高中物理概念教学对策探讨

陈国文¹，廖珊如²

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【摘要】当前高中物理概念教学中存在忽视前概念的深远影响，忽视概念转变中渗透科学方法，忽视概念在解决物理问题上的应用。本文借鉴PISA评价理念，根据物理概念转变模型，提出基于认知基础的概念引入、基于科学思维的概念建构和基于问题解决的概念应用的教学对策。

【关键词】  PISA评价理念   概念教学  概念转变对策

PISA是学生能力国际评价的英文缩写，PISA测试关于科学概念评估的要求是，学生能理解科学概念，能运用这些概念解释自然现象，解决现实生活中的科学问题。借鉴这种评价理念，物理概念教学应关注学生认知基础，渗透科学方法，注重解决实际问题。

一、物理概念教学中存在的问题

概念教学中存在的问题：一是忽视前概念的深远影响，导致正确的前概念没有得到应有的发展，错误的前概念不能得到有效修正，新知识不能恰当地整入学生认知结构；二是忽视概念转变中渗透科学方法，富有活力的概念内涵被符号所淹没，学生学习中积累大量的零散“碎片”无法有效融合和科学化；三是忽视概念在解决物理问题上的应用，运用科学方法解决问题的能力得不到的效的提升，缺失在解决问题过程中体验知识的价值。

二、PISA评价理念下有效的概念转变模型

有效实现概念转变的步骤是：一是识别异常情况，二是建构新概念，三是应用新概念^[1]。概念教学中的“问题情景设计”和“学生活动设计”应围绕以下四个方面展开：一是对已有概念产生不满，学生意识到需要发展或修正原认知；二是新概念具有合理性，与学生的经验、信念和直觉具有一致性；三是新概念是可理解的，学生能懂得新概念的本质属性；四是新概念是有效的，即能够解决面临的问题，可以用来解释和预测物理现象^[2]。

三、PISA评价理念下有效的概念转变对策

转变策略包含以下三个环节：一是基于认知基础的概念引入，二是基于科学思维的概念建构，三是基于问题解决的概念应用。

（一）基于认知基础的概念引入：

研究表明前概念具有普遍性和难于改变的特点，概念教学必须以学生的前概念为出发点 ^[3]。从认知基础的角度，物理概念可分为三类：一是有前概念且前概念基本正确；二是有前概念但前概念基本是错误的；三是基本上没有前概念。

1、对于有基本正确的前概念，比如力、质量、速度、静电平衡等概念。教学中可以采用“预测—解释—发展”的形式促进其发展，教学的核心是利用和发展学生的观点。通过倾听学生预测、解释，了解学生的原认知，再把需要发展的信息以问题情景的方式呈现，让学生认识到原有认知还不足以对问题的解释提供充分的证据，有发展原认知的需求。

在“静电平衡”的概念教学中，让学生预测带电金属球靠近验电器时，验电器的金属箔片能否张开。由于学生有“静电感应”的前概念，能用“在电场作用下自由电子定向运动”对现象进行解释。随后，教师提出“用金属网把验电器罩起来，网外带电金属球靠近验电器，金属箔片能否张开”，学生认为金属网有“空隙”无法“遮住”电场进入，金属箔片会张开。演示结果与预测不一致，让学生意识到对静电平衡的本质属性需要进一步了解。

2、对于存在错误前概念的，比如超重、失重、加速度、合力与分力等概念，教学中可以采用“认知冲突”的形式，让错误认知与问题的情景产生冲突，对原有概念产生不满，驱动其改变^[4]。

在 “力的分解”概念教学中，学生存在“合力”大于“分力”的错误前概念。为此，设置如下课堂活动：一根长绳中间挂一重物，能否用力将绳子拉直？大多数学生认为重物的质量不大，拉直绳子应该没有问题。实验结果是：二位同学使劲往两边拉，绳子还是拉不直。通过观察学生认识到原本“无需怀疑”的想法受到挑战，产生认知冲突，有重新审视原认知的动力。

3、对于没有“前概念”的，比如洛仑兹力、自感、电势能、电磁波等概念。第一种类型的概念，比如洛仑兹力、自感等，可以通过实验，突显概念所包含的关键属性，为学生提供具体的认知基础。在“自感”教学中，可以利用一节干电池、日光灯的镇流器、电键组成闭合回路，让学生两手分别接触镇流器两端的金属导线，在断电瞬间，学生惊奇地体验到“触电”。第二种类型概念，比如电势能、电磁波等概念，这些概念比较抽象难有定性的认识，可以采用“类比”或“分层整合”的方式为概念提供认知基础。比如电势能，可用重力势能、弹性势能进行类比；比如电磁波，可以从具体的水波到抽象的声波再到更抽象的电磁波，分层整合来帮助学生理解。

