基于學(xué)生前概念培育物理觀念的教學(xué)實(shí)踐

摘"要：學(xué)生的前概念是他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理新概念的基礎(chǔ)，但同時(shí)也可能會(huì)對(duì)他們的學(xué)習(xí)造成干擾。教師應(yīng)重視前概念對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的影響，在教學(xué)時(shí)創(chuàng)設(shè)情境問(wèn)題或探究實(shí)驗(yàn)以引發(fā)學(xué)生的思維沖突，顯化學(xué)生的前概念。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、類比和遷移等方法，幫助學(xué)生建構(gòu)新概念體系，培育學(xué)生的物理觀念。

關(guān)鍵詞：前概念；物理觀念；教學(xué)實(shí)踐；磁場(chǎng)；磁感線

美國(guó)著名教育心理學(xué)家戴維·保羅·奧蘇貝爾（David Pawl Ausubel）曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“影響學(xué)生學(xué)習(xí)最重要的一個(gè)因素乃是學(xué)生已經(jīng)知道的東西，教師應(yīng)當(dāng)肯定這一點(diǎn)并據(jù)此教學(xué)?！薄耙呀?jīng)知道的東西”指學(xué)生在正式學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)之前，頭腦中基于已有的經(jīng)驗(yàn)和觀點(diǎn)形成的對(duì)該知識(shí)的的認(rèn)識(shí)，即前概念。［1］

1"基于學(xué)生前概念培育物理觀念的教學(xué)策略

學(xué)生的前概念可能會(huì)幫助他們進(jìn)一步正確理解新的物理概念，但也有可能對(duì)他們的學(xué)習(xí)造成干擾。學(xué)生錯(cuò)誤的前概念，會(huì)成為學(xué)習(xí)新知識(shí)的障礙。因此，為了使學(xué)生能正確理解新知識(shí)，教師需要讓學(xué)生摒棄錯(cuò)誤的前概念。教師應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生的前概念有充分的了解，在教學(xué)中將學(xué)生的前概念進(jìn)行顯化和解構(gòu)，并基于學(xué)生前概念進(jìn)行有效的教學(xué)，幫助學(xué)生形成正確的物理觀念。本文以“磁場(chǎng)"磁感線”教學(xué)為例，進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，其主要教學(xué)策略模式如圖1所示。

2"“磁場(chǎng)"磁感線”的教學(xué)設(shè)計(jì)

“磁場(chǎng)"磁感線”是人教版《普通高中教科書"物理"必修"第三冊(cè)》第十三章的第1節(jié)內(nèi)容。該章內(nèi)容涵蓋廣泛，從磁場(chǎng)到電磁感應(yīng)，從電磁場(chǎng)到電磁波再到微觀世界的量子化，整體跨度較大。學(xué)生在初中階段對(duì)其中部分內(nèi)容已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)。雖然學(xué)生在初中階段對(duì)第1節(jié)“磁場(chǎng)"磁感線”涉及的磁場(chǎng)和磁感線兩部分內(nèi)容已有所接觸，但是他們的理解通常較為淺顯，記憶的成分多于理解，且其中不乏一些錯(cuò)誤的記憶。這些前概念的存在，會(huì)對(duì)學(xué)生正確理解新的物理概念形成干擾。

為幫助學(xué)生建立正確的電磁統(tǒng)一觀念，本節(jié)課的主要設(shè)計(jì)思路如下：首先，通過(guò)趣味實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生興趣，提出研究問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)；其次，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)引發(fā)認(rèn)知沖突，豐富學(xué)生的物質(zhì)觀念和相互作用觀念；再次，利用電場(chǎng)作為類比，深入剖析“電場(chǎng)線”與“磁感線”作為“線”的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的抽象建模能力及科學(xué)思維；然后，通過(guò)對(duì)比通電螺線管與條形磁體的磁場(chǎng)分布，使學(xué)生理解“電生磁”的現(xiàn)象；最后，拓展至“磁生電”的討論，初步引導(dǎo)學(xué)生建立電磁統(tǒng)一觀念的框架。

2.1"創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，顯化前概念

學(xué)生腦海中的前概念通常是零散的、混亂的，他們對(duì)自己已具有的概念并不清楚，而且不同學(xué)生的前概念也各不相同。因此，教師有必要采用特定的方式來(lái)明確并顯化學(xué)生的前概念。物理觀念是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。為了將學(xué)生頭腦中的前概念顯化出來(lái)，教師可通過(guò)解釋現(xiàn)象或解決實(shí)際問(wèn)題的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，創(chuàng)設(shè)相關(guān)的情境問(wèn)題，不僅是為了激發(fā)學(xué)生的興趣，更是為了在解決問(wèn)題的過(guò)程中顯化學(xué)生的前概念，從而讓教師和學(xué)生都能對(duì)學(xué)生的前概念有清晰的了解。

