馬利芳

初中生剛剛接觸物理學(xué)科，在正式接觸物理概念之前，雖然在日常生活中對相關(guān)物理現(xiàn)象已有不同程度的積累，但很難將教材中對物理概念的文字表述與自己所接觸過的外部信息進(jìn)行有效的銜接。正如奧蘇貝爾在其最具影響力的著作《教育心理學(xué)：一種認(rèn)知觀》的扉頁所寫的那樣——“如果我不得不把教育心理學(xué)的所有內(nèi)容簡約成一條原理的話，我會說：影響學(xué)習(xí)最重要的因素是學(xué)生已知的內(nèi)容”。鑒于此，教師在進(jìn)行物理概念教學(xué)時應(yīng)準(zhǔn)確把握學(xué)生已經(jīng)掌握的知識基礎(chǔ)和已有的物理表象，想方設(shè)法引導(dǎo)學(xué)生對外部信息進(jìn)行綜合加工，使其固有的知識體系與外部信息發(fā)生有效的“化學(xué)反應(yīng)”，進(jìn)而實現(xiàn)對物理概念的建構(gòu)和理解。在這方面，物理實驗可以發(fā)揮重要的作用。

一、通過實驗提高感知效果，順應(yīng)學(xué)生已有的認(rèn)知經(jīng)驗

物理概念反映的是一類對象的本質(zhì)屬性，是客觀事物的共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映。物理概念的界定又常常是通過下定義的方式或由它與其它概念間的關(guān)系來完成的。因此，初中生在初次學(xué)習(xí)物理概念時，常常會感覺抽象難懂，對概念捉摸不透。雖然如此，但“物理”顧名思義就是“以物載理”，每一個概念中本來就包含著大量的具體事例，初中物理概念尤其如此，教師如能在實踐教學(xué)中把與概念相關(guān)的物理現(xiàn)象、物理事實和物理事物直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生的認(rèn)知活動當(dāng)中，就一定能將抽象的概念有效地轉(zhuǎn)化為直觀的表象，使概念與學(xué)生的已有認(rèn)知產(chǎn)生間接的順應(yīng)聯(lián)系?！爸庇^呈現(xiàn)”，最好的手段是物理實驗。下面，我以初中物理概念“大氣壓”這個概念的建構(gòu)為例，談?wù)勥@個過程如何在實驗教學(xué)中加以實施。

首先，教師要了解學(xué)生已有的認(rèn)知現(xiàn)狀。學(xué)生在日常生活中已經(jīng)接觸并應(yīng)用過相關(guān)的大氣壓知識，但由于沒有學(xué)科學(xué)習(xí)經(jīng)驗，對大氣壓的應(yīng)用認(rèn)知便只能停留在自己直觀觀察到的表象認(rèn)知層面，而且這個表象認(rèn)知還有可能是錯誤的。比如用吸管吸飲料，學(xué)生經(jīng)常可以看到并體驗到這樣的“事實”：嘴用力吸，飲料就會被吸上來;而飲料上方的“空氣作用”，因空氣無形無色，學(xué)生既不能直觀感知到它的存在，更不會聯(lián)想到它會對飲料產(chǎn)生擠壓作用。因此，學(xué)生從自己已有的認(rèn)知經(jīng)驗中便得出了這樣的結(jié)論：飲料是靠嘴吸上來的。

然后，我們再來分析一下教材對“大氣壓”這一概念的界定。教材是這樣引出“大氣壓”這個概念的：“液體內(nèi)部朝各個方向都有壓強(qiáng)，這是由于液體能夠流動?？諝庖材芰鲃?，空氣中是否也存在朝各個方向的壓強(qiáng)？”實驗證明，大氣壓強(qiáng)確實是存在的，大氣壓強(qiáng)簡稱為“大氣壓”。顯然，“大氣壓”這一概念是通過類比的方法及“空氣”“流動”“壓強(qiáng)”等概念間的關(guān)系來界定的。初中學(xué)生對“壓強(qiáng)”“液體壓強(qiáng)”“空氣的流動”這些概念的“感覺”本來就很模糊，教師如果期望通過“講述”的方式把概念講清楚，困難是相當(dāng)大的，因為多數(shù)學(xué)生還是會憑著直覺和前經(jīng)驗來分析、判斷。如果我們利用物理實驗的方式，對概念的形成過程進(jìn)行“稀釋還原”或“追本溯源”，通過實驗來簡化和純化事實的“原本”過程，以幫助學(xué)生排除非本質(zhì)因素干擾，這樣會不會更容易讓學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”概念的本質(zhì)內(nèi)涵呢？下面我們便以“大氣壓”概念的實驗設(shè)計為例，進(jìn)行教學(xué)過程分析。

