巧用先行组织者策略攻克物理概念教学之困

摘 要：物理概念因其具有高度的概括性、抽象性，一直是物理教学的难点.其关键在于学生不能够将新概念纳入原认知结构之中，进而难以理解物理概念的内涵.但根据奥苏贝尔有意义学习理论，若在物理概念教学中巧妙设计先行组织者策略，学生便能提前意识到新旧概念间的逻辑结构，进而使概念教学的难度大大降低.本文针对电势能这节内容，精心设计了包括演示实验、知识对照表、思维流程图三种形式的先行组织者用于概念的讲授，极大地降低了概念教学的难度.同时也为物理教育研究生及新教师如何将先行组织者策略用于物理概念教学提供参考实例.

关键词：物理概念教学;有意义学习理论;先行组织者策略;电势能

文章编号：1008-4134（2020）07-0017中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：杨帆（1994-），男，陕西人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理有效教学策略以及新课改研究.

1 理论背景

1.1 先行组织者

先行组织者最早是由美国教育心理学家奥苏贝尔基于其有意义学习理论提出的一种教学策略，它是指“呈现于新的教学内容之前的关于学习主题内容的引导性材料，这个前导性材料的抽象性、一般性和概括性都高于正式学习材料[1].组织者在认知结构上与前后知识都有联系，其目的就是在学习者学习新知识时为其提供一个在旧有认知结构上同化新知识的固着点，因此在教学中起到连接新旧知识的桥梁作用.

根据先行组织者对新知识学习所起到的作用不同，可将组织者分为陈述性组织者和比较性组织者.陈述性组织者比新知识概括性和抽象性高，在认知结构上与新知识之间是上位关系，旨在为新知识提供一种类属关系.比较性组织者与新知识之间并没有实质性的联系，但其能帮助学习者区分旧知识与新知识的相同点与不同点，从而将概括性观念渗入学生的认知结构中，有利于正式材料的学习.

1.2 先行组织者应用于物理概念教学的教学策略

物理概念是某类物理现象和物理过程的共同性质和本质特征在人们头脑中的反映，是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维形式.在中学物理教学中，学生对物理概念内涵的掌握是学生学习物理学科的基础[2].从认知学习理论角度而言，学生学习物理知识的过程其实质是大脑中物理认知结构的不断扩充与重构.但物理概念往往具有较高的抽象性、逻辑性，这使得学生在学习物理时感到晦涩难懂、难以理解.其中关键原因在于学生不能将新的物理概念与大脑中已有的知识形成实质性的联系，从而不能理解和掌握新概念的本质和内涵.然而巧妙利用先行组织者策略使学生在接受新知识之前提前在大脑中形成联结新知识的固着点，如此学生能够更快地把握新旧知识间的逻辑结构，进而将新的物理概念同化于已有认知结构之中，这样学生才能真正把握新概念的内涵与本质.

结合物理概念教学的规律以及先行组织者的基本形式，制定如下几种策略：

1.2.1 以演示实验作为先行组织者的教学策略

物理演示实验具有直观性，因此，演示实验作为先行组织者主要用于概念的导入.学生通过观察实验现象形成对新概念的直观感知，建立表象.其次，最重要的是设计演示实验的实验原理要是学生认知结构中已有的，同时，实验原理所涉及到的物理概念要統摄新概念，前者是后者的上位概念.这为新概念的引入提供固着点.

1.2.2 以文本材料作为先行组织者的教学策略

文本材料的先行组织者主要以阅读材料的方式呈现，其内容可以是物理史料、科学趣事、理论推导过程、知识对照表格.教师可以提前将文本打印出来，在上课前分发给学生.另外，文本阅读要配合教师的引导，或是学生以合作学习的方式完成阅读任务.同时针对文本材料和新的物理概念教师要合理设计与之相关的问题，引发学生对材料核心概念之间逻辑关系思考，如此才能起到先行组织者的作用.

1.2.3 以课件资源作为先行组织者的教学策略

教学课件是日常教学的主要辅助手段，它能高效清晰地呈现出一节课的教学内容.但其绝不是对教学内容的简单罗列.作为先行组织者可以是一张PPT也可以是flash动画.课件内容的设计必须具有引导性、逻辑性，要能够让学生将新知识与旧知识联系起来.除了具体指示的呈现，课件内容也可以呈现科学研究思路，让学生顺藤摸瓜，对新知识进行探究学习[3].

