比值定義物理概念教學模式的構建

劉健智 齊思遠 胡惠琪

（湖南師范大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410081）

1 問題及問題解決

問題是指個人在有目的地追求而尚未找到適當手段時所感到的心理困境.［1］心理學研究表明，意識到問題的存在是思維的起點.［2］沒有問題的思維是膚淺的思維、被動的思維.［2］我國古代偉大的教育家孔子認為“疑是思之始，學之端”.可見，問題意識對于學生思維的發展極其重要.所謂問題意識，是指人們在認識活動中，經常意識到一些難以解決或疑惑的實際問題及理論問題，并產生一種懷疑、困惑、焦慮的心理狀態.這種心理又驅使個體積極思維，不斷提出問題和解決問題.［3］因此，物理教學中教師應創設情境引導學生發現問題、提出問題，培養學生的問題意識.

問題解決是指由一定的情境引起、按照一定的目標，運用一系列的認知操作使問題得到解決的過程.［1］生活中，人們處處面臨著需要解決的問題，為應對這些問題，需要具備一定的問題解決能力.因此，物理教學需培養學生的問題解決能力.

2 物理教學即解決問題

在物理學的發展歷程中，問題占據著極其重要的地位，物理知識的發現源于物理問題的解決，物理教學要體現物理學科本質，就應從問題出發.同時，新課程理念要求教師引導學生經歷物理概念的建構過程和物理規律的形成過程，即要求學生經歷解決問題的過程.因此，物理教學過程就是解決問題的過程.

一堂物理課需要解決很多問題，我們需要抓住其中的核心問題，即抓住一堂課的主問題.教學中學生通過解決主問題學習新的物理知識，具備主問題使課堂邏輯清晰.例如“加速度”一課，如何描述速度變化的快慢就是課堂的主問題.通過理論探究得到速度的變化量與發生這一變化所用時間的比值可以描述速度變化的快慢，課題可板書為“如何描述速度變化的快慢——加速度”；“力的合成”一課，如何求兩已知分力的合力就是課堂的主問題，通過實驗探究得到平行四邊形定則，課題可板書為“如何求兩已知分力的合力——平行四邊形定則”.課堂板書課題可以采用“主問題＋結論”（有時會增加“學習方式”）的形式，如筆者設計的“原子的核式結構模型”片段教學的課題板書（圖1）中，［4］將“主問題：原子內正電荷的分布”設置為“主標題”，將問題得到解決后的結論“原子核”設置為二級標題，在主標題前又設置了學習方式為“探究”.二級標題一定要在問題得到解決后再板書.這樣的課題板書使“需要解決的問題”“問題得到解決后得到的結論”“問題解決的方式”一目了然地呈現了出來，并突出了學生這一學習主體.

圖1 問題解決教學模式的課題板書

3 比值定義的物理概念

比值定義的物理概念指的是用兩個或多個物理量之“比”來定義的物理概念，中學物理教材中有大量用比值定義的物理概念.以是否反映事物的某種固有屬性作為標準，將比值定義的物理概念分為兩類：［5］第一類物理概念描述的是事物自身的某種固有屬性，有電場強度、電容、磁感應強度等，這類物理概念屬于“性質量”；第二類物理概念描述的是事物外在的狀態、外在的作用強弱，而非事物的某種固有屬性，有速度、加速度、功率等，這類物理概念屬于“狀態量”.

比值定義的物理概念具有一定的抽象性，學生不易理解，教學中要讓學生理解定義概念的來龍去脈.運用比值法定義一個新的物理概念的邏輯是：觀察發現事物具有某種性質或狀態，進而思考如何描述事物的這種性質或狀態，然后通過探究發現可以用物理量的比值來描述事物的這種性質或狀態，為了研究方便，就把探究發現的比值“命名”為一個新的物理概念.分析發現，運用比值法定義新的物理概念是為了解決如何描述事物某種性質或狀態的問題，即比值定義的物理概念教學中的主問題是如何描述事物的某種性質或狀態.