（一）運用對比實驗，引導(dǎo)學(xué)生體驗“空氣流動”對浸在其中的固體產(chǎn)生的朝向各個方向的“壓強(qiáng)”“壓力”

實驗裝置如圖1所示，實驗物品由一個完全密封的大塑料瓶（圖1乙）和一個不完全密閉的大塑料瓶或可樂瓶（圖1甲）以及旋片式真空泵組合而成。

師演示實驗如圖1乙，閉合真空泵電源，真空泵啟動10秒左右，問學(xué)生“看到了什么現(xiàn)象、聽到了什么聲音”，生答“塑料瓶被壓癟了，聽到‘劈劈卜卜的壓裂聲”。學(xué)生通過觀察老師的實驗，真真切切地看到：原來完好的密封大塑料瓶“卜”的一聲明顯地被壓變形，如圖1乙所示;而且隨著空氣不斷抽出，大塑料瓶繼續(xù)被壓癟并且不斷發(fā)出“劈劈卜卜”的壓裂聲。師肯定學(xué)生觀察到的現(xiàn)象。

然后師開始演示實驗如圖1甲，對未密封的塑料瓶抽氣10秒左右，問學(xué)生觀察到什么現(xiàn)象。生答“沒有什么變化”。隨著抽氣時間的增加，塑料瓶的形狀保持不變，如圖1甲。師追問學(xué)生“開啟抽氣泵的目的是什么”，生一致回答“抽走塑料瓶內(nèi)的空氣”。師再引導(dǎo)學(xué)生分析：在老師對兩個塑料瓶進(jìn)行抽氣后，兩個塑料瓶內(nèi)外空氣變化的特點是什么？生經(jīng)過分析可以知道：抽氣后，密封塑料瓶內(nèi)的空氣越來越少，瓶內(nèi)外氣體不一樣;未密封的塑料瓶內(nèi)的空氣不變，瓶內(nèi)外空氣一樣。師再次肯定學(xué)生的分析。

該對比實驗從視覺與聽覺兩方面給學(xué)生以強(qiáng)烈印象，讓學(xué)生觀察到現(xiàn)象的本質(zhì)，經(jīng)歷并體驗“空氣流動”對浸在其中的固體產(chǎn)生的朝向各個方向的“壓力”或“壓強(qiáng)”，再運用自己的經(jīng)驗加以分析歸納，便可以得出“當(dāng)固體內(nèi)外存在‘氣壓差時，外界流動的空氣可以對浸在其中的固體產(chǎn)生明顯的壓力”這一新的認(rèn)知。親眼目睹這一實驗過程后，學(xué)生不僅可以“體驗”到“空氣流動”的作用，還會驚訝于隱形空氣壓力的“威力”，對空氣壓力的進(jìn)一步探究產(chǎn)生濃厚的興趣。該對比實驗的每一步都源于學(xué)生的原有認(rèn)知和經(jīng)驗，對學(xué)生看不見的或沒有經(jīng)歷過的抽象現(xiàn)象，運用實驗適時、間接呈現(xiàn)，為學(xué)生認(rèn)知的順應(yīng)發(fā)展做好了鋪墊。（備注：學(xué)校如果沒有真空泵，可以選擇使用100ml的注射器代替，用易拉罐代替大罐或大瓶進(jìn)行學(xué)生分組實驗，裝置如圖2所示;還可以選擇燃燒蠟燭排空空氣代替抽氣等）

（二）運用對比實驗，引導(dǎo)學(xué)生“觀察”空氣流動對液體表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)

實驗裝置如圖3所示。圖3甲是“倒扣在已點燃的蠟燭上方的燒杯”實驗裝置，乙是“倒扣在未點燃的蠟燭上方的燒杯”實驗裝置。

師演示“水沿?zé)仙龑嶒灐?，問學(xué)生看到了什么現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察兩個燒杯中水的上升情況。

