試論物理概念教學中的過程與方法策略

郭拯

(慈溪市教育局教研室 浙江 慈溪 315300)

物理概念是整個物理學知識體系的基礎，“是在大量觀察、實驗的基礎上，運用邏輯思維方法，把一些事物本質的、共同的特征集中起來加以概括而形成的.”概念教學是物理教學的核心內容，教學效果直接決定了學生對物理知識的認知程度，是學生構建知識網絡的關鍵.在概念教學中是否真正落實“過程與方法”，依然是課堂教學存在的主要問題.

考查概念的形成，“過程與方法”主要包括三方面:第一，在具體的物理情境中獲取必要的感性認識；第二，通過復雜的思維過程理解新事物，再用數理方法表達概念；第三，在解釋現象或解決問題中運用科學方法，不斷加深認識和理解.學生形成、理解和掌握物理概念是個十分復雜的過程，現以“功”的教學為例，談談其中的教學策略.

1 情境感知與體驗活動

情境感知與體驗活動是物理概念形成的基礎.課堂教學情境的創設要從為什么引入“功”的物理概念角度展開，讓學生在分析、探索中意識到引入新概念的必要性，從而進一步生成“如何定義新概念”的物理思考.這一環節的教學設計包括情境感知、觀察分析與提出問題等幾個方面.教學過程中提供的感性材料要有針對性，使學生的前概念或初始概念逐步向物理概念轉化.

(1)情境感知

1)以生活中的實例逐漸豐富有關功內涵的表述.“在認識能量的過程中，人們……那么這個力一定對物體做了功.”教學設計中，以教材中的幾個實例或更加貼近學生生活的其他實例(視頻)為載體進行概念學習的情境感知.

2)情境分析中要把握、提煉三個要素:

第一，在力的作用下，物體的各種形式的能(如動能、勢能)發生了變化；

第二，物體在力的作用下，在力的方向上移動了一段距離，讓學生體會做功的過程是力對空間的累積過程；

第三，通過能量變化與做功關系的普遍性，明確學習“功”概念的必要性.

(2)觀察分析

在情境感知基礎上，進行物理現象的探討，為功的內涵理解作好輔墊.如以某學生舉啞鈴為例，完成演示情境的四個層次.

1)人舉著啞鈴靜止不動；

2)人舉著啞鈴水平運動；

3)人將啞鈴從低處舉到高處；

4)啞鈴越重或舉得越高.

讓學生有目的地觀察、分析人對啞鈴的做功情況.

(3)提出問題

1)以情境感知、觀察分析為基礎，認識初始概念“功”的基本內涵.思考下列問題：第一，做功的過程需要什么條件？做功跟哪些因素有關？第二，如何定義功？如何正確理解功的初始定義式？以簡潔的板畫圖示，描述上述過程，明確做功的幾個要素.

2)回顧復習初中物理教材中關于功的概念.結合上述舉啞鈴問題，建立圖1與圖2情境，分析幾種特殊情況下力做功的表達形式.在此基礎上，讓學生舉例說明生活中相關事例，體會機械功的兩個必要因素和初始定義.

圖1

圖2

3)進一步辨識功的初始概念，深化功能關系.如，在人舉著啞鈴穩定后的3 s時間內，盡管學生認為不做功，但還是心存疑惑.“不是說物體在力的作用下能量發生了變化，那么這個力一定對物體做了功嗎？難道該同學在這3 s內沒有消耗更多的能量嗎？如果說消耗了更多的能量，怎么能說人對啞鈴沒有做功呢？”質疑目的在于讓學生進一步明確研究對象，并從能的角度理解力做功的含義.

再如，如果人舉著啞鈴，將啞鈴從高處移到低處，人對啞鈴的作用力對啞鈴做功嗎？問題設計的目的在于為負功的理解埋下伏筆，留下懸念.

情境感知與體驗活動的目的在于還原概念形成的基礎，“讓學生站在問題開始的地方，面對原始的問題”，沿著前人思維活動的足跡重演知識的產生與發展過程，發現、體驗、掌握形成概念的方法，從感性認識上升到理性認識.

