游海女

(浙江省臨?；仄种袑W 浙江 臺州 317000)

高中物理概念是構成高中物理的基本內容，又是科學規(guī)律和理論的基礎，更是思維過程的核心內容之一.在概念教學中，只有通過研究學生的概念學習路徑，才能促進學生概念的形成或轉變，使概念教學課堂變得更有效.只有充分了解物理概念的歷史及學生原有的知識水平、思維過程和表征方式,才能為教師優(yōu)化教學路徑提供依據(jù)，才能優(yōu)化概念的學習路徑，促進學生概念的形成或轉變.因此,物理概念的教學中，提出以學生已有的概念表征為起點，以學生概念學習的思維過程為主線，以優(yōu)化概念表征為目的的三位一體策略，不僅優(yōu)化概念教學路徑，而且優(yōu)化學生概念的形成和轉化，幫助學生形成正確而科學的概念體系，從而提升物理學習力.

1 以學生已有的概念表征為起點

美國著名的教育心理學家奧蘇貝爾在他最有影響力的著作《教育心理學：認知觀點》中寫道：“如果我不得不把教育心理學的所有內容簡約成一條原理的話，我會說：影響學習的最重要的因素是學生已知的內容.弄清了這一點以后進行相應的教學.”[1]因此，學生已有的概念表征是學生學習新概念的起點和基礎.奧蘇貝爾還指出有意義學習就是所學習的新命題與學生的原有認知結構中的命題建立具有本質聯(lián)系的過程.新舊命題之間存在上位關系、下位關系及并列組合關系.根據(jù)這些關系，他提出上位學習、下位學習和并列組合學習這3個學習模式.

(1)利用原有上位概念同化新概念

奧蘇貝爾認為，促進學習和防止干擾的最有效的策略，是利用適當相關的和包攝性較廣的、最清晰和最穩(wěn)定的引導性材料，這種引導性材料就是所謂的組織者[2].因此，教師在學生學習新概念的知識之前，有必要將這些組織者呈現(xiàn)給學生，則可以促進新命題與學生原有認知結構中的命題之間產(chǎn)生相互作用.

比如，在力學當中，其中力就是上位概念，而重力、彈力、摩擦力等即為下位概念.在學習彈力這一新概念之前，學生原有認知結構中力的概念即力是物體與物體之間的相互作用.因此彈力的定義就是發(fā)生彈性形變的物體，由于恢復原狀，對與它接觸的物體產(chǎn)生力的作用.在對彈力定義的同時，也明確了彈力產(chǎn)生的原因.接著進一步從力的三要素學習彈力的大小、方向及其作用點.

(2)利用原有相似概念形成新概念

在物理新概念學習時，若原有認知結構中的概念與新概念之間有著相同或相似的關系，那么教學中可采用類比的方法，實現(xiàn)新舊概念的正遷移，更容易突破難點，從而建立對新概念的認知.

比如，形成磁感應強度這一抽象概念需要與之相似概念作為先行組織者,那就是電場和電場強度.可以通過問題引入：磁場的基本性質是什么？用不同磁體吸引相同的鐵塊，現(xiàn)象相同嗎，這說明什么？進一步引導學生認識到磁場與電場一樣都是一種特殊的物質，具有力的性質和強弱之分.

再次思考：通過與電場對比分析，怎樣認識和描述磁場的方向與強弱？

類比分析如圖1所示.

圖1 電場和磁場類比分析

(3)創(chuàng)設情境主動探究生成新概念

物理概念的形成過程，就是學生通過對物理現(xiàn)象、物理實驗和物理事實的觀察和分析，進一步分析歸納、概括總結、科學抽象，從而習得新概念的過程.這里的物理現(xiàn)象、物理實驗和物理事實即是所創(chuàng)設的情境，旨在重新提取學生頭腦中原有的概念表象表征，以激發(fā)學生思維，從而將學生的認知引向新概念的形成.創(chuàng)設情境的目的就是引起學生的注意和興趣,還可以是引起學生對現(xiàn)有概念的不滿，本質上是為了揭示事物之間的矛盾或引起學生認知上的沖突，使學生原有認知結構的平衡狀態(tài)被打破，從而激活學生的思維，激發(fā)其學習新知的內驅力，達到自覺主動地學習新概念的目的.

比如，在“折射率”的學習中，就可利用演示實驗創(chuàng)設真實情境.

