新課程背景下建立物理概念科學思維方法的研討*

(上海師范大學數理學院物理系　上海　200234)

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新課程背景下建立物理概念科學思維方法的研討*

(上海師范大學數理學院物理系上海200234)

摘 要：概念是人類科學思維的最基本單元．概念的內涵和外延之間呈反變的邏輯關系．中學物理新課程強調科學思維方法教育，因為，影響物理概念教與學效率的關鍵因素是科學思維方法的恰當運用．根據這個思想，本文研討了如何應用科學思維方法，來建立物理概念，其中包括物理教師必須針對不同類型物理概念的特點，有意識地運用相應的科學思維方法，引導學生進行實驗、分析、綜合、歸納、類比、概括、抽象、演繹和理想化等.最后，落實于物理概念的定義，強調闡述了比值定義法的意義．

關鍵詞：物理概念科學思維方法實驗歸納方法定義法

概念是人們對事物本質的認識，是邏輯思維最基本的單元和形式．概念既具有客觀屬性，又具有主觀屬性．其客觀屬性是指概念的對象是客體，是客觀的，其主觀屬性是指概念的定義是主觀的，隨人們認識事物本質的程度、深度或目的不同而不同．概念是理性認識的第一階段．概念的建立必須借助于感性的材料、理性的邏輯思維方法．科學思維方法作為物理學研究和發展的邏輯工具，為物理學提供了建立物理概念(發現規律、形成物理原理和提供實驗探究和檢驗)的根本途徑，同時，也是物理學技術應用的必由之路．物理教師必須針對不同類型物理概念的特點，有意識地融入相應的科學思維方法，引導中學生追憶物理學的思維發展歷程，恰當地運用實驗、分析、綜合、歸納、類比、概括、抽象、演繹和理想化等方法，才能真正激發其物理學習動機，從根本上改變中學生物理學習的被動局面，有效地培養中學生科學思維能力，有效達成物理概念教學的目標．

1物理概念的特點

物理概念是自然科學基本概念的一個子范疇，所以，物理概念既有一般自然科學概念的共性，又有其自身的個性，根據物理學本身的特點，物理概念特性可以概括為：其一是確定性，即物理概念是從同一類物理現象中概括和抽象出來的，其反映了物理研究對象的本質屬性和內在聯系，而這種本質屬性和內在聯系是物體固有的客觀存在，因而具有確定性，這種確定性是客觀性和主觀性共同作用的結果；其二是抽象性，即物理概念的起源與物理的感性經驗、實踐內容和原有物理基礎有關，但是又不能從感性經驗邏輯地推導出來.既與具體客體和過程(比如，必須借助于觀察實驗和歸納方法)有密切聯系，但又超越了具體的客體和過程(比如，必須借助于分析、綜合和概括方法)，最終形成物理概念；其三是階段性，根據中學生的思維特點和學習能力，物理概念隨著學生物理知識掌握的不斷增加，物理問題研究的不斷深入而不斷地變化和發展，即一個完整物理概念的形成需要一個發展過程．

因此，物理新課程改革順應新時期對青少年科學素養教育的時代要求，努力貫穿辯證立體的“觀察與實驗→假說→科學方法→反復曲折→數學工具→物理學理論→實驗檢驗→技術應用→新課題……”邏輯鏈條不斷發展，蘊含了豐富的科學方法教育元素．

2物理概念的內涵和外延

按照邏輯學的原理，概念不僅有明晰的內涵，而且必須限定其確定的外延，同時，概念的內涵和外延之間呈現反變的邏輯關系．

(1)物理概念的內涵

(2)物理概念的外延

物理概念的外延就是適合于那個概念的一切對象的范圍．例如，重力、彈力、摩擦力、靜電力、洛倫茲力、浮力、壓力、支持力、下滑力、張力等等的全體，就是“力”概念的外延．同樣在“機械運動”概念的外延中，包含著一切類型的機械運動，如勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、豎直上拋運動、平拋、斜拋、圓周運動和機械振動等．