2 概念形成的系統邏輯結構

系統邏輯結構的構建是物理概念形成的關鍵，是依賴于知識邏輯序列和學生認知結構的科學抽象過程.這一環節的教學設計包括內涵表述;物理意義與數學表征和與原有知識結構的整合、拓展等幾個方面，讓學生在新的學習過程中，不同程度地提升、更改或重組頭腦中的已有概念，從而構建內在的知識結構.

(1)內涵表述

“功”概念的建立是以已有知識為基礎，運用邏輯和數學的方法，經分析、綜合、再抽象建立起來的，實驗觀察并沒有直接作用，它建立的重點是邏輯方法和數學方法.所以“功”內涵建立的教學可做如下設計.

1)理解初中關于功的表述形式，W=Fl.重點說明l的含義，從物體走過的距離過渡到物體的位移，明確F與l的物理意義.

2)實驗演示.用細線斜向上拉小車，使小車在軌道上運動，建立如圖3所示的情境.研究在一般情況下，力F與位移l之間夾角為α時，力F所做的功.

圖3

3)組織學生討論，提出解決的思路和方法——力的分解方案或位移分解方案，并放手讓學生進行推理，進而得出W=Flcosα.

(2)物理意義與數學表征

功的定義式和計算公式都是用數學公式W=Flcosα來表示，將數學和物理結合起來解決問題是理解功內涵的關鍵.

圖4

1)探討W=Flcosα數理內涵.以某一具體事例，如教材中的兩幅卡通圖(圖4)中，探討力F與位移l的夾角α不同時，讓學生發現在什么情況下是正功，什么情況下是負功.這樣，既熟悉了功的公式又能分析“做功的正負”，而不是僅僅停留于對物理公式的數學討論.

2)引導學生做小結，使學生理解在什么情況下力F做的功最大，什么情況下不做功.將特殊情況下的結論納入一般情況的結論，使學生構建一個良好的知識結構.

(3)與原有知識結構的整合和拓展

功的知識結構包括功率、動能定理、機械能守恒定律、功能關系等.在教學中應將功的性質的教學置于其知識結構中，根據學生的理解和教材的逐步深入，一一展開.

1)“功是標量還是矢量”問題探討.功的屬性是該節教學的難點，也是學生正確認識功能關系的關鍵.教學設計中突破該難點采用的方法是先引導學生思考與討論；然后根據學生的回答因勢利導，用歸謬法引申論證；最后運用實證加以內化鞏固.

如：學生的回答是矢量.

師：你認為功的方向由什么決定？

生：由力的方向決定.

師：如果我規定力的方向為正方向，功的方向也應為正方向，表現為“正值”，是不是？

……

師生共同分析圖5情境，根據功的計算公式，可分析得出功為負值，因此產生疑惑，形成矛盾.此時再設計問題，提示學生回到功的原始定義，從能的變化上認識功的屬性.

圖5

2)功的正負含義探討，整合與之相關的物理含義.師生的討論從功的“+、-”符號的出處切入展開討論，然后建立實驗演示情境：

(a)在氣墊導軌上，小車在拉力的作用下，運動得越來越快；

(b)在氣墊導軌上，小車在與速度反方向拉力的作用下，運動得越來越慢.

分析“力F與位移l方向的夾角α的不同，將對物體運動產生怎樣的不同效果”.揭示拉力對小車所做功及產生的不同運動效果.

“功的正負”在公式表面上看是源于夾角的不同，由于夾角的不同，力對物體的運動產生不同的效果，即阻礙或促進物體的運動.功的正負說明的是力做功性質的不同，表示能量轉化的方向，并不是代表所謂的“功的方向”.

整合學生以前所學物理量中相關標量的知識，如熱量的正負、電荷的正負等都表示性質，又如高度、溫度等表示相對大小問題.

