情景化實驗在物理概念教學中的應用

梁沛林

(深圳市西鄉(xiāng)中學 廣東 深圳 510102)

1 概念教學的意義及存在的問題

另一個極端就是通過大量的現(xiàn)象列舉代替物理實驗，讓學生通過列舉的現(xiàn)象中直接抽象出物理概念．由于定性體驗不足，學生往往只能看到事物的表象，無法準確理解概念．亞里士多德就是通過生活中的大量現(xiàn)象和經(jīng)驗總結(jié)得到“力是物體運動的原因”這個錯誤的結(jié)論．由于缺乏定性或定量的實驗的體驗，學生很難自主從現(xiàn)象中抽象出概念的準確特征．

2 物理概念的構(gòu)建

2.1 物理概念的構(gòu)建的起點——概念原型

人們聽到一個概念的時候往往在大腦中形成的并不是概念的全部特征，而是某個最能代表概念的典型的事物或情景，我們稱之為概念的原型[2]．每個人對同一個概念的感覺不一樣，其原型也會有差異．當聽到某個概念時，概念的原型就像一幅生動的畫展現(xiàn)在腦海中，人們再根據(jù)原型的特征來描述、界定和分辨概念．

例如聽到水果這個概念時，人們腦海中出現(xiàn)的可能是一個紅彤彤的蘋果，也可能是一把香蕉或者甘甜的西瓜．如果沒有經(jīng)過專門的訓練，根據(jù)原型提取出的概念的特征往往是不準確的或者是以偏概全的．例如以蘋果為原型，那么可能把水果的特征描述為：紅色的或者綠色的、長在樹上、有籽、果肉甜的……顯然，不經(jīng)過加工地用某種特定水果的特征建立的水果概念是不準確的.但是在這些特征的基礎(chǔ)上經(jīng)過抽象、概括和總結(jié)便能夠得到水果的概念.而頭腦中第一時間浮現(xiàn)出的蘋果、香蕉或西瓜等就是水果這一概念的“概念原型”.

物理概念也同樣具有生活中的原型，聽到平拋運動這個概念時，人們頭腦中會出現(xiàn)物體拋出的情景(這個情景可能是拋出去的籃球，也可能是被風吹落的樹葉……)，然后再通過這些生動的情景(原型)理解和判斷平拋運動的特征．因此物理概念的“原型”就是這個生活中的典型事物或者情景，而概念教學的任務是帶領(lǐng)學生重現(xiàn)從物理原型出發(fā)，經(jīng)過理性分析和探究實驗抽象出概念的本質(zhì)特性的過程(圖1)．概念的原型是相對穩(wěn)定且形象的，不需要有意識地記憶，這能夠大大地縮短概念建立的邏輯鏈，從而降低認知負荷，提高學習效率．

圖1 概念教學過程

2.2 鏈接概念原型和物理概念的階梯——情景化實驗

概念原型往往是情景化的，就像一幅幅生動的畫面掛在學生腦海中．如何利用這些情景化的畫面幫助學生建立概念呢？顯然，留給學生自己歸納是行不通的．以學習平拋運動的概念為例，學生能夠從平拋運動的原型中自主歸納出平拋運動的軌跡的大概形狀，但學生是很難定量地研究平拋運動的運動特征的．由于缺乏定性的體驗，學生根據(jù)生活經(jīng)驗很容易歸納出“物體拋出速度越大，飛行時間越長”的錯誤結(jié)論．我們需要給學生引導，就像給他們一把梯子，從原型(情景)出發(fā)通往概念特征，這把梯子就是情景化實驗．

情景化實驗就是從生活中的概念原型出發(fā)，通過設計物理實驗，把原型中的本質(zhì)特征顯化，并通過定性或定量的方式研究概念的關(guān)鍵屬性，從而幫助學生理解概念．情景化實驗首先要找到對象概念在大多數(shù)學生頭腦中的原型(情景)，以平拋運動為例，學生聽到平拋運動這一概念，往往會想到拋出去的籃球，這是他們常常見到的情景，在頭腦中印象深刻.平拋出去的籃球就是平拋運動情景化實驗的一個很好的實驗載體.通過設計平拋運動與水平方向的勻速直線運動、平拋運動與豎直方向的自由落體運動兩組對照實驗研究平拋運動的關(guān)鍵特征，再根據(jù)總結(jié)出的平拋運動的特征檢驗其他平拋運動是否具有同樣的特性.此時可以從籃球平拋抽象到鋼珠平拋，經(jīng)過定量實驗進一步完善平拋運動的概念及特性．