2 实例分析

本文以人教版教材第一章静电场的“第四节电势能与电势一”为例，详细介绍以上三种策略如何应用于课堂教学.

2.1 演示实验、引入概念

电势能的概念较为抽象，学生难以直观感知到电势能的存在，而物理实验具有形象直观的特点.因此想到利用演示实验的方法来引入电势能[5].另外，从先行组织者理论来看，引入阶段的关键在于为学生提供某一统摄电势能的上位概念，由这一上位概念出发，学生能够利用旧知识通过逻辑推导自然地引入电势能这一下位概念.于是，笔者通过搜索相关资料设计了“带电小球在平行金属板中的运动”这一实验.如图1，当平行金属板不带电时，带电小球处于静止状态，转动感应起电机平行板带电，板间产生电场，于是在电场力的作用下小球运动，小球也就具有动能.考虑到学生上一学期已经学习了能量守恒定律，于是，学生从能量守恒原理出发可顺理成章地推理出小球的动能是由某一未知的能量转化而来，进而引入电势能这一概念.在这里上位概念便是能量，而能量守恒定律就是已有的旧知识.所以通过实验现象，学生便能在已有认知基础上衍生出新的 “下位概念”-电势能.所以，演示实验便作为认知桥梁将旧知识与新知识连接了起来.因此，该演示实验本质上也就扮演着先行组织者的角色.

2.2 对照表格、类比概念

通过实验引入电势能之后，学生并没有掌握电势能概念的基本内涵.因此，下一步要解决的核心问题就是如何引导学生并给出电势能的定义，建立电势能的概念.众所周知，电势能属于势能，要给出电势能定义就要类比重力势能.如果课程设计中只是单纯类比重力做功讨论电场力做功特点，这种教学方式略显突兀.学生只是机械地类比两种力做功特点，而没有进一步认识到两个力场在力学性质方面的一致性.这不符合有意义学习的理念.只有当学生认识到重力及重力场与电场力及电场两者在力学上具有众多相似性，才能自然而然地想到电场力做功与重力做功也具有相似性.因此，学生也就意识到这种新的能量（电势能）与重力势能相似.基于此，笔者决定应该先引导学生比较发现两种场在力学性质方面有诸多相似之处，这样学生便可顺理成章地导出两种力场在能量方面也具有相似之处[4].

比较两者力学性质可以表格的形式呈现给学生，如表1所示.它相当于扮演着先行组织者的角色.因为，其作用有以下几点：其一，学生提前回忆了重力场、静电场的力学相关知识;其二，为学生提供一种认知结构，该结构的上位概念即指两种力场，下位概念指两种力场都分别具有力的性质和能的性质;其三，联结新旧知识，即将旧的重力势能相关知识与新的电势能这部分知识通过表格联系了起来.

2.3 科学探究、定义概念

经过以上两个阶段的学习，学生已充分认识到静电场和重力场有众多相似之处，下一步便可自然地启发学生以小组为单位自主地模拟重力势能的建立过程，来建立电势能的概念.该过程以学生自主探究的方式展开，主要涉及以下几个步骤.首先，学生根据重力势能来猜想影响电势能的因素有哪些？电势能是否具有哪些性质？电势能的改变量与电场力做功之间有什么关系？其次，在猜想的基础之上，老师以PPT（见图2）的方式概括出重力势能建立的关键几步，以此作为先行组织者清晰展现出势能建立的逻辑脉络，学生便可顺藤摸瓜，进行理论推导得出电势能的概念和表达式.在学生们得到各自定性或定量结论之后，引导学生分组对结论进行分析论证，验证学生以上猜想是否合理.最后，老师与学生一起归纳总结以上探究过程，进一步深化对电势能概念的理解.

3 课堂实录

以下是笔者在一次实践教学中的实录情况.

3.1 导入环节

教师指着感应发电机问道：“同学们刚才研究了半天这个家伙，你们知道它的用途是什么吗？”全班同学默不作声，只等老师揭晓答案.

老师说道：“这家伙的学名叫感应起电机，转动它的手柄金属杆的两端便会聚集大量电荷，今天我们就用它来做一个课前演示实验.我们上节课学习了静电场，同学们认为带电物体位于电场中是否具有能量？”

这时，全班学生陷入沉思，有人说有，有人说没有.当老师询问同学们的猜测依据时，没有一位学生能回答得上来.这时老师叫起一向反映活跃的课代表张同学：“你来试试看”.张同学道：“我也不好说，因为电场看不见、摸不着，如何知道带电体在电场中具有能量呢？”同学们似乎都与张同学有同样的疑惑.这时老师又道：“即便电场看不见、摸不着，但是下面可以通过一个演示实验间接证实电场具有能量”.

