都是鋁塊，體積越大質(zhì)量也越大，且質(zhì)量/體積是定值。

生乙：豎看列1和4、列2和5、列3和6次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)體積相同的鐵塊和鋁塊質(zhì)量不相同，且質(zhì)量/體積也不相等。

師：還可以采用更直觀的圖像法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，請(qǐng)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中分別描點(diǎn)作出鐵塊和鋁塊的m-V圖像（作圖示例如圖3所示）。

生：描點(diǎn)作出鐵塊和鋁塊的m-V圖像，并進(jìn)行小組交流。

生：分析圖像發(fā)現(xiàn)，同種物質(zhì)組成的物體，質(zhì)量/體積是定值，質(zhì)量與體積成正比關(guān)系。

師：引導(dǎo)學(xué)生觀察同種物質(zhì)組成的物體，質(zhì)量/體積相等；不同種物質(zhì)組成的物體，質(zhì)量/體積不等的數(shù)理模型，理解質(zhì)量/體積的意義，它反映了物質(zhì)的某種屬性。物理學(xué)中把質(zhì)量/體積定義為物質(zhì)的密度，計(jì)算公式為ρ=m/V，國(guó)際單位為kg/m³，其大小一般跟物質(zhì)的種類有關(guān)。

2.3? ? 用操作性練習(xí)引導(dǎo)學(xué)生像專家一樣做事

師：出示V=10 cm³的銅柱，請(qǐng)小組利用托盤天平鑒別該銅柱是否由純銅制成？（純銅的密度可以查課本中的密度表）。

生：利用托盤天平測(cè)出銅柱的質(zhì)量，根據(jù)公式ρ=m/V算出該銅柱的密度，并對(duì)照密度表中純銅的密度，鑒別該銅柱是由純銅制成。

教師以聚焦概念的探究性實(shí)驗(yàn)為載體，以問(wèn)題為導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生多途徑、多方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理分析，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法畫(huà)出物體的m-V圖像，構(gòu)建同種物質(zhì)質(zhì)量/體積相等，不同種物質(zhì)質(zhì)量/體積不等的數(shù)理模型，概念性理解質(zhì)量/體積反映了物質(zhì)的某種屬性，水到渠成地構(gòu)建“密度”的概念，形成“物質(zhì)觀”。教師活用實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)情境化操作類習(xí)題，及時(shí)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，引導(dǎo)學(xué)生思考，理解概念并進(jìn)行正確的學(xué)科實(shí)踐，提升物理的關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)。

3? ? 設(shè)計(jì)促進(jìn)思維進(jìn)階的習(xí)題支架，幫助規(guī)律概念的建構(gòu)

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)許多不同的“階”，是一種不斷積累、發(fā)展的過(guò)程，練習(xí)又是初中物理教學(xué)中不可或缺的環(huán)節(jié)。教師在有關(guān)規(guī)律性概念教學(xué)時(shí)，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)基于概念的進(jìn)階式習(xí)題，驅(qū)動(dòng)學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中自主建構(gòu)物理概念，并遷移應(yīng)用于新問(wèn)題［３］。筆者設(shè)計(jì)“壓強(qiáng)”概念的教學(xué)如下。

3.1? ? 引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)基于認(rèn)識(shí)事實(shí)的探究結(jié)論

合作探究：學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究“壓力的作用效果與哪些因素有關(guān)”。

學(xué)生基于證據(jù)分析得出結(jié)論：壓力大小相同時(shí)，受力面積越小，壓力作用效果越明顯；受力面積大小相同時(shí)，壓力越大，壓力作用效果越明顯。

