在科學探究中建構物理概念的意義
——淺析“規律—概念一體探究”教學模式

白振宇

(揚州中學教育集團樹人學校 江蘇 揚州 225002)

1 一體化探究模式的產生背景

1.1 概念教學的困難

物理概念是對物理客體的抽象與概括，是構筑物理“理論大廈”的“基石”，在學科知識體系中占有重要地位.然而,長期以來物理概念教學的狀況并不令人滿意，尤其是在一些核心概念的教學上，其困難主要表現為，在教的方面的“空降”現象，即教師無心或無法向學生展示概念建立的價值與內涵，只是將概念憑空地、囫圇地、自上而下地灌輸給學生；在學的方面的“空心”現象，即學生由于沒有獲得相關物理事實的支持，沒有獲得相應的抽象、概括、理清概念的內部思維過程的支持，只得將概念的學習褪化為鮮有理解的成份、純粹的記憶過程，他們雖然被動地“記住”了概念的定義，但卻普遍感到概念似乎是先驗地存在著，其生成是神秘和突兀的，是常人(包括自己)無法理解的.正是因為對概念缺乏深刻的認同，一旦面臨新的、較復雜的情境，就會不自覺地產生“認知背叛”.

1.2 概念教學困難的解決思路

建構主義學習理論認為，學習是對學習材料的主動意義建構，意義建構有賴于“學習情境”的支持.據此分析上述困難，不難發現造成學生概念建構困難的主要原因，一是難以顯示概念的內涵，即“概念是什么”；二是無法明示概念引入的必要性，難以說明“概念為了什么”.

學生要想完成對所學知識的意義建構，最好的辦法是讓學生到現實世界的真實環境中去感受、去體驗(即通過獲取直接經驗來學習)，而不是僅僅聆聽教師關于這種經驗的介紹和講解.縱觀物理學發展的歷程，不難看出，概念本身都是在科學探究活動中逐步生成、廓清和發展的，與科學探究有著“天生而必然”的聯系，探究過程就是實現概念意義建構最適宜的“學習情境”，所以應該可以將概念教學與科學探究有機地結合起來，來進行概念教學.基于上述思路，筆者設計并公開發表了一批“以探究方式實施概念教學”的典型案例[1～2]，并從中概括出一種概念教學的模式即“規律—概念一體化探究”(簡稱“一體化探究”)，下面略作介紹.

2 一體化探究模式的流程

為了更好地理解“一體化探究”模式，先從兩個教學案例說起.

【案例1】電阻概念的教學流程[1]

(1)演示實驗，引入課題

演示“導體對電流的影響”的實驗，引入進一步探究的課題——“導體的哪些因素會影響電流”.

(2)實驗探究，確定因素

完成猜想、設計、操作、概括等實驗探究環節，找出導體性質影響電流的因素.

(3)合并因素，建立概念

由于因素眾多，為方便后繼研究，應減少變量個數.師生共同討論，教師適時啟發：材料的性質、長短和粗細以及溫度對電流有影響可合并為“導體整體對電流的影響”，我們“自創”這一概念來表示這一影響.

(4)回味總結，彰顯價值

反思研究過程，回味電阻概念的生成過程，理解電阻概念的內涵，體會其價值.有了電阻概念，在進一步定量研究電流大小時，只須考慮兩個因素，即電壓和電阻，大大降低了后繼研究的難度.

【案例2】力臂概念的教學流程[2]

(1)見識杠桿，提出任務

見識常見杠桿(如翹翹板)，引導學生認識杠桿和支點、動力、阻力，但不介紹“力臂”.提出探究任務——探索影響杠桿平衡的因素和條件.

(2)剖析典型，初探規律

剖析典型杠桿，猜想、實驗，探究出平衡的初步條件：力與(支點到作用點)距離的乘積相等.

(3)揭示矛盾，深化探究

以實驗事實檢驗上述結論的普遍性，發現其不足，引發新一輪關于普遍平衡條件的探究.

亦可輔以理論分析，揭其“硬傷”——未包含力的方向這一影響平衡因素!

(4)啟發鋪墊，催生概念

學生猜想新因素以求得不同平衡狀況的同一解釋，不斷進行嘗試、檢驗、評價、再嘗試……教師通過力矩盤實驗、平衡初步條件和極端方向力進行啟發.直到學生生成力臂概念，發現平衡的普遍條件.

(5)回味反思，彰顯價值

反思“力臂”概念的生成、轉變和發展過程，回味它對普適平衡條件建立的重要價值，深刻體會為什么要建立力臂概念，及力臂為何是“點到線距離”，而非“點到點距離”.

從上述案例可看出一體化探究教學的基本流程.

2.1 創設情境，提出問題

教師運用多種方法，有目的創設一個生動、具體的場景，引導學生發現、澄清和表述出情境中蘊含的科學問題，為后繼的探究活動確定研究方向.所提出的問題可以是“規律”的直接表述，如“探究杠桿平衡的普遍條件”，也可以是“規律的個案化”轉述，如以“燈的亮度由什么決定”來導出電功率的概念.無論具體形式如何，問題都應導向對應的概念和規律，問題的解決應以概念的建立和規律的發現為基礎.問題設計的情境應貼近學生的生活，能為學生所理解；情境應具有新異性，以能激發學生的認知沖突，引發其強烈的探究“內驅力”為最佳.

