优化物理概念教学 提升科学思维能力①

(江苏省徐州市第七中学,江苏 徐州 221011)

物理概念是对具体物理现象和过程的抽象与概括,它是物理观念的重要组成部分,是建构物理规律的重要基石,是整个物理知识体系的支撑点。科学思维是对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式,是高中生必备的物理核心素养之一。物理概念教学是高中物理教学中的重要环节,更是培养学生科学思维能力的关键环节。教师在物理概念教学中怎样优化物理概念的建构、理解和应用,进而提升学生的科学思维能力？笔者对此提出以下建议。

1 优化物理概念的建构过程,提升学生的科学思维能力

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映,是人们将感知的一切物理现象的本质特征抽象出来并加以概括所形成的。物理概念的形成经历了从具体到抽象、从特殊到一般、从感性到理性的过程，因此物理概念的建构过程是科学思维能力的形成过程。在教学中教师可以运用创设情境、迁移类比等方法建构物理概念,从而达成提升学生科学思维能力的目标。

1.1 创设问题情境,建构物理概念

物理学是格“物”致“知”,为了建构物理概念,就必须给学生创设真实的物理情境。情境可以是生活、生产中实例的列举、可以是对实物模型的观察、也可以是有趣的情境体验或是物理实验。从实际情境中提炼出探究性问题,引导学生观察、思考、猜想、分析、比较,抽象、概括出事物的本质属性,从而得出物理概念的定义,继而导出物理概念的定义式及单位等。

例如,在进行“加速度”概念的教学时,由于加速度是学生在高中物理中接触到的第一个较为抽象、难于理解的物理概念,所以创设恰当的物理情境就变得十分必要。在教学中教师可以先播放一段“摩托车、飞机赛跑”视频，并提出问题:(1) 摩托车与飞机谁最终达到的速度大？(2) 摩托车与飞机谁的速度改变大？(3) 摩托车与飞机谁的速度变化快？你是如何比较的？(4) 如果两者最终能达到的速度不一样,用时也不一样,我们又该如何比较速度变化快慢呢？通过这个例子,学生可以得出两种比较速度变化快慢的方法:一是比较速度变化相同时所用的时间,二是比较相同时间内所发生的速度变化。于是,“加速度”的概念逐渐浮出水面,再结合速度概念,学生就能够用文字语言或数学语言来较准确地表达出加速度的概念。

1.2 运用迁移类比,建构物理概念

新知的学习往往是基于旧知的基础而实现的迁移和重构,这一点同样也适用于物理新概念的教学。类比是一种典型且有效的思维方法,能够实现学生对物理概念的正向迁移,并有助于其重构物理概念体系。在具体的教学过程中,教师应充分把握教材,寻找新、旧概念之间的关键连接点,从简单的物理概念迁移类比到复杂、抽象的物理概念。

2 优化对物理概念的理解,提升学生的科学思维能力

对物理概念的正确理解是学好物理学的基础。学生初步建立了物理概念,这只是从正面对概念有了初步认识,要想比较深刻地理解概念,还需要对物理概念的内涵与外延、演变与发展进行较为深入的剖析,从横向、纵向不同侧面认识和理解概念。

2.1 理解概念的内涵与外延

所有的物理概念都有它明确的内涵与外延。物理概念的内涵是指物理概念所反映的事物的本质属性,通常需要用下定义的方法来表述;而物理概念的外延是指物理概念所适用的范围和应用的条件。物理概念的内涵决定了物理概念外延的大小,内涵越小,外延越大。由于用数学语言定义的物理概念更严密、更精确、更概括，所以对于物理概念的内涵,除了用文字把概念所反映的本质特征定性地表述出来,还要由定性分析上升到定量分析,最终获得概念的定义式。因此,物理概念教学中,需要教师引导学生对物理概念定义中的关键词加以分析,从而理解物理概念的内涵与外延。