演示實驗1：在兩個完全相同的玻璃燒杯中分別倒入體積相同的水和食用油，在每個杯中斜插入一根金屬細棒，從杯子的側面以相同的方向分別透過水和食用油觀察細棒，你將看到什么現(xiàn)象？這個現(xiàn)象說明什么？

先讓學生進行猜測，再演示實驗.從實驗中可以看到，浸在杯中的兩根金屬細棒在液面處的斷裂程度不同.并對這一實驗現(xiàn)象進行分析說明.

演示實驗2：激光以相同的入射角分別從空氣射入水和食用油，觀察折射光線的偏折程度.

實驗現(xiàn)象如圖2所示，從空氣以相同的入射角射入水和食用油，發(fā)現(xiàn)食用油中光的偏折程度更大.

圖2 光在水中與食用油中的折射實驗

點評：以上兩組實驗是為學習折射率創(chuàng)設了問題情境.通過現(xiàn)象的對比，發(fā)現(xiàn)不同的介質對光的偏折程度不同，能刺激學生的感官，直觀地看到水和食用油對光的傳播情況不同，從而激發(fā)學生強烈的求知欲望.

2 以學生概念學習的思維過程為主線

物理概念的形成通常要經(jīng)歷對大量的實驗和事實進行觀察和分析的過程，然后對這些物理現(xiàn)象和過程的共同特征進行歸納、概括和抽象，還可能需要實驗驗證，甚至進行科學推理，最終確定其最本質的特征，形成概念的表征.所以，物理概念的形成過程就是學生通過歸納概括某一概念關鍵屬性的思維過程.因此，教學過程要注重體現(xiàn)學生科學思維的發(fā)展，以優(yōu)化概念學習的路徑，使學生的自主學習能力和科學探究能力得到提高.

(1)依據(jù)概念學習路徑確定教學過程

優(yōu)化教學過程就要以學生的認知水平為基礎，以學生概念學習思維路徑為主線.按照概念的不同分類，概念學習的路徑也必將有所不同，因此依據(jù)概念學習路徑確定的教學過程也是不同的.

若將概念按照關系來分，可分成上位概念、下位概念和并列概念.根據(jù)概念之間的這些關系進行學習，常常會使抽象難理解的概念變得容易習得.當學生具有下位概念時，學習上位概念就更容易理解.比如，學習了機械波和光波這些下位概念之后，再學習上位概念波動就比較容易，同時也進一步促進下位概念的理解，使認知結構更加完善.當學生具有上位概念時，學習下位概念就可以通過回顧上位概念的本質屬性習得.若呈現(xiàn)的是并列概念，則可采用類比的方法習得新概念.圖3所示為依據(jù)新舊概念之間的關系學習新概念的學習路徑.

圖3 依據(jù)新舊概念間的關系學習新概念的學習路徑

針對這類新概念的教學，教師可以通過創(chuàng)設情境，為學生提供與新概念相關的概念，讓學生陳述原有概念的本質屬性，分析類比與新概念的關系，明確概念表象，利用這些關系同化新概念，在習得概念的基礎上進一步應用新概念，使學生能在新情境中遷移應用新概念解決問題，從而深化和完善認知結構.

依據(jù)概念的物質屬性和性質，可將概念分成定性和定量兩類.圖4所示為定性概念的學習路徑.

圖4 定性概念的學習路徑

這類概念具有內涵深刻且富有哲理的特點，但是比較抽象，直接從概念的定義上很難深刻理解，比如質量、能量、電場、磁場、波粒二象性等.因此，針對這類概念學習教學過程可以是首先由教師提供豐富的物理現(xiàn)象、實驗或陳述性事實等感性材料，使學生全方位地獲得感性的認識.通過讓學生觀察和分析提取事物共同的特征屬性，形成概念的表象.教師組織學生通過不同的方式，可以是合作學習，也可以是探究學習，深入分析和比較，師生或生生共同歸納和概括，最后抽象出概念，最終形成新概念.將習得的新概念順應到原有的認知結構中，以達到新的平衡.若利用習得的概念去回答或解決問題，概念及認知結構將更加完善.

圖5所示為定量概念的學習路徑.