2.2 經歷探究，初顯規律

經歷猜想與假設、實驗設計、實驗操作、收集證據、分析論證、評估交流等實驗探究環節，探討出初步規律.所謂初步規律是指規律所涉及的變量的性質、含義、名稱、適用范圍，變量間關系及其呈現形式等方面還存在某種程度的“模糊”，還有待明晰或深化.例如在比熱容的教學中，通過實驗發現物體吸熱的多少不但與質量、上升的溫度有關，還與物質自身有關.這里進行的探究還僅僅是一種質性研究，所得的僅是定性規律，此結論至少在“吸熱多少與上升溫度、質量間存在怎樣的定量規律”和“如何用數量表示物質自身的熱學性質”這兩方面還有待深化.

2.3 思維辨析，創生概念

這是概念創新的關鍵步驟，要引導學生分辨前述初步規律的種種不足，思考分析、推斷論證，提出辨析直至理清概念，完成新概念的定義，從而使初始規律得以升華.一體化模式中概念創生的方式通常有以下幾種.

(1)直接命名法

通過實驗探究，鎖定了與規律有關的新變量，且新變量的內涵已經清晰時，直接給新變量賦名生成概念.如在力臂教學中，當學生經過不斷實驗、反復嘗試，最終發現影響杠桿平衡的因素是“支點至力的作用線的距離”后，直接將這一新變量命名為力臂.

(2)推陳出新法

經過實驗探究形成初步規律后，若發現規律中雖未出現新變量，但出現了幾個原變量的新的固定搭配形態，在挖掘、理清固定搭配的物理意義后，予以命名而形成新概念.如通過實驗探究和(或)理論推導后，發現各種機械(杠桿、滑輪、斜面等)省力的必費距離，費力的必省距離，完成同一工作時力與距離的乘積大致相等.在進一步明確“距離是(受力物)在力的方向上移動的距離”后，將此乘積命名為功，從而生成功的概念[3].

(3)定量表征法

經過實驗探究獲得與規律相關聯的新定性概念后，再進一步探索出定性概念的量化表征(或測量)的方法，使概念從定性升格為定量(物理量)，進而生成新概念.如在比熱容教學中，在獲得前述初步規律的基礎上，再通過理論探索，尋找到以“1 kg某種物質溫度上升1℃時所吸收的熱量”來定量表征“影響物體吸熱多少的一個變量——物質自身的熱學性質”的方法后，完成比熱概念的量化定義，實現概念創新.

2.4 重組規律，解決問題

應用所生成的概念，重新歸納、概括和組織規律的內容，重新審視、更加深刻地理解規律的意義、價值與適用范圍，愈加精確地表述規律.并應用概念、規律解決(或解釋)相關問題，同時在規律的應用中進一步加深對概念的意義和價值的理解.)

2.5 回味對比，彰顯價值

回味問題解決的整個教學過程，包括概念的發展過程(生成、廓清和轉變)和規律的發展過程(從模糊到清晰，從定性到定量，從特殊到一般).對比概念建立前后，人們對事物認識(知識層面)的深刻程度的不同，對比概念建立前后，人們研究或解決相應問題的難易(方法層面)不同，使學生從中明了“概念為了什么”，彰顯概念建立的價值.

3 一體化探究模式的適用范圍

一體化探究教學將規律的發現與概念的建構有機地組合在科學探究過程中，教學內容多，課堂容量大，概念的發展過程展示充分，但教學耗時相對較長，比較適合于那些內涵與日常生活相距較遠，或其建立價值不夠直白，必須與相關的規律相聯系方可顯示的概念的教學.一些內涵明顯、價值直白的概念，如“速度”(內涵：單位時間內通過的路程；價值：定量表示運動的快慢)，則不必運用此模式.

4 結束語

一體化探究教學充分利用了“概念”與“規律”間固有的本質聯系，遵循了兩者間相互依賴、彼此支撐、共同建構這一“知識創新”的基本邏輯，為我們提供了概念教學的一種新思路.目前筆者已應用此模式進行了“力臂”、“電阻”、“電功率”、“比熱容”、“(機械)功”等概念的教學，取得了良好的效果.由于篇幅的限制，有關“規律—概念一體化探究”模式更深層次的問題(如模式的結構、設計原理、功能優勢和實施要領等)有待進一步研究解決.

參考文獻

1 白振宇. 在科學探究中建構電阻概念的教學嘗試與啟示. 中學物理教與學，2009(3)：7

2 白振宇.“力臂”教學的真正突破口在哪里.中學物理教學參考，2007，36 (4)：61

3 劉炳升，李容. 義務教育課程標準實驗教科書物理·九年級上冊.南京：江蘇科學技術出版社，2008.15