抽象概念同樣有其原型，只是這個原型可能是另一個概念，或者是根據(jù)概念描述而形成的一個情景．例如矢量，其在學生頭腦中的概念原型為力．學生往往通過力的特征來界定矢量的，例如力滿足平行四邊形行法則，所以矢量應該滿足平行四邊形法則，矢量的運算法則也可以通過力的運算作為切入點，設計實驗對矢量的運算特征進行研究．

因此一般的物理概念構(gòu)建方式如圖2所示，從學生熟悉的物理情景或者物理現(xiàn)象出發(fā)，通過情景化實驗幫助學生從定性和定量兩方面了解概念的特征，從而建立物理概念．然后再利用物理概念檢驗概念范疇中的其他對象，從而完善概念的內(nèi)涵和外延．

圖2 物理概念構(gòu)建方式

3 基于情景化實驗的概念教學的啟發(fā)和建議

學生在理解物理概念時，常常是從情景出發(fā)的，而教師往往從理性出發(fā)幫助學生建立物理概念，這樣的教學效率是不高．加上公式推導和邏輯分析過程無形中增加了學生的認知負荷，造成許多學生感覺到物理難學．

情景化實驗是在日常教學中總結(jié)出的有效的概念教學手段，具體就是從生活中的概念原型出發(fā)，通過設計物理實驗，把原型中的本質(zhì)特征顯化，并通過定性或定量的方式研究概念的關(guān)鍵屬性，從而幫助學生理解概念．實際上不少物理教師也會無意中使用情景化的物理實驗進行教學.例如講慣性這一概念時，不少教師都會使用汽車運動時突然剎車，乘客會向前倒，這一情景來幫助學生理解慣性.實際上這就是一個情景化實驗.情景化實驗在概念教學中應用非常廣泛，而且效果顯著.下列是教學中總結(jié)出的一些情景化實驗的教學建議.

(1)情景化實驗必須取材于學生生活中熟悉的事物或情景，方便學生代入情景中，建立清晰的情景畫面．例如力的合成可以選取晾衣服、推桌子、用水桶提水等.

(2)情景化實驗的內(nèi)容應有針對性，尤其是針對學生常見的錯誤的物理前概念進行設計．例如平拋運動中，由于生活中的拋體運動大多數(shù)是斜拋運動，于是學生頭腦中會形成“拋出速度越大，物體飛行時間越長”的前概念．在設計情景化實驗時必須有針對性地轉(zhuǎn)化物理前概念，可以設計兩個小球在同等高度同時出發(fā)，一個做平拋運動，另一個做自由落體，讓學生從實驗觀察中發(fā)現(xiàn)不管平拋的小球拋出速度多大，其落地時間跟自由落體的時間是相同的．從而通過情景化實驗轉(zhuǎn)變物理前概念．

(3)情景化實驗應該以定性實驗為主，兼顧定量實驗．定性實驗是學生建立正確物理觀念的核心環(huán)節(jié)，也是學生界定概念的有效手段．定性實驗往往結(jié)果明顯，而且不需要進行繁瑣的數(shù)據(jù)處理，能夠大大地降低認知負荷，更容易被學生接受．但是遇到概念的關(guān)鍵性特征，單從定性判斷是不夠的，需要定量實驗介入．以反作用力為例，學生對作用力和反作用力的等大、反向和同步等特性是有感官基礎(chǔ)的，但是是否嚴格相等卻是不清楚的，這時候可以通過DIS(數(shù)字化信息)實驗，通過傳感器實時監(jiān)測作用力和反作用力的大小方向等關(guān)系從而建立清晰的且正確的作用力和反作用力關(guān)系．

(4)情景化實驗的過程應該簡潔且現(xiàn)象明顯．情景化實驗的目的是為了讓學生在概念原型的基礎(chǔ)上直接建立概念，縮短邏輯鏈從而降低認知負荷．如果實驗本身邏輯復雜且過程繁瑣，那情景化實驗的價值便會大打折扣．