教學(xué)片段1：以趣味實(shí)驗(yàn)提出問(wèn)題，學(xué)生各抒己見(jiàn)。

演示實(shí)驗(yàn)：教師準(zhǔn)備幾枚硬幣放置在水平桌面上，手中暗藏一塊強(qiáng)磁體。將手靠近硬幣，硬幣被吸起，形成了一條長(zhǎng)鏈條。

生：老師手里肯定有一塊磁體。

師：展示磁體，并讓學(xué)生試著說(shuō)出磁體的特性。

生：同性相斥、異性相吸。

師：電荷之間也是同性相斥、異性相吸，電荷的相互作用和磁體的相互作用如此相似，你們認(rèn)為電和磁有聯(lián)系嗎？為什么？

學(xué)生各抒己見(jiàn)。

師：從大家的回答中可以看出，要找到兩種相互作用之間的聯(lián)系，我們需要對(duì)這兩種相互作用進(jìn)行探究。實(shí)踐出真知，我們用事實(shí)說(shuō)話。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)趣味實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)學(xué)生的“說(shuō)”來(lái)顯化學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)的前概念。學(xué)生可能會(huì)答出奧斯特實(shí)驗(yàn)、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有力的作用等正確知識(shí)點(diǎn)，也可能會(huì)答出“靜電荷能產(chǎn)生磁場(chǎng)”等錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。教師無(wú)需立即對(duì)學(xué)生提出的觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因?yàn)閷W(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中自己會(huì)判斷。

2.2"設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突

學(xué)生的前概念是根深蒂固的，想要撼動(dòng)學(xué)生的前概念，就需要引發(fā)他們強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突。教師可以從學(xué)生的觀點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)一系列探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)與已有觀念相矛盾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，教師還可以改變實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生進(jìn)行多次探究實(shí)驗(yàn)，讓他們?cè)诓僮鬟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而完善他們對(duì)概念的理解。

教學(xué)片段2：靜電荷和小磁針之間是否存在作用力？

演示實(shí)驗(yàn)：毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒吸引小磁針的北極。

橡膠棒能吸引小磁針。

師：橡膠棒吸引小磁針和磁體吸引小磁針的原理一樣嗎？怎么證明？

生：用橡膠棒吸引小磁針的南極試試，如果排斥，兩者原理就是一樣的。

演示實(shí)驗(yàn)：橡膠棒能吸引小磁針的南極。

師：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明兩者作用原理不一樣。那出現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因是什么？

生：可能是帶電物體具有能夠吸引輕小物體的性質(zhì)。

師：怎么驗(yàn)證？

生：將小磁針換成鋁片或銅片試試，或者將小磁針靜電屏蔽試試。

演示實(shí)驗(yàn)：橡膠棒能吸引鋁片或銅片。用金屬絲將小磁針靜電屏蔽后不能再被橡膠棒吸引，但仍能被磁體吸引。

設(shè)計(jì)意圖：制造思維沖突，破除舊觀念。帶電橡膠棒能吸引小磁針的現(xiàn)象，會(huì)讓那些認(rèn)為“靜止電荷不能吸引小磁針”的同學(xué)大感驚訝；隨后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，則會(huì)給認(rèn)為“靜止電荷能吸引小磁針”的同學(xué)帶來(lái)了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖擊，使他們深入理解到靜止電荷吸引小磁針的本質(zhì)，進(jìn)而促使他們改變?cè)杏^念，樹立起正確的觀念。

教學(xué)片段3：通電導(dǎo)線和小磁針之間是否存在作用力？

探究實(shí)驗(yàn)：通電導(dǎo)線和小磁針位置可隨意放置，觀察小磁針偏轉(zhuǎn)情況。教師請(qǐng)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同學(xué)上講臺(tái)展示，并講述實(shí)驗(yàn)成功的原因。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在初中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)奧斯特實(shí)驗(yàn)，但那時(shí)的學(xué)習(xí)主要停留在識(shí)記層面，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解較為粗淺和模糊，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的把握不夠深刻。學(xué)生原本知道通電導(dǎo)線可以使小磁針偏轉(zhuǎn)，并在實(shí)際操作中也確實(shí)觀察到了這一現(xiàn)象。然而，當(dāng)有些學(xué)生在講臺(tái)上進(jìn)行演示時(shí)，卻意外地發(fā)現(xiàn)無(wú)法清晰地觀察到小磁針的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這一結(jié)果與他們頭腦中的既有觀念產(chǎn)生了沖突。通過(guò)這次經(jīng)歷，學(xué)生深刻體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著影響，進(jìn)而加深了對(duì)電流對(duì)磁體作用原理的理解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生繼續(xù)探究磁體與電流、電流與電流之間的相互作用，從而深刻地認(rèn)識(shí)到磁體與磁體、磁體與電流以及電流與電流之間的相互作用都是通過(guò)“磁場(chǎng)”這一媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3"類比前概念，建構(gòu)物理觀念