3.2? ? 用進(jìn)階式習(xí)題建構(gòu)概念

師：哪一個(gè)物體對(duì)支持面產(chǎn)生的壓力作用效果更明顯？（圖4）

（1）A物體重為10 N，B物體重為5 N，均放在水平沙面上，與沙面的接觸面積均為5 cm²；

（2）C，D兩物體重為10 N，放在水平沙面上，與沙面的接觸面積分別為5 cm²和3 cm²；

（3）E物體重為10 N，F(xiàn)物體重為9 N，均放在水平沙面上，與沙面的接觸面積分別為5 cm²和3 cm²。

生甲：第一問(wèn)，兩個(gè)物體與沙面的接觸面積相等，即受力面積相等，A，B兩物體對(duì)沙面的壓力分別是10 N和 5 N，根據(jù)“受力面積大小相同時(shí)，壓力越大壓力作用效果越明顯”，可知A物體對(duì)沙面產(chǎn)生的壓力作用效果更明顯。

生乙：第二問(wèn)，兩個(gè)物體對(duì)沙面的壓力大小都是10 N，C，D兩物體與沙面的接觸面積分別是5 cm²和3 cm²，根據(jù)“壓力大小相同時(shí)，受力面積越小壓力作用效果越明顯”，可知D物體對(duì)沙面產(chǎn)生的壓力作用效果明顯。

生丙：第三問(wèn)，受力面積和壓力大小都不等，不能直接利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行判斷，我們可以對(duì)照“用單位時(shí)間通過(guò)的路程來(lái)比較物體運(yùn)動(dòng)快慢”的方法，用單位面積上所受的壓力大小即壓力大小與受力面積大小的比值，來(lái)表示水平沙面受到的壓力作用效果。

師：物理學(xué)中把壓力大小與受力面積大小的比值叫作壓強(qiáng)，用字母p表示。請(qǐng)寫(xiě)出壓強(qiáng)的計(jì)算公式和單位。

生：壓強(qiáng)的計(jì)算公式為：p=F/S，單位是N/m²，為了紀(jì)念偉大的物理學(xué)家帕斯卡，把壓強(qiáng)的單位規(guī)定為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa，1 Pa=1 N/m²。

3.3? ? 用表現(xiàn)性任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生像專家一樣做事

師：請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)說(shuō)說(shuō)在冰面救援時(shí)，如果你是專業(yè)救援人員，將采用怎樣的姿態(tài)救助踩冰墜河人員？

進(jìn)階式習(xí)題的設(shè)計(jì)符合學(xué)生循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律和思維水平，習(xí)題的前兩問(wèn)分別是對(duì)探究結(jié)論“受力面積大小相同時(shí)，壓力越大壓力作用效果越明顯”和“壓力大小相同時(shí)，受力面積越小壓力作用效果越明顯”的有效鞏固，第三問(wèn)則是基于前兩問(wèn)的進(jìn)階設(shè)計(jì)，意在引發(fā)認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生遷移探究速度時(shí)習(xí)得的知識(shí)、技能及方法，在習(xí)題解決的過(guò)程中自主建立壓強(qiáng)概念和單位的數(shù)理模型。教師設(shè)計(jì)基于教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)——“冰面救援”，驅(qū)動(dòng)學(xué)生像專家一樣做事，在解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中遷移物理概念，不斷豐富并深化理解概念及概念間的聯(lián)結(jié)，形成物理觀念。

4? ? 設(shè)計(jì)基于思維加工的物理模型支架，支持抽象概念的建構(gòu)

學(xué)生理解復(fù)雜抽象的物理概念難度較大，教師有目的地引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建構(gòu)物理模型來(lái)助力概念的形成，能起到凸顯主要因素忽略次要因素、化難為易的作用。進(jìn)而幫助學(xué)生理解復(fù)雜、抽象的物理概念，形成正確的物理觀念。筆者設(shè)計(jì)“磁感線”概念的教學(xué)如下。

4.1? ? 創(chuàng)設(shè)形象直觀的合作實(shí)驗(yàn)，用化虛為實(shí)的方式認(rèn)識(shí)事實(shí)

學(xué)生：小組合作完成“用鐵屑模擬條形磁體周圍磁場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察條形磁體周圍小鐵屑的排列情況。