(3)概念的內涵和外延之間的反變關系

概念的內涵和外延除了相互依存，同時又是相互制約的．一方面，概念的內涵確定了，在一定條件下，概念的外延也跟著確定了；另一方面，概念的外延確定了，在一定條件下，概念的內涵也就跟著確定了．邏輯學研究表明：概念內涵的多少與概念外延的寬窄存在著反變關系：即如果一個概念的內涵屬性越少，其外延就越大；反之亦然．例如，機械運動：“我們把一個物體相對于另一個物體的位置變化叫做機械運動”；直線運動：“運動路徑是直線的運動叫做直線運動”；勻速直線運動：“物體沿直線運動時，在相等時間內通過的路程相等，這種運動稱之為勻速直線運動”．不難看出，機械運動→直線運動→勻速直線運動，其內涵在增加，而外延則在減小，這就是概念的內涵和外延之間的反變關系．再比如，力→摩擦力→滑動摩擦力，其外延也是隨著內涵的增加而減小．等等，請讀者自行分析考察．

3科學方法指導下的物理概念的構建模式

根據物理概念性質不同，物理概念建立的過程不僅需要借助于截然不同的科學思維方法，而且觀察和實驗的“情景材料”不同、呈現的程序不同、認知的難易度不同，其教學模式也有比較大的差別．

3.1理想化方法

理想化方法的思維特點是忽略或摒棄原型中的次要因素，集中突出原型主導因素，突出主要矛盾．

(1)理想化方法的思維特點

首先，理想化方法具有客觀性．理想化的研究對象是客觀的物理事實，是客觀物質對象的確定屬性的反映；經過理想化方法加工的客觀物理事實，必須能夠突出物理事實的客觀本質特征．其次，理想化方法具有絕對性．在進行理想化方法加工時，必須忽略或摒棄原型中的次要因素，必須集中突出原型主導因素，否則，就不可能突出主要矛盾，模型就不是理想的，理想過程不可能形成，理想實驗不可能實現．比如，作為經典力學基礎的慣性定律，不可能直接從現實的具體實驗中得出，伽利略必須借助于“理想實驗”的邏輯推論，才能夠得出定律的絕對表述．第三，理想化方法具有相對性．即理想模型、理想過程和理想實驗必須實踐于特定環境的具體物質運動．不同的運動環境，對研究對象的要求不盡相同，也就是異化了理想化方法的絕對條件，放寬了思維加工的嚴密性．而且，理想化方法不可能完全地進行到底．比如，無論是萬有引力定律還是庫侖定律，當其適用對象的“質點”或“點電荷”之間的距離趨于零時，兩個定律就都不能成立了．

(2)理想化方法建立物理概念的教學模式結構

物理教學中理想模型方法的應用主要有3種形式：理想模型、理想過程和理想實驗．“理想模型”是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體．實際的物體都是具有多種屬性的，當我們針對某種目的，從某種角度對某一物體進行研究時，有許多對研究問題沒有直接關系的屬性和作用卻可以忽略不計．“理想過程”就是傳質阻力又可不計的物理狀態演化過程．比如，簡諧波的傳播過程和準靜態的等值過程等． “理想實驗”又叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法．

3.2實驗歸納概括抽象——實驗舉例方法

(1)實驗舉例方法的思維特點

實驗舉例方法的思維特點是先運用枚舉方法，對多個感性材料進行分析、概括和抽象，得到其本質屬性，然后給出文字表達及其(物理量)定義式．再分析和說明其物理意義(質和量)和適用范圍；并與有關概念對比分析；最后明確它們之間的區別和聯系．其思維流程可以簡化為：提供感性材料→歸納事例特征→概括共同特征→抽象本質屬性→表征定性定義(文字表達)→演繹定義式(物理量)→討論物理意義(質和量，單位，測量方法)→ 確定適用范圍→對比應用(有關概念的區別和聯系)→解決物理實踐問題等．

(2)實驗舉例方法建立物理概念的教學模式結構

關于“機械振動”概念的建立．

第一步是提供感性材料——舉事例．

事例1：豎直的擺動，用單擺裝置演示，突出擺動特征；(注意：不是研究單擺模型)．

事例2：水平的擺動，用橡皮筋穿過一個乒乓球演示，突出擺動特征；

事例3：點的擺動，用手壓住塑料米尺的一段．撥動另一端，叫學生們一起做．突出擺動特征；

第二步是找特征——找共性．即，在以上3個事例中尋找.

事例1：豎直的擺動，單擺球在做往復運動；

事例2：水平的擺動，乒乓球在做往復運動；

事例3：塑料米尺的一端在做往復運動；

找到的共性1是“往復運動”；則3個事例演變為：

事例1：豎直的擺動，單擺球在豎直位置做往復運動；

事例2：水平的擺動，乒乓球在水平位置做往復運動；

事例3：塑料米尺的一端在鋼錠位置做往復運動；

找到的共性2是“平衡位置”；則3個事例進一步演變為：

事例1：豎直的擺動，單擺球在豎直位置附近做往復運動；

事例2：水平的擺動，乒乓球在水平位置附近做往復運動；

事例3：塑料米尺的一端在鋼錠位置附近做往復運動；

找到的共性3是“平衡位置附近”.