類比是科學(xué)發(fā)現(xiàn)中廣泛使用的一種方法，它也可以為學(xué)生建立正確的物理觀念。通過(guò)將原有的或新近獲得的知識(shí)進(jìn)行類比，可以使新知識(shí)更容易被理解和接受。這種方法為學(xué)生掌握新概念提供了一個(gè)有效的學(xué)習(xí)途徑。特別是在學(xué)習(xí)“場(chǎng)”這種抽象的概念時(shí)，利用前概念進(jìn)行類比，能夠?yàn)閷W(xué)生在建構(gòu)新的物理觀念時(shí)鋪設(shè)學(xué)習(xí)臺(tái)階。

教學(xué)片段4：如何形象地描述磁場(chǎng)？

師：磁場(chǎng)看不見(jiàn)摸不著，那怎樣形象地來(lái)描述磁場(chǎng)呢？

生：可以用磁感線來(lái)描述。

師：你能用磁感線描述條形磁體的磁場(chǎng)嗎？

學(xué)生在紙上畫出條形磁體的磁感線。

師：你畫的磁感線能否準(zhǔn)確描述該條形磁體的磁場(chǎng)？怎么驗(yàn)證？

生：可用小磁針來(lái)驗(yàn)證。

師：你是怎樣想到用小磁針來(lái)驗(yàn)證的？

生：前面學(xué)習(xí)過(guò)的電場(chǎng)就是通過(guò)利用試探電荷所受的力來(lái)描述電場(chǎng)線的。小磁針在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，所以可以利用小磁針來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)方向。

學(xué)生利用小磁針驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)小磁針不夠小，驗(yàn)證有困難。

師：怎樣才可以有更小、更多的小磁針，來(lái)更方便地進(jìn)行驗(yàn)證？

生：可以利用鐵屑。

學(xué)生將條形磁體置于放有大量短小鐵屑的塑料片上，然后將已畫好的條形磁體磁場(chǎng)圖覆蓋在條形磁體上方

進(jìn)行驗(yàn)證。

師：你畫的磁感線能準(zhǔn)確描述該條形磁體的磁場(chǎng)嗎？條形磁體的磁感線有什么特點(diǎn)？磁感線與電場(chǎng)線之間有哪些異同？

學(xué)生進(jìn)行回答并作出總結(jié)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在初中時(shí)已經(jīng)學(xué)會(huì)利用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)，但是對(duì)磁感線的繪制過(guò)程并不了解。通過(guò)親自繪制磁感線并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生深入理解了磁場(chǎng)方向的定義，以及磁感線作為“線”的本質(zhì)。這一過(guò)程讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，磁感線是將抽象的“場(chǎng)”概念形象化的工具，進(jìn)而掌握了如何運(yùn)用這一工具來(lái)分析和理解磁場(chǎng)問(wèn)題的方法。

教學(xué)片段5：如何描述通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)？

師：利用小磁針可以探測(cè)出條形磁體周圍的磁場(chǎng)分布。通電直導(dǎo)線周圍也存在磁場(chǎng)，能不能利用小磁針探測(cè)出通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布呢？

探究實(shí)驗(yàn)：通電直導(dǎo)線水平或豎直放置，學(xué)生通過(guò)改變小磁針和通電直導(dǎo)線間的位置關(guān)系，探測(cè)通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，并嘗試用磁感線來(lái)描述該磁場(chǎng)。

學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并講述理由。

教師演示通電直導(dǎo)線周邊大量短小鐵屑的分布情況，和學(xué)生一起用磁感線畫出通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布。

師：改變通電直導(dǎo)線中的電流方向，你能畫出此時(shí)通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布嗎？

請(qǐng)學(xué)生分別畫出此時(shí)通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)分布的俯視圖、側(cè)視圖和立體圖。

師：請(qǐng)大家觀察電流方向和磁場(chǎng)方向有沒(méi)有規(guī)律？

生：電流方向和磁場(chǎng)方向始終是垂直的，不同方向的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)都可以通過(guò)空間旋轉(zhuǎn)來(lái)相互對(duì)應(yīng)。