圖5 定量概念的學習路徑

這類概念能反映物質或物質運動的快慢及其特性，通常采用比值方法定義，比如密度、加速度、電場強度、電容等概念.這些概念在數(shù)值上同與之關聯(lián)的物理量無關，是反映概念本身屬性的物理量，比值定義式只是提供了一種計算大小的方法.

下面以“電容器與電容”為例，依據(jù)學習電容器和電容的路徑確定教學路徑，完整的教學路徑如圖6所示.

圖6 “電容器與電容”教學路徑圖

(2)根據(jù)概念學習的思維難度搭建教學支架

當新概念比較抽象難理解時，需要教師為學生搭建思維的支架，幫助學生構建新概念.比如教師可以創(chuàng)設階梯式的問題或實驗探究情境，引導學生搜尋認知結構中已有的概念和知識,通過演繹推理主動探究,以此激發(fā)、深化學生思維，再進一步引導學生進行多層次、多維度的交流、合作探究，降低思維的難度，從而理解掌握概念的內涵和外延.

思維定勢使學生原有認知結構可能阻礙或干擾新知識和概念的學習，則會形成一種負遷移.那么在教學過程中則可以創(chuàng)設情境引發(fā)認知沖突，為思維搭建支架，以突破學習思維定勢的負面影響.

比如，在學習靜摩擦力的方向之前，學生常常會碰到思維上的障礙.有不少學生想當然地認為“靜摩擦力的方向與運動方向相反” “靜摩擦力一定阻礙物體的運動”.教師可以提出一系列的問題，之后讓學生體驗結合多媒體動畫突破這個難點.

問題1：人在平直的公路上行走時，人所受的摩擦力方向如何？

問題2：當人向前走路時，突然后腳踩到一塊香蕉皮，結果會出現(xiàn)什么情況？此時摩擦力的方向如何？

問題3：當人向前走路時，為什么后腳沒有像踩到香蕉皮那樣打滑呢？

問題4：當人向前走路時，若前腳向前著地時，剛好踩到一塊香蕉皮，前腳會出現(xiàn)什么情況？此時摩擦力的方向如何？

通過問題1，暴露學生對靜摩擦力方向的認識誤區(qū).多數(shù)學生想當然地認為“摩擦力應該是阻礙人向前的運動，其方向應該與運動方向相反，因此判定摩擦力的方向應該向后”；當然另一部分學生則認為“人走路時，人之所以會前進，是因為摩擦力是動力，所以摩擦力的方向應該向前”.這是一個與學生的生活緊密聯(lián)系的問題，雖然走路是習以為常的，但卻僅僅是停留在表象上的認識，由于思維定勢，沒有認真分析本質原因，想當然地認為摩擦力是阻力或動力.為了深入分析本質原因，進一步創(chuàng)設問題2，3，4情境，引導學生進行更深入地思考.

問題2呈現(xiàn)的是學生比較熟悉的情景，結果出現(xiàn)后腳會向后打滑，由于慣性人向前傾倒的現(xiàn)象，學生根據(jù)后腳向后打滑，意識到后腳受到向前的摩擦力.

問題3引導學生思考認識到后腳沒有踩香蕉皮時，雖然沒有向后打滑，但是有向后打滑的趨勢.因此后腳受到向前的靜摩擦力，阻礙了后腳向后打滑的趨勢.

問題4學生會根據(jù)生活經(jīng)驗得出前腳向前打滑，由于慣性人向后傾倒的現(xiàn)象.最后分析總結發(fā)現(xiàn)前腳在沒有踩香蕉皮時有向前打滑的趨勢，因此前腳受到向后的靜摩擦力，阻礙了前腳向前打滑的趨勢.

綜合以上4個問題的深入討論，得出結論：“人走路時，后腳受到向前的靜摩擦力，阻礙了后腳向后打滑的趨勢.前腳受到向后的靜摩擦力，阻礙了前腳向前打滑的趨勢”.進一步得出結論：“靜摩擦力方向總是與相對運動趨勢的方向相反.”

3 以優(yōu)化概念表征為目的

物理概念表征的主要形式有表象、概念、命題及圖示.物理概念的表征是否正確直接影響到物理認知結構是否完善.學習困難的學生常常是因為物理知識表征不科學、不完善，反映出對概念認識不深刻，在解決問題環(huán)節(jié)常會出現(xiàn)問題.