第三步是歸納、概括——共性——共同特征．歸納3個事例共性；忽略原型的次要因素，集中突出原型主導因素，摒棄次要矛盾，突出主要矛盾．概括出一般性共性——共同特征．3個事例的運動物體(單擺球、乒乓球、塑料米尺的一端)都是在某一平衡位置附近做往復運動．

第四步是抽象本質特征.某一物體(單擺球、乒乓球、塑料米尺的一端)都是在某一平衡位置附近做往復運動．

第五步是下定義——文字表達．定義：我們把某一物體在某一平衡位置附近的往復運動叫做機械振動．

3.3演繹教學模式建立物理概念

(1)演繹方法的思維特點

演繹，是以一般概念、原則為前提推導出個別結論的思維方法，即依據某類事物都具有的一般屬性、關系來推斷該類事物中個別事物所具有的屬性、關系的推理方法．

(2)演繹方法建立物理概念的教學模式結構

物理學的發展離不開數學，數學是研究和解決物理問題的工具．依據新知識→舊知識→邏輯關系，采用數學的方法從舊知識中得到新知識．比如，關于“沖量”的概念的建立．由牛頓第二定律出發

通過數學演繹

FΔt=mv2-mv1=p2-p1

即只在數學方法上進行了恒等變換，但是其物理上實質就發生變化：牛頓第二定律的狀態“時刻”“瞬時力”演繹出了過程“時間間隔”的“沖力”，進而引入了過程量新概念“沖量”，通過對動量變化量的討論，在明確“沖量”的物理意義的基礎上，逐步領會物理過程量的物理本質．

3.4實驗探究教學模式

(1)實驗探究教學模式的思維特點

實驗探究的教學模式就是課程標準提出的科學探究模式——按照7個要素進行．通常是在教師的指導和幫助下，讓學生實際動手進行實驗，使學生經歷與科學工作者進行科學探究時的相似過程，這種教學模式重在探索的過程，重在體驗科學探究的樂趣．

(2)實驗探究建立物理概念的教學模式結構

實驗探究教學模式的基本實施途徑即是應用變量控制方法，其具體結構就是科學探究(關于該教學模式的研究成果已經很多，本文不再贅述)．

3.5類比教學模式

(1)類比的思維特點

類比方法就是運用比較的途徑和邏輯推理的方法探究兩個或兩類事物某些方面相同或相似特性的相同點．類比方法的目的是要尋找未知的某些必然的聯系．從操作層面上，類比是一種主觀的不充分的似真推理．雖然類比方法的邏輯論證過程只能夠限于合情推理本身(而且合理推理只是得出合情的聯系)，但是，它卻給予人們獲得新思路新發現的一種觀點、手段和方法，所以，它對于科學研究和創新思維能力的培養都是很重要的．

(2)類比方法建立物理概念的教學模式結構

傳統類比結構可以歸納為兩類．其一，特殊→特殊；比如，機械波具有干涉和衍射的特性，光也有干涉和衍射的特性，所以光具有波動性，等等．其二，一般→一般；比如，電生磁、磁生電；電壓和水壓進行類比，靜電場與重力場保守特性的類比，等等．實際上，在物理概念教學中的類比，不僅具有豐富多彩的形式和結構，而且具有多重的教學功能．比如，遷移思維類比：勢阱和勢壘類比原子的能級結構，可以清晰和量化地表征原子的能量狀態；經典概念的對照類比：機械振動類比電磁振蕩，可以有效地降低學習難度；物理假說類比：電磁波類比引力波，可以激發學生探尋物理世界的遠景動機；實證類比：講授盧瑟福的原子散射實驗，以太陽系類比原子的核式結構，可以淺顯地呈現原子的結構；對稱思維類比，光的波粒二象性類比物質波，促使學生自然而然地理解德布羅意波的概念，等等．因此，新課程物理概念教學運用類比方法能啟發和開拓中學生的思維，提供建立物理概念的線索，有效縮短概括抽象的思維進程，加快形成概念的思維成熟速度．