生：甲杯中的水上升，盤中的水變淺;乙杯中的水不上升，盤中的水位不變。

師：兩個燒杯中空氣的質(zhì)量一樣嗎？（抓住學(xué)生的疑點觀察追問，引導(dǎo)學(xué)生對比分析）

生：不一樣，甲杯中空氣的質(zhì)量小。

師：兩杯中空氣的體積、密度一樣嗎？

生：體積一樣，但甲杯中的空氣密度小。

師：乙杯中，杯內(nèi)外空氣的稀薄程度一樣嗎？

生：一樣。

師：甲杯內(nèi)外的空氣稀薄程度一樣嗎？為什么？

生：不一樣，瓶內(nèi)空氣稀薄，被排出了。（學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)知進(jìn)行推理）

師：誰能說說盤子中的水受到了誰的作用而沿著甲杯上升？是誰給盤子中的水面施加了作用？同桌可以討論2分鐘。

生猶豫、思考、聯(lián)想、討論。

生：空氣！空氣由于重力，對液面產(chǎn)生了擠壓。（個別學(xué)生能聯(lián)想到）

師：不錯，正是空氣的作用?？諝庖蛑亓?、流動性對浸在其中的液體產(chǎn)生了擠壓作用。

師接著演示“液體受到擠壓沿著豎管上升”的實驗（強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知），生觀察、思考、聯(lián)想。

這一實驗過程，將隱形的“空氣對液面的擠壓作用”“杯內(nèi)外的氣壓差”具體“顯現(xiàn)”出來，使學(xué)生可以根據(jù)觀察到的現(xiàn)象合理想象和分析“水為什么會沿?zé)仙?，進(jìn)而真實感受和經(jīng)歷看不見的空氣的流動對浸在其中的液體的液面產(chǎn)生的“向下”的“壓力”和“壓強(qiáng)”。學(xué)生會自覺將這一經(jīng)歷融入自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，豐富和更新原有的認(rèn)知。

（三）引入“什么力使懸空塑料試管里的水不會流出來”實驗，讓學(xué)生感受逆向思維活動“空氣”“流動”對浸在其中的物體可產(chǎn)生“向上”的“壓力”和“壓強(qiáng)”，以此豐富學(xué)生的思維表象，讓學(xué)生對“空氣流動”對浸在其中的物體產(chǎn)生的“壓力”“壓強(qiáng)”有更全面、深入的認(rèn)識，并逐漸熟悉“空氣的流動”的隱形擠壓作用

實驗裝置如圖4所示，在塑料試管（也可以用可樂塑料瓶代替）頂部或側(cè)壁鉆一個小孔，以便于對比封住小孔和放開小孔時的不同，避免學(xué)生誤以為是水粘住了紙片，受到非本質(zhì)因素的干擾。

（四）對比實驗“誰能吸得上飲料”

實驗過程：讓兩個力量不同的學(xué)生進(jìn)行吸飲料比賽，力量大的吸“全封閉飲料盒”中的飲料（全封閉飲料盒是指插入的細(xì)管除與大氣相連外，其他地方都是密閉的，該飲料盒中的空氣稀?。?，力量小的吸“上端開口不封閉的飲料盒”中的飲料（該飲料盒內(nèi)氣壓與外界氣壓相同）。讓學(xué)生找出兩個飲料盒中的異同，并就觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析。然后再用100ml的注射器代替學(xué)生“吸飲料”，一個向里充氣，一個從里往外抽氣（夸大兩者的區(qū)別，便于學(xué)生關(guān)注本質(zhì)因素的影響），讓學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)“不吸”時發(fā)生的現(xiàn)象，歸納飲料在管中上升的本質(zhì)力量，徹底排除非本質(zhì)因素“吸力”的直觀影響，正確認(rèn)識此實驗中“吸力”的作用。

通過以上四步實驗，我們可以有效地幫助學(xué)生稀釋還原濃縮的“空氣”“流動”“壓強(qiáng)”等知識的發(fā)生過程，將“氣壓差”的概念化抽象為直觀，使學(xué)生新近經(jīng)歷的表象貼近固有表象，使隱形的表象得以“顯現(xiàn)”，讓學(xué)生的直觀體驗與原有知識概念發(fā)生聯(lián)系，提高了概念建構(gòu)的感知效果，促進(jìn)了物理概念的順利建構(gòu)。這樣的教學(xué)，既能順應(yīng)教材知識的發(fā)生順序，又能順應(yīng)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的認(rèn)知順序，還能順應(yīng)學(xué)生思維發(fā)展的邏輯順序。