（二）基于科学思维的概念建构

学生在通过观察、实验获取必要的认知后，运用比较、分析、综合等科学思维方法对认知进行加工和抽象，实现新概念的建构。

1、归纳策略：呈现可以归纳出本质特征的物理事例，通过分析、比较归纳出事例的本质特征，常用求同、差异、共变等方法。求同法，如定义振动时，先出示振动的事例，如敲击后的鼓膜、飞行中蜜蜂的翅膀、气垫导轨上的弹簧振子运动等，通过讨论可以归纳出共同的特征，一是存在平衡位置，二是受到指向平衡位置的力的作用。差异法，如定义电场时，电场的性质是对放入其中的电荷有力的作用，用试探电荷是否受电场力来确定电场的有无；共变法，如加速度、安培力等，这些物理量与多个因素有定量的关系，可以使用控制变量的方法分别研究这种关系。

2、类比策略：类比教学中要对类比目标概念与“源”概念的各种现象、事实、研究方法、表达式、本质属性、适用范围等全面比较，引发知识迁移和思维飞跃。电阻、电容、电场强度、磁感应强度概念可通过相互类比构建。这些概念的共同特征是反映属性的两个物理量均可测量，且比值是定值，可用比值定义法写出概念的表达式。当然磁感应强度的教学更多的是用电场强度做类比，因为它们都是反映场的性质，电容概念更多地用电阻类比，它们反映电子器件的本领。

3、理想化模型策略：理想化模型的建立、应用可以提升学生理解和接受新概念的能力。理想化模型分为对象模型和过程模型，是对“客观模型”的科学抽象。比如“单摆”是一种对象模型，是将“细线下端悬挂一个小球”抽象成不计质量、不可伸长的细线下端悬挂一质点；“自由落体运动”是一种过程模型，先在空气和真空管中分别比较铁块与羽毛下落的快慢，并对“客观实验”进行科学抽象，忽略空气阻力的影响，建立自由落体运动模型。

4、实验探究策略：概念教学中引入实验探究，能凸显概念所包含的关键属性。比如在“涡流”概念教学中，教师可以设计这样的情景，用细线悬挂小磁铁分别在铜板上方和塑料板上方摆动，学生发现在铜板上方摆动时，小磁铁摆动时间短，较快停下。如果将小磁铁换成普通的铁块，则没有上述现象。通过讨论，学生认为小磁铁在铜板上方摆动时，损失的机械能有一部分转化为电能，由此推断铜板中有涡流的存在。

5、物理学史介绍策略：让学生感悟科学家的探究过程，能更好地迁移概念建立的思想方法。教学中的主要流程是：旧概念的困难→假说的提出→假说的验证。比如从卢瑟福的原子核式结构模型到玻尔模型，要讲清楚原子核式结构存在困难的原因，即高速运动的核外电子会向外辐射能量，导致电子的轨道半径变小，而且原子发出的光谱是明线光谱而非连续光谱。玻尔基于这方面考虑，提出原子的定态理论、轨道理论、跃迁理论，并成功地解释了氢光谱。

（三）基于问题解决的概念应用

概念教学不能仅仅满足于学生理解概念的要求，更要达到能够应用新概念解决学生面临的问题，还可以用来解释和预测其他现象的目标，体现新概念的有效性和价值。其流程是：从物理原问题中提取信息、建立物理模型、建立定性或定量关系、解决或解释实际问题。

比如在学习“合运动”和“分运动”概念后，教师可以设计这样的问题解决情景：小船渡河，水流速度为v₁，船在静水中的速度v₂，河宽为d，在以下四种情景中研究船的运动情况：一是要使渡河时间最短；二是v₁<v₂，船的航程最短；三是v₁> v₂，船的航程最短；四是v₁> v₂，如何避开下游一定距离的瀑布。要解决这些问题，先要从题目中提取相关的信息，明确已知的信息和需要解决的问题，接着把船当成理想化的质点，画出运动的情景图，应用运动的合成与分解、分运动的独立性原理等物理知识寻找定量的关系，辅助运用数学方法解决问题。

PISA测试让物理概念教学有了国际视野。借鉴PISA评价理念，立足于认知基础的概念引入，能按概念的分类有针对性地修正或发展前概念。基于科学思维的概念建构中，归纳策略能从事例中抽象出物理概念的本质，类比策略可以建立物理概念与学生已有经验、方法的联系，理想化策略能放大概念的本质因素，实验探究策略能凸显概念的关键属性，物理学史介绍策略能迁移科学家理性追求过程所用的思想方法。基于问题解决的概念应用，能让学生在解决问题中，体验概念的合理性和价值。本文对概念教学的研究，旨在为概念课教学提供一种新的视野。

参考文献

[1]理查德·迈耶．教育心理学的生机：学科学习与教学心理学 ［Ｍ］．姚梅林，译．南京：江苏教育出版社，２００５：165—167

[2]蒋国用，张军鹏，基于概念转变的PDEODE策略在物理教学中的应用[J]，物理教学探讨，2013，31（1）：30—33

[3]徐宁，郭玉英，国外物理概念转变研究[J]，课程教材教法，2009，29（6）：92—95

[4]刘润华，吴昆，利用认知冲突进行物理概念教学[J]，中学物理教学参考，2009，38（1-2）：21—23

全文字数：正文3318字

作者：陈国文Chen Guowen

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本文发表在《物理教学探讨》2014年第10期