(1)強化概念表象表征

反映學生物理能力高低的一個重要標志就是看他認知結構中的物理圖景表象表征是否足夠豐富、足夠清晰.而缺少表象表征的學生，由于在學習物理的過程中沒有形成清晰、正確的物理圖景，影響了概念習得的效果.因此，在教學過程中，教師要提供豐富的感性材料，強化概念表象表征，能夠在頭腦中形成正確的物理圖景，這也是概念教學的第一步，也是學生后續(xù)獲得概念的重要條件和基礎.

比如，在學習“彈力”概念中，教師提供豐富的感性素材有實驗和多媒體課件所展示的利用彈力的生活場景視頻：運動員撐桿跳高、跳水運動員在跳板上的起跳、拉弓射箭等.學生通過觀察、歸納得出彈力產(chǎn)生的兩個定義特征：直接接觸和發(fā)生彈性形變.

(2)優(yōu)化概念命題表征

物理概念的學習就是完成一個個命題的學習，以形成命題網(wǎng)絡為表征的知識.因此，在物理概念的命題學習時，若對提供的材料或命題進行深加工，命題表征就會越深刻，在問題解決時也就越容易提取.

比如，圖7反映了高中階段加速度這一概念命題表征的多種形式.加速度概念的命題表征隨著學習的深入而不斷得到優(yōu)化和完善.

圖7 加速度的命題表征

高中階段對加速度最初的認識是描述速度變化快慢的物理量，采用比值方法定義概念的命題表征，獲得了計算加速度的方法.在勻變速運動一章，用速度-時間圖像的斜率表征加速度.在牛頓第一定律中習得力產(chǎn)生加速度的原因和質量越大，慣性越大，運動狀態(tài)越不容易改變，即加速度越小.最后通過實驗探究得到牛頓第二定律，即加速度的決定因素力和質量，利用數(shù)學表達式進行表征.

(3)利用概念圖式建立概念聯(lián)系

物理概念的表征方式除了命題表征之外，還可以用圖示表征方式.若學生將學習過的幾個相關的不同級別的概念圖式或命題組成一個網(wǎng)絡，就形成一個概念圖.至于其中的新概念，由于不同概念之間的關系得以明確顯示，使新概念的含義更加豐富，這非常有助于學生運用已知概念來學習新的概念，進而強化了新概念的表征.

因此，學生在學習新概念時，若僅對概念進行孤立、零散的記憶存儲，不利于信息的加工和提取.因此，可以有意識地將要學習的關鍵概念與自己頭腦中已有的其他概念進行聯(lián)系，形成以概念圖式或命題相聯(lián)結的概念圖，真正的學習才會發(fā)生，知識的建構才能實現(xiàn).

比如，圖8為靜電場的概念圖式，這個概念圖能夠清晰地呈現(xiàn)靜電場中不同級別概念之間的聯(lián)系.幫助學生在頭腦中形成完整的知識網(wǎng)絡體系，有助于信息加工時知識的記憶和提取.

圖8 靜電場概念圖

(4)通過概念運用優(yōu)化概念表征

當學生面對新問題情境時，能應用所學的物理新概念進行解決，則物理新概念得到進一步鞏固而同化到原有的認知結構中.若面對新問題情境所呈現(xiàn)的物理過程或現(xiàn)象是學生用新概念知識無法解決的，那么學生便會重新審視所學的新概念，且對物理新概念進行再次修正和完善以使認知結構重新達到平衡.在應用物理新概念解決實際問題中，有效地拓展了物理新概念的內涵和外延，也進一步鞏固和深化對物理新概念的表征.

比如，學習“機械振動”這一章節(jié)時，學生在綜合了機械振動的表象表征、命題表征等陳述性知識形成了機械振動的概念圖式.教師利用具體的彈簧振子實驗讓學生對其過程做進一步觀察和分析，這一環(huán)節(jié)就是用習得的機械振動的概念圖式對彈簧振子的運動進行同化或順應，使學生對機械振動的理解得到進一步鞏固和深化.明確了機械振動不僅有一個平衡位置和具有往復性，而且回復力的作用是機械振動具有往復性的這一本質特征的原因.再對彈簧振子做進一步的研究，學生還能認識到這是機械振動中最簡單的運動方式——簡諧運動.同時還能獲得簡諧運動的圖示表征即回復力與位移的定量關系，以及描述機械振動相應的位移和時間圖像的表象表征，進一步深化機械振動概念的圖示表征，完善了認知結構.