高中物理教學中典型的比值定義的概念有3個：加速度、電場強度、磁感應強度，3者也常常是對師范生進行物理概念教學技能訓練，特別是教學設計訓練的典型課例，［6－8］其原因如下.

（1）加速度是高中物理第一個比值定義的概念.盡管在此之前學的速度也是比值定義的概念，但由于速度在初中已經接觸過，學生不太陌生，而加速度是高中物理獨有、全新的核心概念.

（2）區別于加速度，電場強度非常抽象，對學生來說更難理解，且是靜電場中的第一個比值定義的概念.

（3）電場強度和加速度概念都是運用科學推理這一科學思維要素得出的，或者說是通過“理論探究”得出來的，而磁感應強度的比值概念的得出過程，必須進行“實驗探究”，因此對學生的學以及對教師的教難度更大.

4 比值定義物理概念的教學環節

綜合問題及問題解決的重要性和比值法定義物理概念的邏輯，比值定義的物理概念的教學應以如何描述事物的某種性質或狀態的主問題為中心，圍繞主問題的提出和解決過程進行教學設計.據此，筆者構建了基于問題及問題解決的比值定義物理概念教學模式（下文簡稱為“教學模式”），教學模式包含“創設情境，提出問題”“初步探討，找描述量”“科學探究，解決問題”“命名比值，得出概念”“運用概念，拓展延伸”5個環節，其對應的問題及解決過程和教學分析如圖2所示.

圖2 基于問題及其解決的比值定義物理概念教學模式流程圖

4.1 創設情境，提出問題

任何一個概念，都有建立的必要性，學習者只有清晰地認識到這個必要性或者概念在實際生活中的價值，才能夠進行主動地學習.［9］運用比值法定義新的物理概念是為了描述事物的某種性質或狀態，首先要讓學生感知到事物的性質或狀態，明確建立概念的事實依據，［10］因此需要教師創設相關的問題情境，讓學生通過觀察情境提出主問題，培養學生提出問題的能力.

情境由教師創設，問題由學生提出.主問題比較抽象，一般學生不易一步到位提出，根據支架式教學理論，需要一串問題鏈逐步引導.例如，在“加速度”的新課導入環節，學生通過觀察教師呈現的視頻情境，逐步發現：速度是變化的→速度變化有快有慢，最終提出欲解決的主問題：速度變化的快慢如何描述.即“速度變化的快慢如何描述”主問題的提出經歷了“問題1：物體速度有何特點→問題2：速度變化有何特點→主問題：速度變化的快慢如何描述”的問題鏈，如圖3所示.

圖3 “創設情境 提出問題”的流程圖及其案例

問題情境要服務于問題的提出，便于學生發現問題和提出問題.教師在設計新課導入環節時，首先得明確問題鏈和主問題，然后針對問題設計問題情境.一些比值定義的物理概念及其教學中的主問題如表1所示.

表1 比值定義的物理概念及其教學中的主問題

創設情境可以使用圖片、視頻等多媒體手段，也可以使用演示實驗.例如，在加速度的新課導入環節，可以運用汽車和火車起步加速的視頻呈現速度在變化的情境；［6］在磁感應強度的新課引入環節，可以演示“條形磁鐵吸引大頭針”實驗——改變條形磁鐵的位置，條形磁鐵吸引的大頭針數量不同——引導學生發現問題：“磁場具有力的性質，但同一磁場不同位置這種力的性質是不一樣的，即磁場的強弱不同.”進一步啟發學生提出要解決的主問題“磁場的強弱如何描述”.［8］

4.2 初步探討，找描述量

主問題一經提出，課堂走向就已明確，即解決提出的主問題.解決問題首先需要找到可以描述該性質或狀態的物理量，即找描述量.尋找描述量是解決描述事物性質或狀態這一問題的研究起點.比值定義的概念有狀態量和性質量兩類，對于性質量如電場強度、磁感應強度、電容這些抽象的、與學生生活經驗聯系不密切的概念，描述量的尋找更是學生學習的難點，即教學難點.最終是用描述量的比值來描述事物的性質或狀態，比值中分子和分母的確定遵從不同的邏輯，下面就分子和分母的確定展開論述.