4物理概念的定義方法

定義就是對于一種事物的本質特征或一個概念的內涵和外延所作的確切表述．定義的要求是對認識主體使用判斷或命題的語言邏輯形式，確定一個認識對象或事物在有關事物的綜合分類系統中的位置和界限．定義的邏輯程序是：基于實踐和邏輯方法得出基本概念，然后借用形式邏輯來導出概念．就物理學的概念來說，物理概念的定義，一般是揭示概念內涵．所以，對于基本物理概念，其定義的邏輯程序首先是基于實踐(觀察、實驗)，然后通過邏輯方法(概括、抽象等)，人為規定之；對于物理導出概念，其定義的邏輯程序首先是借用已知的基本物理概念，采用形式邏輯方法進行之．

4.1基本概念物理量的定義方法

如上所述，基本物理概念定性定義的思維操作程序是：舉例→分析→概括→抽象→形式邏輯→下定義．

(1)定性定義

運用實證和邏輯方法人為規定物質或運動的某一基本的屬性．比如，“長度”是指丈量空間距離上的基本單元，是人類為了規范長度而制定的基本單位．其國際單位是“米”(符號“m”)，常用單位有毫米(mm)、厘米(cm)、分米(dm)、千米(km)等等．長度單位在各個領域都有重要的作用．又比如，時間是物理學中的7個基本物理量之一，符號t．在國際單位制(SI)中，時間的基本單位是秒，符號s．等等．

(2)定量定義或操作性定義

4.2基本物理概念的定性定義

基本物理概念的定性定義必須借助于形式邏輯方法．形式邏輯定義法最有代表性的是所謂的“種差+屬”定義方法，即把某一概念包含在它的屬概念中，并揭示它與同一個屬概念下其他種概念之間的差別．這里先介紹邏輯學關于“分類”的幾個概念．一是關于“種”和“屬”的規定(也是定義)：按照分類方法，其大類稱之為“屬”，該“屬”包含的幾個小類稱之為“種”，上一級種是下一級屬．二是關于“種差”的規定(也是定義)：在屬概念之下的其他并列(注意，一定是要并列，屬種關系是不能構成并列的)的種概念所反映的對象的差別，即種差；三是“臨近屬”的規定，即與這一概念最靠近的“屬概念”.比如，“力”是“各種力”的臨近屬；四是“種”之和應當是“屬”的全部(外延)．

(1)種差加臨近屬定義法

種差加臨近屬定義又稱真實定義或實質定義．定義項是由被定義概念的鄰近的屬和種差所組成．它的公式是：被定義項=種差+鄰近的屬．運用該方法下定義時，首先應找出被定義項鄰近的屬概念，即確定它屬于哪一個大類，然后，把被定義項所反映的對象同該屬概念下的其他并列種概念進行比較，找出被定義項所反映的對象不同于其他種概念所反映的對象的特有屬性，即尋找種差，最后把屬和種差有機地結合起來．比如，“只用數值就能完全確定的物理量稱為標量”．這里的“物理量”是“標量”的臨近屬，“只用數值就能完全確定”是“標量”相對于其他“物理量”的種差．又比如，“反應過程中有電子轉移的反應稱為氧化還原反應”．這里的“反應”是“氧化還原反應”的臨近屬，“反應過程中有電子轉移”是“氧化還原反應”相對于其他“反應”的種差．找到了臨近屬和確定了種差，定義也就容易得出了．種差加臨近屬定義法應當滿足以下4條規則：其一，屬概念和種概念的外延要相應相稱．即“外延不能過窄或過寬；其二，并列的概念一般不應是否定判斷．比如，“摩擦力不是重力”，這樣表述毫無意義；其三，構成屬種關系的概念不能倒置(有時可以順置，比如，可以說“摩擦力是力”，但是不能說“力是摩擦力”)；其四，“種差”應盡可能詳細確切．

(2)詞語定義法

其一，內涵定義法：即運用學科詞語列出被定義概念的本質屬性．比如，“機械運動：一個物體相對于另一個物體位置的變化”．這里運用物理學的學科術語明確列出了機械運動的兩個基本屬性：位置的變動；有相對性．其二，外延定義法: 列舉概念所指事物的范圍——優缺點．比如，“機械能的定義：物體系的動能、重力勢能和彈性勢能，統稱為機械能 ”優點：直觀、具體；缺點：難以列舉外延全部；內涵仍然不明確；其三，最佳定義法：內涵為主，外延為輔．比如，“機械能的另一種定義：機械能是物體做機械運動時所具有的能量，它包括動能、重力勢能和彈性勢能．