師：你有沒(méi)有辦法可以很方便地找到電流方向和磁場(chǎng)方向的關(guān)系？

生：右手螺旋定則（安培定則）。

師：一定要用右手嗎？左手可不可以？不用手可不可以？

師生共同回顧安培定則的使用方法，并明確安培定則作為一種工具的特性。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)類比使用小磁針探測(cè)條形磁體磁場(chǎng)的方法，教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用小磁針來(lái)探測(cè)通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)。這一過(guò)程讓學(xué)生充分體驗(yàn)了電流與磁體之間的相互作用，并掌握了如何利用小磁針來(lái)確定磁場(chǎng)方向的方法。同時(shí)，在探究過(guò)程中，學(xué)生也明確了通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的分布情況，并熟練掌握了安培定則的使用方法，為后續(xù)學(xué)習(xí)環(huán)形電流和通電螺線管周圍的磁場(chǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4"知識(shí)遷移應(yīng)用，培育物理觀念

新的概念只有在新的情境下得到應(yīng)用，并對(duì)新的現(xiàn)象進(jìn)行解釋時(shí)，才能被學(xué)生真正掌握，轉(zhuǎn)化為他們頭腦中的概念，并被用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，在教學(xué)中，教師還應(yīng)幫助學(xué)生提煉新的概念，并進(jìn)一步升華，使概念體系更加清晰和準(zhǔn)確，從而在學(xué)生頭腦中建立完善的物理觀念。

教學(xué)片段6：電和磁的統(tǒng)一性。

師：請(qǐng)大家觀察通電螺線管和條形磁體的磁場(chǎng)分布，并找出它們的異同。

生：通電螺線管外部磁場(chǎng)分布和條形磁體外部磁場(chǎng)分布非常相似。

師：你們認(rèn)為條形磁體內(nèi)部有沒(méi)有磁場(chǎng)？為什么？如果有，磁場(chǎng)怎樣分布？

生：有磁場(chǎng)，因?yàn)榇鸥芯€是閉合的曲線，其內(nèi)部磁場(chǎng)應(yīng)該和通電螺線管的內(nèi)部磁場(chǎng)一樣。

師：確實(shí)如此。那么條形磁體為什么會(huì)有磁性呢？請(qǐng)大家自行閱讀教材上本小節(jié)的科學(xué)漫步欄目“安培分子電流假說(shuō)”。

應(yīng)用：請(qǐng)解釋教學(xué)片段1的演示實(shí)驗(yàn)中為什么硬幣像鏈條一樣被吸起來(lái)？

請(qǐng)利用安培分子電流假說(shuō)解釋磁場(chǎng)。

學(xué)生閱讀、思考、交流。

在肯定學(xué)生的回答后，教師介紹電生磁（奧斯特）、磁生電（法拉第）、麥克斯韋方程組，讓學(xué)生體會(huì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一性。

設(shè)計(jì)意圖：在深入學(xué)習(xí)磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)磁的本質(zhì)進(jìn)行深入思考，特別是從電與磁的相互聯(lián)系和相互作用的角度進(jìn)行思考。教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用安培分子電流假說(shuō)來(lái)解釋實(shí)際問(wèn)題，旨在強(qiáng)化學(xué)生的物理觀念，使他們能夠更深刻地理解電與磁之間的復(fù)雜關(guān)系。雖然磁生電的現(xiàn)象以及麥克斯韋方程組超出了本節(jié)課的講授范圍，但這樣的引入有助于學(xué)生形成更為準(zhǔn)確的物理觀念，即電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性。這樣的拓展能夠促使學(xué)生有意識(shí)地運(yùn)用電磁統(tǒng)一觀念來(lái)指導(dǎo)后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，從而加深學(xué)生對(duì)電磁學(xué)整體框架的理解。

3"總結(jié)

在學(xué)生腦海中形成物理觀念是一個(gè)長(zhǎng)期且持續(xù)發(fā)展的過(guò)程，而已形成的物理觀念也不是一成不變的。［2］通過(guò)不斷學(xué)習(xí)，學(xué)生已有的物理觀念必將得到進(jìn)一步完善，甚至被新的理解所更新。教師在教學(xué)時(shí)，應(yīng)充分重視前概念對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)新概念的潛在阻礙或促進(jìn)作用。因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)上，教師應(yīng)緊密圍繞學(xué)生的前概念，以此為基礎(chǔ)引導(dǎo)學(xué)生深入理解新概念，從而更有效地培育學(xué)生的物理觀念，并全面提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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