還原概念建構情境揭示科學思維過程

【關鍵詞】概念建構情境 科學思維 過程

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2012）10B-0057-02

數學家華羅庚對他的學生這樣說：“學習數學，最好是到數學家的字紙簍里去找材料。”其實，學習物理又何嘗不該如此。這些字紙簍里的草稿紙上記錄著探索發現的艱辛歷程，蘊藏有科學家卓越的智慧、深邃的思想、嚴密的思維。

以觀念建構為本的物理教學理論的核心是：物理學科的基礎概念、基本規律和物理學科特有的認識論、方法論、思維論是物理學科的基本觀念，教學活動應以幫助學生建構這些基本觀念為目標而展開。因此，在物理概念的教學過程中，教師要創設與物理概念產生、建立和發展相似或者相同的情境，引導學生經歷物理概念建構的過程，體驗科學家的邏輯思維，汲取他們的智慧，不斷提升學生的思維能力，培養學生的思維品質。簡單地說，就是采用“還原概念建構情境”的教學策略來充分揭示概念建構的科學思維過程。現結合電場強度的教學實踐予以說明。

現行的人教版高中教材《物理》（選修3-1）是這樣描述電場強度概念的建構的：“我們不能直接用試探電荷所受的靜電力來表示電場的強弱，因為對于電荷量不同的試探電荷，即使在電場的同一點，所受的靜電力也不相同。然而，人們會很自然地想到，如果把一個很小的電荷q1用做試探電荷，它在電場中的某個點受到的靜電力是F1，另一個同樣的電荷在同一點受到的靜電力一定也是F1；現在把兩個這樣的電荷一同放在這里，它們總的電荷量是2q1，它們所受的合力很可能就是2F1。依此類推：三個這樣的電荷放在這里，電荷量是3q1，受到的靜電力可能是3F1……也就是說，試探電荷在電場中某點受到的力F很可能與試探電荷的電荷量q成正比，即F=Eq ，式中E是比例常數，與試探電荷q無關。實驗表明，我們的推測是正確的：試探電荷在電場中某個點所受的力，的確與試探電荷的電荷量成正比。實驗還表明，在電場中不同的點，F=Eq中的比例常數E一般說來是不一樣的，它反映了電場在這點的性質，叫做電場強度。根據F=Eq，我們知道■。”

課堂上，如果按照教材的描述進行教學，絕大部分學生會產生思維障礙，不能順利地建構電場強度概念。學生“只知其然，而不知其所以然”，即只知道■是常數，而不知道為什么要將F與q相比。這是因為，教材對于建構電場強度概念的描述存在缺陷，沒有指出為什么物理學家會想到用電場力F與試探電荷的電荷量q的比值來定義電場強度E。難道就是因為它們的比值是一個常數嗎？顯然不是，采用比值定義法定義電場強度E的根本原因是，比較各點電場的強弱必須采取相同的標準，而電場力F與試探電荷的電荷量q的比值滿足了這一要求。因此，教學需要解決的關鍵問題是：如何引導學生領悟必須在相同的標準下用電場力的大小來做比較， 即領悟為什么要用■定義電場強度E。對此，教材中只是簡單地說：“人們會很自然地想到……”實際上學生真的會很自然地想到嗎？

筆者從以觀念建構為本的教學理論出發，將電場強度概念建構情境與速度概念建構情境相類比，巧妙地還原了電場強度概念的建構情境，在充分揭示概念建構的科學思維過程的同時，引導學生的思維活動，使學生主動參與概念的建構，有效避免了思維障礙的產生。教學的具體過程如下：

教師：把同一試探電荷q放在場源電荷Q產生的電場中的不同點，電荷q受到的電場力F的大小一般是不同的，這說明了什么？

學生：這說明了電場中不同點的電場強弱一般不同。

教師：我們能否直接用電場力F的大小來表示電場的強弱呢？為什么？（讓學生討論后回答）

學生：不能，因為不同的電荷q放在電場中的同一點所受到的電場力F的大小是不同的。

教師：（給予學生肯定）其他同學還有補充嗎？

學生：還存在這樣的情況：如果在距離場源電荷Q近的A點放一個電荷量較小的試探電荷q1，而在距離場源電荷Q遠的B點放一個電荷量較大的試探電荷q2，會有可能出現q2受到的電場力大于q1受到的電場力，進而得出距離場源電荷Q遠的B點電場較強的錯誤結果。

教師：既然這樣，我們就需要建構一個新的物理量來方便地描述電場的強弱。同學們，我們先來完成這樣一道思考題：劉翔110米跨欄跑的最好成績為12？郾88秒，楊揚500米短道速滑的最好成績為44？郾19秒，他們倆誰更快？

學生：（恍然大悟）可以用電場力F與試探電荷的電荷量q的比值來比較電場中不同點的電場強弱。

教師：為什么？

學生：就像速度這個比值那樣，速度表示單位時間內通過的距離。這里的比值表示單位電荷所受到的電場力。比較比值，就相當于比較同一試探電荷q在場源電荷Q產生的電場中不同點受到的電場力的大小。因此，該比值能夠描述電場中某一點的電場強弱。

教師：以點電荷Q形成的電場為例（如圖1），分別在與點電荷Q距離為r的A點和與點電荷Q距離為2r的B點放置不同電荷量的正試探電荷，若電荷量為q0的試探電荷在A點所受電場力大小為F0，請同學們根據庫侖定律求出電荷量不同的其他試探電荷所受的電場力并填入表1中，并根據填表結果分析比值的特點。

表1 試探電荷在電場中不同位置受到的電場力的大小

學生：（填表后發現）電場中同一點，電場力F與試探電荷的電荷量q的比值相同，是一個常數；電場中不同的點，電場力F與試探電荷的電荷量q的比值一般不同。

教師：比值的這一特點說明了什么？

學生：這個比值是一個與試探電荷q無關的量，它由場源電荷Q與電場中的位置決定，即只與電場本身的屬性有關。這個比值的大小，反映了電場中不同位置的場的強弱，能夠表征電場的力的性質。

教師：所以，物理學家就把試探電荷在電場中某點受到的電場力F與電荷量q的比值，定義為該點的電場強度E，寫成公式是■。

物理知識的建構具有個體性和情境性。個體學生只有在一定的情境中經歷物理知識建構的過程，才可能真正地理解并掌握知識。沒有經歷物理知識建構的過程，學生就不可能真正理解物理學的氣象恢宏，不可能真正感受到物理學的科學美，更不可能開啟物理思維的大門。

（責編 王學軍）