分子的確定可以從兩個角度出發.一是根據提出的主問題確定，例如在如何描述速度變化快慢的問題中，分析問題可知描述速度變化的快慢需要用到速度的變化量；二是根據創設的情境確定，例如在電場強度的教學中，情境中同一試探電荷在同一電場中的不同位置所受的電場力大小不一樣，可知可以用試探電荷在電場中受到的電場力來描述電場的強弱.相對于分母的確定，分子的確定對學生來說難度較小.

反映事物性質或狀態的物理量在特定情況下必須是一個定值，例如描述電場強弱的物理量在特定電場（靜電場）中的特定一點必須是一個定值.由此，確定分母可以遵循以下思路：通過教學活動體現分子不是一個定值，而會隨著某個或某幾個物理量的變化而變化，因此不能僅用分子一個物理量描述該性質或狀態，還應考慮上述影響分子的物理量，分母即為該物理量.例如，在如何描述電場強弱的問題中，分子確定為電場中試探電荷受到的電場力，根據庫侖定律可知電場中同一位置帶電量不同的試探電荷受到的電場力大小不同，得出不能僅用電場力F來描述電場的強弱，還應考慮試探電荷的電荷量q，從而確定分母為試探電荷的電荷量q.再如，在如何描述磁場的力的性質的問題中，由于實驗中是通過通電導線在磁場中受到的力來嘗試解決問題，而通過導線受到的力的大小與導線的長度、導線內電流的大小兩個因素有關，因此分母中必然涉及到以上兩個因素.分析這兩個案例，特別是后一個案例，分母的確定有一定的難度，其原因一是可能涉及到多個物理量；二是需要具有扎實的物理知識的學習基礎，因此尋找描述量的教學難點更是體現在分母的確定上.

4.3 科學探究，解決問題

找到可以用來描述該性質或狀態的物理量后，就要通過科學探究確定具體的描述方法，最終得到用物理量的比值可以描述該性質或狀態的結論.“提出問題”“找描述量”就是為這一教學環節服務的，“科學探究，解決問題”是比值定義的物理概念教學的重點所在.

科學探究包括理論探究和實驗探究，根據解決問題的需要進行選擇，如“加速度”“電場強度”概念的得出運用的是“理論探究”；而“磁感應強度”“電容”概念的得出運用的是“實驗探究”.學生往往不理解為什么要用比值定義一個新的物理概念，這一步需要體現用物理量的比值描述事物性質或狀態的原因.根據概念生成過程的不同，把探究的思路分為以下兩類.［11］

對于“性質量”，探究的思路可以概括為：通過探究發現物理量的比值為定值，反映出可以用物理量的比值描述事物的某種性質.以得出試探電荷所受的靜電力與它的電荷量的比值可以描述電場的強弱為例，進行說明.

對于“狀態量”，探究的思路可以概括為：比較需要統一標準.以得出速度的變化量與發生這一變化所用時間的比值可以描述速度變化的快慢為例.

假設有兩個速度均勻變化的物體，當速度變化量相同時，所用時間越短的速度變化越快；當所用時間相同時，速度變化量越大的速度變化越快.當速度變化量和所用時間都不相同時，如何比較速度變化得快慢呢？比較要有意義，必須統一標準，這里我們取所用時間相同為比較的標準，如何使所用時間相同呢？根據數學知識知道把速度的變化量和所用時間相除就能得到相同時間速度的變化量，進而可以比較速度變化的快慢，速度的變化量和所用時間的比值越大，速度變化越快.由此，得到速度的變化量與發生這一變化所用時間的比值可以描述速度變化的快慢，便解決了如何描述速度變化的快慢這一問題.