3)合力做功的問題.教材采用了直訴的方法(略)，通過“做一做”讓學生進行證明.教學中若直接按此方案，缺乏讓學生感悟知識的形成過程.所以，可以在教學設計中以某一具體事例，在應用功的公式解決問題中，發現、感悟、提煉出求總功的方法.

圖6

例如，圖6情境中，在一個傾角為α的斜面滑梯上有一質量為m的小孩，恰好能沿斜面勻速下滑，已知小孩在斜面上下滑了l.

(a)分別求出小孩所受的重力、支持力、摩擦力做的功.

(b)小孩受到的合力多大，合力做的功是多少?

讓學生發現在一個過程中“合力所做的功與各個力所做的功的關系”，并點明在功的計算公式的推理中，其實已隱含了這一思想，并進一步說明功是“標量”.

4)變力做功的問題.對于W=Flcosα，僅適用于大小和方向均不變的恒力做功，建議此點可留待以后的學習中逐步加深.教學的設計，以一個具體實例為后續內容的學習埋下伏筆，如“壓縮的彈簧將物體彈出，如何研究該過程中彈力所做的功呢？”

概念的數理邏輯結構建立是一個不斷螺旋上升的過程.教學過程應以學生原有的知識結構作為新知識的“生長點”，將所要學習的知識“生長”到學生已有的認識上.在生成顯性概念知識的同時，也生成了隱性的思維方法.

3 概念教學的科學方法

一個物理概念或物理規律形成的同時，必然存在著與之相對應的科學方法的形成.在教材中，或現顯性，或存隱性，但更多的是隱性地存在于教學內容的邏輯結構中.所以，疏理、把握概念教學的科學方法就涉及到“教材邏輯解構、概念形成的科學方法和教學邏輯中的科學方法生成”等幾個層面.

(1)教材邏輯解構

功概念建立的情境感知，沿著初中物理的思路，在對大量機械工作實例進行分析的基礎上，運用分析和綜合方法，具體到一般的科學思維方法，在能量變化的知識背景中，分析能量變化的原因，從而抽象出功的定義.

(2)概念形成的科學方法

從功的初始定義到數理邏輯結構的建立，教學的情節經歷了由特殊到一般的探究思路.先分析力與位移同方向，再逐步深入到力與位移成某一角度時的做功探究，其中涉及到兩種矢量分解方法的運用.探討“功的屬性”和“合力做功的求解”時，將特殊的情況又納入一般情境中.在計算式的討論中充分運用了數學方法；在功的性質探討時運用了歸謬法；在變力做功的研究中，將會用到“微元法”和“化曲為直”等方法.

(3)教學邏輯中科學方法的生成

教學邏輯中的科學方法的生成要適合教學邏輯的發展.如功的兩個要素是“力和在力的方向上發生的位移”，即將位移在力的方向進行分解.而教材在后面定義“功”的過程中，卻是用力的分解方法，讓人覺得前后似乎不一致.所以，從這一教材邏輯結構的解構，要意識到“位移分解方案”建立在初始概念的基礎上.運用“力的分解方案”推證做功的一般式，隱含在其中的是“功是標量”這一屬性，即“分力做功的代數和等于合力所做的功”這一重要思路.

又如，教材引入的“功”的概念并沒有很好體現“功是力對空間累積效應”這一思想，這樣也就很難說明“功為什么是力與力方向上的位移的乘積”.所以，對做功的過程性分析要逐步滲透，如全過程力所做的功是各分過程所做功的和，乃至于當位移趨于極小時，等于各微元功之和，教學中要理清概念內在的邏輯本質.

“科學認識的主要成果就是形成和發展概念”，教學設計要站在科學方法的高度設計教學的“過程與方法”，使學生在逐步理解中掌握這些科學方法.教師對此不僅應有自主的分析與設計意識，并要以此為綱，引領教學情節的逐步深入，從而達到在建立新概念的過程中，將科學方法內化為學生的思維方式和行為方式，使“過程與方法”這一維度的目標真正落實.