2.2 理解概念的演变和发展

物理科学体系的建立是以物理概念为基础的,对物理概念的认知由表及里、由简到繁、由浅入深,是我们必然要经历的一个发展的过程。

3 优化对物理概念的应用,提升学生的科学思维能力

物理概念教学的最终目的是学生能够运用物理概念来解决具体问题。应用物理概念分析和解决实际问题,既是理论指导实践的过程,又是教师获得反馈信息的过程,也是学生对概念理解、深化、巩固的过程,更是提升学生科学思维能力的过程。只有运用物理概念去分析和解决实际问题,学生才能真正掌握概念,体会科学思维方法。因此在概念教学的不同阶段,教师应设计不同的问题引导学生由浅入深地理解和应用概念。

3.1 设计概念辨析类问题

在概念建构过程中,针对概念理解上容易出错的地方,设计与概念紧密相连的对比识记类、掩盖设误类和应用设误类的思考题,在辨析中加深对物理概念的理解。例如,在进行“加速度”概念的教学时,可以编制这样的思考题,来加深学生对加速度的理解。

(1) 小明说:“复兴号”CR400系列动车组研制成功并投入运营,其最高速度可达400km/h,它的加速度一定很大。这一说法对吗？为什么？

设计意图:使学生深刻理解并能够辨析速度与加速度的大小关系。

(2) 两辆小车相比,一辆小车的速度变化量很大,而加速度却比较小。这样的实例存在吗？若存在,请举例说明。

测序结果提示患儿存在ERCC6基因复合杂合突变（表 1），Sanger测序(表 2)：对父母进行同片段序列分析结果显示，该患儿分别遗传了父亲及母亲的杂合突变，该患儿ERCC6复合杂合突变中核苷酸 变 化 c.116-1125delTGAGTATTTC、c.780-781insCC； 氨基酸变化：p.Ser372SerfsX30|p.S372SfsX30、p.ProfsX70|p.P260PfsX70； 基因亚区：EX5；CDS4，属框移突变，该框移突变导致氨基酸编码蛋白发生提前终止，产生截短蛋白，会对蛋白质的结果和功能产生较大影响；该突变在文献中未见报道；与CS发病有相关性。

设计意图:使学生深刻理解并能够辨析速度变化量与加速度的大小关系。

(3) 做直线运动的汽车,后一阶段的加速度比前一阶段的小,但速度却比前一阶段大。这样的实例存在吗？若存在,请举例说明。

设计意图:使学生深刻理解加速度的方向与速度大小变化的关系。

3.2 设计概念应用类问题

在概念建构之后,教师可以从多角度提供物理概念的变式让学生作出判断,也可以通过创设问题情境、设计阶梯式问题,在应用中加深学生对物理概念的理解。

例如,在进行“加速度”概念的教学时,可以编制这样的思考题,来加深学生对加速度的理解。

(1) 百千米加速指的是0到100km/h加速时间,是对汽车动力最直观的体现。一般1.6L紧凑型轿车百千米加速时间约为12秒,2.0T的中型轿车约为8秒,而超级跑车约为3.8秒。试比较三种车型百千米加速时的加速度大小,并计算出三种车型的加速度大小。

设计意图:使学生会运用加速度定义式计算加速运动时的加速度。

(2) 汽车碰撞试验是综合评价汽车安全性能的有效方法之一。某次试验中,试验车以速度v=36km/h正面撞击固定试验台,经时间t1=0.10s碰撞结束,车速减为零,求此碰撞过程中汽车的加速度。

设计意图:使学生会运用加速度定义式计算减速运动时的加速度,学会在进行矢量运算时应选取正方向。

(3) 若试验车以水平向东的速度v=36km/h正面撞击正前方另一速度也是v=36km/h水平向西行驶的汽车,经时间t2=0.16s两车速度减小为零，求此碰撞过程中汽车的加速度。

拓展:若上述撞击发生后,经时间t2=0.16s两车以相同的速度v1=18km/h一起向西运动,求此碰撞过程中汽车的加速度。

设计意图:使学生会在多个物体的运动情境中如何合理选择研究对象,增强将实际问题中的对象和过程转换成物理模型的意识。

总之,对于物理概念的教学,要想使学生“知其所以然”,教师就必须从具体的问题情境入手,引导学生建构物理模型,在建立概念的基础上深入理解概念,然后在具体的情境中加以综合应用,即物理概念教学要从“重知识”向“重过程”转变,只有这样,学生才能真正理解概念、提升思维能力。