4.4 命名比值，得出概念

在物理教學中，必須向學生強調：我們是把比值“命名”（而不是“定義”）為一個新的物理概念，而不是把新的物理概念“定義”為比值，遵從這個邏輯，就能讓學生理解為什么要定義一個新的物理概念了.這時讓學生自己歸納出這類概念命名方法是“比值定義法”.至此，學生也就能很好地理解比值定義的物理概念的物理意義就是“用來描述……”.以“加速度”為例，通常的說法（加速度的定義是速度的變化量與所用時間的比值）是不嚴謹的，下面兩種表述才體現了物理學的本質和比值定義概念的真正意義：

4.5 運用概念，拓展延伸

比值定義的物理概念都是用定量的方法來描述事物的性質或狀態，也可以稱為物理量.深入理解一個物理量，僅理解了物理量的物理意義是不夠的，還需要對概念進行完善、對上述教學環節進行延伸，讓學生了解概念的外延.從以下兩個方面進行拓展.（1）討論物理量的單位以及物理量是狀態量還是過程量、是矢量還是標量、是相對量還是絕對量等.［10］（2）比值定義的物理量的最大特點是被定義物理量本身與定義它的物理量無關，而從物理實質上決定它的物理量另有其量，［13］這里的無關指的是沒有因果關系.［14］最后，教師還可以設計相關習題，讓學生運用剛學習的概念，鞏固對概念的理解.

5 教學價值

比值定義物理概念教學，很多人進行了研究，但都沒有很好地揭示出問題的本質，也沒有給出一套具有可操作性的教學模式，我們構建的教學模式除了有極強的可操作性外，還具有以下優勢.

5.1 突顯了比值定義概念的物理本質

構建的比值定義物理概念教學模式的“創設情境，提出問題→初步探討，找描述量→科學探究，解決問題→命名比值，得出概念→運用概念，拓展延伸”5步教學環節，突出了物理概念的建構過程，體現了物理概念的本質，其核心思想是“先比值再命名”，即“先尋找比值，再命名比值”.

5.2 問題意識和問題解決能力的培養

教學模式引導學生觀察情境中呈現的現象，提高學生的觀察能力，培養學生勤觀察的良好品質.學生通過觀察，會發現許多原有知識經驗解釋不了的現象，產生認知沖突，激發學生的求知欲.教學模式中的問題由學生提出，有利于培養學生的問題意識和提出問題的能力，促使學生意識到生產生活中存在許多問題，使學生遇到疑惑時能意識到問題的存在，并能提出問題.教學模式緊扣問題解決，在教師的引導下學生積極思考、參與解決問題的過程，能有效提高學生解決問題的能力.

5.3 學生的物理學科核心素養的提升

“創設情境，提出問題”教學環節從情境中發現和提煉問題，培養學生的科學探究意識；從情境中抽象出易于研究的理想模型，提高學生的模型建構能力；通過問題鏈提出主問題是嚴謹的邏輯推理過程，能提高學生的科學推理能力.“初步探討，找描述量”教學環節學生針對問題提出能用來描述事物某種性質或狀態的物理量的合理猜想，培養學生科學探究意識.“科學探究，解決問題”教學環節解釋了為什么物理量的比值可以描述事物的某種性質或狀態，學生理解了事物該性質或狀態的本質，有利于形成正確的物理觀念；在解決問題的過程中運用了分析、綜合和比較等思維方式，有利于培養學生的科學思維.“命名比值，得出概念”教學環節遵從物理本質，解釋將物理量的比值命名為一個新的物理量的原因，體現了正確的物理觀念.教學模式能有效提高學生的問題意識，使學生逐漸形成探索自然的內在動力，培養學生的科學態度與責任.