本概念中，學(xué)生認(rèn)知的直觀表象抓手是“流動的空氣對浸在其中的物體產(chǎn)生的壓力壓強(qiáng)”，學(xué)生認(rèn)知的隱形思維抓手是“氣壓差”。而該概念認(rèn)知中的隱形思維抓手是關(guān)鍵，有了這個抓手，學(xué)生才可以根據(jù)前經(jīng)驗積累升華形成新認(rèn)知。因此教學(xué)中，需要提供“氣壓差”的直觀過程，補(bǔ)足學(xué)生的感性表象積累。

二、通過實驗引發(fā)認(rèn)知沖突，扭轉(zhuǎn)前經(jīng)驗認(rèn)知的偏差

不少學(xué)生對“摩擦力”的概念有片面認(rèn)知，認(rèn)為摩擦力總是阻礙物體的運動，它的方向總是與物體運動的方向相反。為了驗證學(xué)生的這一認(rèn)知，2015年桂林市在適應(yīng)性考試中對這一概念進(jìn)行了考察，結(jié)果顯示，這道題對全市考生來說難度值為0.23，學(xué)生形成這樣的認(rèn)知結(jié)構(gòu)跟學(xué)生的經(jīng)驗積累有很大關(guān)系。要糾正學(xué)生這種認(rèn)知上的偏差或錯誤，單靠重復(fù)講述作用不大，最好的辦法是提供摩擦力發(fā)生的原始過程，讓學(xué)生自己聯(lián)想、抽象，歸納概念的本質(zhì)因素，排除非本質(zhì)因素干擾，走出認(rèn)知偏差。

可以先列舉一些非本質(zhì)聯(lián)系的實驗，順應(yīng)學(xué)生的已有經(jīng)驗，強(qiáng)化學(xué)生的原認(rèn)知。如圖5所示實驗。在該實驗中，物體受到的摩擦力的方向與物體運動的方向相反，并阻礙物體的運動。也許正是由于這個原因，學(xué)生才把阻礙相對運動和阻礙運動相混淆。接著補(bǔ)充圖6、圖7所示實驗，進(jìn)一步關(guān)聯(lián)學(xué)生對摩擦力產(chǎn)生和阻礙物體運動的經(jīng)驗和表象。

然后通過實驗引發(fā)認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生走出認(rèn)知偏差?？沙尸F(xiàn)如圖8所示傳送皮帶傳送物體實驗（視頻）。引導(dǎo)學(xué)生思考：物體是否有向下運動的趨勢？判斷物體相對于皮帶，處于怎樣的運動狀態(tài)？讓學(xué)生經(jīng)歷與自己之前的經(jīng)驗相反的實驗，利用問題激發(fā)學(xué)生的想象、激活學(xué)生的思維，引發(fā)學(xué)生聯(lián)想，努力尋求其間的本質(zhì)聯(lián)系，初步思考去除非本質(zhì)因素的干擾。

最后將問題引向深入，拓展學(xué)生思維、聯(lián)想。呈現(xiàn)如圖9所示的實驗。分析a物體所受摩擦力的方向，讓學(xué)生進(jìn)一步了解自己沒有在意的，摩擦力方向與物體運動方向相同的生活案例，強(qiáng)化學(xué)生頭腦中的新表象。

如此系列實驗，可以讓學(xué)生充分體會到知識發(fā)生的原始過程，由認(rèn)知矛盾引發(fā)主動思考，逐步學(xué)會舍棄概念中的非本質(zhì)聯(lián)系，進(jìn)而尋求概念的本質(zhì)屬性。學(xué)生在解決這些矛盾的過程中，頭腦中的片面認(rèn)識會自覺地發(fā)展成為全面認(rèn)識，錯誤的認(rèn)識會初步轉(zhuǎn)化為正確的認(rèn)識，表面的認(rèn)識會逐步得到深化。

又如，要使學(xué)生形成“慣性”的概念，其關(guān)鍵在于使學(xué)生認(rèn)識“物體具有保持運動狀態(tài)不變”這一本質(zhì)屬性。但是，在物體真實的運動中，這一本質(zhì)屬性卻為許多非本質(zhì)的聯(lián)系掩蓋著。如要維持物體的運動，一定要“外力”的作用，“外力”停止作用時，原來運動的物體便歸于靜止;恒定的“外力”作用，是維持勻速運動的原因;“外力”大，速度就大;“外力”小，速度就小;等等。在教學(xué)中怎樣使學(xué)生摒除這些非本質(zhì)聯(lián)系而較順利地揭示本質(zhì)屬性形成“慣性”概念呢？