師：請(qǐng)?jiān)诩埳嫌霉P畫(huà)出鐵屑的排列情況。

生：在紙上用筆畫(huà)出鐵屑的排列情況，并投影展示。

4.2? ? 設(shè)計(jì)基于思維加工關(guān)鍵點(diǎn)的問(wèn)題鏈理解概念

師：磁場(chǎng)是有方向的，請(qǐng)?jiān)趧偛女?huà)好的筆畫(huà)線上標(biāo)出條形磁體周圍磁場(chǎng)的方向。

生：磁場(chǎng)的方向是從N極出發(fā)回到S極，在筆畫(huà)線上標(biāo)上對(duì)應(yīng)的箭頭就可以了（圖5）。

師：磁體周圍的磁場(chǎng)不僅有方向還有強(qiáng)弱，如何表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱呢？

生：條形磁體兩極磁場(chǎng)強(qiáng)，中部磁場(chǎng)弱，由圖5可以看出磁體兩端筆畫(huà)線密，中部筆畫(huà)線疏，我們可以用筆畫(huà)線的疏密來(lái)表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

物理學(xué)中用帶箭頭的曲線來(lái)描述磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱分布，稱之為“磁感線”。它是人們?yōu)榱嗣枋龃艌?chǎng)的方向和強(qiáng)弱分布構(gòu)建的形象物理模型，磁場(chǎng)是真實(shí)存在的，磁感線是假想的，實(shí)際上并不存在。

4.3? ? 用變式練習(xí)引導(dǎo)學(xué)生像專家一樣做事

教師出示兩個(gè)條形磁體，將兩個(gè)磁體的N極相互靠近，請(qǐng)學(xué)生想象并畫(huà)出兩個(gè)N極之間的磁感線。接著通過(guò)小組合作利用鐵屑模擬兩個(gè)N極之間的磁場(chǎng)，驗(yàn)證自己的想象。如果是兩個(gè)S極，磁感線又會(huì)如何呢？

初中生構(gòu)建理解“磁感線”等復(fù)雜抽象概念的難度較大，教師教學(xué)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生舍棄磁體本身、磁場(chǎng)力大小等次要因素，凸顯磁場(chǎng)方向和強(qiáng)弱分布等主要因素，基于“用鐵屑模擬條形磁體周圍磁場(chǎng)”的實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生用筆畫(huà)出鐵屑的排列情況，通過(guò)問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生巧構(gòu)“磁場(chǎng)方向和強(qiáng)弱分布”的物理模型；通過(guò)物理模型助力學(xué)生形象直觀地形成“磁感線”概念；通過(guò)設(shè)置“想象同名磁極間的磁感線，利用鐵屑模擬兩個(gè)同名磁極之間的磁場(chǎng)”的任務(wù)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生像專家一樣做事，在合作完成任務(wù)的學(xué)科實(shí)踐中，遷移物理概念，獲得概念性理解，進(jìn)階科學(xué)思維。

總之，概念是掌握物理知識(shí)、理解物理規(guī)律、提升關(guān)鍵能力和形成物理觀念的關(guān)鍵，初中物理教學(xué)的實(shí)質(zhì)是物理概念的教學(xué)。教師在教學(xué)實(shí)踐時(shí)，可以遵循認(rèn)識(shí)事實(shí)—聚焦并理解概念—像專家一樣做事的路徑，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)情境引入概念，思維加工理解、建構(gòu)概念，引導(dǎo)修正深化概念，遷移應(yīng)用內(nèi)化概念。以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)為載體，搭建適切的支架，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所觀察的現(xiàn)象進(jìn)行比較、分析、綜合、抽象、概括等思維活動(dòng)，舍棄次要因素，抓住主要因素，突出客觀事物的本質(zhì)特征，構(gòu)建物理概念模型，不斷豐富和深化理解概念及概念間的聯(lián)結(jié)，進(jìn)而獲得概念性理解，形成物理觀念，提升核心素養(yǎng)。讓2022版課標(biāo)理念在追求概念性理解的初中物理概念教學(xué)實(shí)踐中真正落地，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科的育人價(jià)值。

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