4.3導出物理概念的定義方法

按照進一步量度物質的屬性或描述物質的運動狀態來定義由基本物理量組合而成的，叫做導出物理量．在選定了基本單位和輔助單位之后，按物理量之間的關系，導出單位是用基本單位或輔助單位以代數式的乘、除數學等運算所表示的單位．

(1)導出物理概念的定性定義

由基本概念物理量按形式邏輯的法則，給出反映物質或運動的某一方面的本質特性．比如，“力是物體之間的相互作用”；“力是改變物體運動狀態的原因”；又比如，“速度是描述物體運動快慢的物理量”；“速度是位移對時間的變化率”；等等．

(2)導出物理概念的定量定義或操作性定義

定量定義．定量定義式由一定的實驗規律得出；反映導出概念物理量與已知量之間的邏輯關系．物理量的定量定義式在選擇原則上是任意的．比如，就電阻來說，可以用基于實驗規律的比值定義法，即

(3)比值法定義導出物理概念

所謂比值定義法，就是在定義一個物理量的時候采取比值的形式定義．大部分導出物理概念的定量定義都由比值法來完成．比值法適用于物質屬性或特征、物體運動特征的定義．應用比值法定義物理量，往往需要一定的條件；一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的的兩個物理量可測，三是兩個物理量的比值必須是一個定值．

1)比值定義法的思維特點

適用于比值法定義的物理量有兩類．

第二類是對描述物體運動狀態特征的物理量的定義．該類物理量的定義特征是：其屬性由外部條件決定，需要兩個增量(相對量)的比值決定．如速度v的定義，電容C的定義等．這些物理量是通過另外的實驗引入的．

2)比值定義法的教學模式結構

被定義量→確定兩個間接相關的物理量(屬性完全相同)→文字定義→比值演繹→獲得定義式→討論物理意義→應用．比值演繹的含義有兩類，其一是兩個量的絕對量的比值，其適用于物質或物體屬性特征，比如，電場強度的定義；其二是兩個量的相對量(增量或變化量)的比值，描述物體穩定的動態特征，比如，電流強度的定義和導體電容的定義；或描述物體運動狀態特征，比如，速度和加速度的定義，等等．

以電場強度為例，說明適用于物質或物體屬性特征的比值定義法．第一步是確定被定義量：電場強度．引入目的是為了描寫電場的強弱；第二步是確定兩個間接相關物理量：需要選擇檢驗電荷——借助于理想模型點電荷q，觀測正的檢驗電荷在場中的不同位置所受電場力F；第三步是運用概括抽象等方法，給出文字定義：放入電場某點的正的檢驗點電荷所受電場力F與該檢驗點電荷所帶電荷量q的比值對于電場中的同一個位置是一個定值，此定值就是該點的電場強度．第四步是獲得比值定義式

5結論

物理概念教學是中學物理教學的中心任務之一．物理概念是建立物理規律的基礎，物理概念之間的相互聯系和數量依存關系就構成了物理規律．物理教師結合物理新課程的教學理念，有意識運用科學方法指導物理概念教與學，對于培養學生的科學思維能力，具有重要的促進意義．在大量物理事實及復雜物理現象中，運用各種邏輯規律和思維方法，把物理事實的本質特征綜合起來加以概括，在人腦中形成的具有相對穩定性的反映，并用“詞”這個語言單位來標志，如此說來物理概念教學是中學物理教學的基礎性工程．

參 考 文 獻

1張光濤.物理學方法論.濟南：山東科技出版社，1990

2張憲魁.物理科學方法教育.青島：中國海洋出版社，2000

3張憲魁,李曉林，陰瑞華.物理方法論.青島：中國海洋出版社，2007

4中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準.北京：北京師范大學出版社，2011

5中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準.北京：人民教育出版社，2003

6張越，徐在新.高中物理.上海：華東師范大學出版社，2008

7趙凱華.新概念物理學·力學.北京：高等教育出版社(第二版)，2005

8劉風領.中學生理解力學基本概念的困難分析及教學策略研究:[碩士論文].銀川：寧夏大學，2010

9馮杰，陸偉,等.物理概念的內涵與外延的反變關系及其教學啟示芻議.物理教師，2014(5)(人大復印資料全文轉載)

8馮杰.大學物理專題研究.北京：北京大學出版社，2011

馮 杰葉 翔張 悅姚黃濤**本文曾獲第七屆(2015年)“物理科學方法教育”學術研討會論文一等獎.作者簡介：馮杰(1961-)，男，博士，教授，物理課程論學科帶頭人，導師組組長，從事物理學(師范)教育教學實踐及研究.

(收稿日期：2015-06-28)