筆者認(rèn)為可以這樣做：首先列舉一些非本質(zhì)聯(lián)系的實例，順應(yīng)學(xué)生的已有經(jīng)驗。桌子不推就不動;樹枝無風(fēng)就不搖動;已經(jīng)推動的桌子，一松手就停住了;踢出去的足球會慢慢停下來。故意說：“這些事實說明了力是產(chǎn)生運動的原因?！保A(yù)習(xí)了的學(xué)生此時有些耐不住，但一時不懂怎么組織語言反駁老師的觀點）然后將問題引向深入，引發(fā)矛盾沖突，激活學(xué)生的思維、聯(lián)想。實驗?zāi)M百米賽跑運動員到達(dá)終點時，想收腳也收不住;行駛的汽車不踩油門后，仍能繼續(xù)前行;動車進(jìn)站時，若不減速剎車，很難停在車站;飛機(jī)降落地面后，必須要強(qiáng)力剎車且還要運動很長一段距離后才能慢慢停下來;從槍膛射出的子彈飛行很長一段時間都停不下來;運動的洪水若不受阻礙根本停不下來;火山爆發(fā)的沖擊波很難停下來;等等。（到此時，未預(yù)習(xí)的學(xué)生的認(rèn)知與原有經(jīng)驗已經(jīng)有矛盾沖突，開始尋求討論了）

實驗?zāi)M過程與學(xué)生的已有認(rèn)知發(fā)生矛盾沖突，學(xué)生不能用自己的知識來解釋老師提出的現(xiàn)象。（學(xué)生猶豫了，開始沉默思考，主動尋求新的思路）

在學(xué)生認(rèn)知發(fā)生矛盾沖突，尋求新的解釋思路時，教師可順勢強(qiáng)化問題的本質(zhì)屬性刺激，啟發(fā)學(xué)生思考的方向。靜止的物體不受外力會怎么樣？運動的物體所受外力非常小時會如何運動？（將層層分解的問題提出來，學(xué)生的思路會逐漸清晰起來）

最后教師引導(dǎo)歸納：運動的物體所受外力很小時，會如何運動？運動的物體假如不受外力時會如何運動？

教師用實驗再現(xiàn)學(xué)生難以感知的運動的物體所受外力較小時的過程，為學(xué)生的聯(lián)想和思維加工提供臺階，安裝抓手。學(xué)生對感性材料通過聯(lián)想和思維加工“去粗取精、去偽存真、由表及里”。

三、通過實驗將復(fù)雜現(xiàn)象簡單化，降低學(xué)生學(xué)習(xí)概念的難度

物理知識體系之間是相互聯(lián)系的，物理概念之間也是相互關(guān)聯(lián)的，在物理教學(xué)的過程中，教師通過新課、練習(xí)、復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)不斷加深學(xué)生對概念間的聯(lián)系與區(qū)別的理解，增長和豐富學(xué)生的知識體系。在物理教學(xué)的過程中，將物理實驗和物理概念的講解有效結(jié)合，能將復(fù)雜現(xiàn)象簡單化，將概念間的聯(lián)系明朗化。原因是物理實驗具有將復(fù)雜的條件簡化和純化，突出研究對象的主要因素，排除次要的非本質(zhì)因素，使需要認(rèn)識的某種性質(zhì)或關(guān)系以比較純粹的形態(tài)表現(xiàn)出來的特點。如在練習(xí)題中關(guān)聯(lián)到壓力和重力的相關(guān)概念時，單一用講授的辦法，學(xué)生始終難理解壓力與重力的區(qū)別。如果此時巧借下面這個小小的實驗，學(xué)生會比較容易將兩者的聯(lián)系與區(qū)別徹底弄清楚：選用一個長的塑料尺（約60cm長的軟塑料尺）組成斜面（初坡度約為60度），將稍重的鉛塊圓柱體放在斜面上，提示學(xué)生觀察并記錄塑料尺的形變程度;然后不斷減小坡度，引導(dǎo)學(xué)生觀察并記錄塑料尺的形變程度;最后讓學(xué)生在經(jīng)歷體驗后分析重力的變化情況、塑料尺所受壓力的變化、塑料尺的形變程度的變化等，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察和記錄，歸納壓力與重力的聯(lián)系與區(qū)別。

總之，物理實驗對初中物理概念的建構(gòu)是多層次、多角度、多側(cè)面的，筆者拋磚引玉，希望能夠引起同行的重視，并對其中的不盡、不全、不足之處多多指教。

（責(zé)編 白聰敏）