一边说话的功夫，老师已将演示实验装置调试就绪.之后他问道：“哪位同学愿意配合老师完成这个任务？”只见张同学第一个举手示意，老师便叫他上来并告诉他实验开始时，自己只需摇动感应起电机的手柄.同时他提示全班学生注意当张同学摇动手柄的同时，及时观察金属板之间的被铝箔包裹着的小球的运动情况.并要求学生在实验结束之后描述小球的运动情况，并让学生解释为什么这样能够证明电势能的存在.话毕，张同学开始摇动手柄，只见小球快速向右摆动.

老师立即提问道：“哪位同学能够描述一下刚才的实验现象，并说明通过实验现象我们能得出什么结论？”齐同学站起来答道：“在张同学摇动手柄之后，小球开始摆动”.老师道：“那为什么摇动之前没有摆动呢？”齐同学道：“因为摇动之后平行板之间就有了电场，电场对小球有力的作用，所以小球发生了摆动”.老师又问道：“这又怎么能说明带电小球在电场中具有能量呢？”这时张同学立即答到：“小球有动能，这个能量就是动能”.老师道：“那小球的动能又是怎么来的呢？”张同学又道：“因为电场力对小球做了功”.老师紧随其后问道：“根据功能原理，做功势必伴随着能量的转化，那么同学们猜测一下应该是什么能与什么能之间发生了转化呢？”

同学们此时都意识到小球摆动所具有的动能应该是某一能量转化而来的，但又具体说不上来.于是老师说道：“同学们，在刚才小球运动过程中转化为动能的能量就是我们刚才要证实的带电体在电场中所具有的一种能量.它就是今天要学习的——电势能”.

3.2 类比环节

在成功引入电势能概念之后，接下来，老师的教学任务是让学生明确为什么要引入电势能，这样做的意义是什么？于是，老师又问道：“刚才我们已经得知带电体在电场中时具有某种能量，那么为什么我们要研究这种能量呢？其次，这种能量为什么叫电势能？”

学生们看上去似乎对这一问题感到十分诧异.于是老师道：“回答这个问题之前，先给大家讲述一段史料”.老师向学生们讲述了19世纪伟大的物理学家亥姆霍兹是如何类比力学中的势能引入电势能于静电场的过程.同学们这时也听得津津有味，正在学生们意犹未尽之时，老师道：“同学们想不想经历一下当年这位伟大的物理学家的思路历程呢？”同學们异口同声道：想.

老师示意课代表将提前准备好的先行组织者材料，即“两种力场力学特征比较表”分发给每个学生.他告诉学生：“当年亥姆霍兹就是从比较重力场与静电场的力学特征开始的.为便于同学们进行系统的比较，请大家认真阅读这张表并填写在表格中的空白之处，完成之后你们会惊奇地发现两种场具有惊人的相似之处”.

怀着强烈的求知欲和好奇心，学生们各自埋下头来认真地完成表格.老师注意到大部分学生已经完成任务.于是问道：“同学们，看完这张表你们有什么发现吗？”这时学生都看着表格，仿佛若有所思.老师又问：“自然界有诸多对称之处，启动你们的慧眼仔细看看这张表有没有对称之处呢？”话音刚落，只见田同学举手说道：“电荷受到的电场力与重物所受万有引力两个表达式在形式上十分相似，它们都是与距离平方成反比的力”.老师激动地说道：“说得好！除此之外其他同学还有没有类似的发现呢？”这时，一直默不作声的王同学站起来说道：“我发现这两个力除了具有相似的表达式之外，它们的方向都是指向场源中心的，而且电荷附近的电场线与地球附近的重力场线方向都是竖直向下的.”老师接着说：“既然电场线方向都一致，那么这样的场我们就可以近似将它看作什么场呢？”全班学生齐声答道：“匀强场”.

老师又问：“既然两种力场相似之处有如此之多，那他们在本质上是不是应该类属于同种力场呢？”同学们仿佛若有所思，但又具体说不上来.老师又道：“同学们，这两种力场实际上有一个共同的名称，叫保守力场”.

这时，老师认为学生们已充分意识到两种力场类属保守场这一上位概念.又提问道：“同学们，通过刚才的讨论我们知道重力场和静电场都是保守场，那么我们除了从力学角度研究保守场之外，还应该从哪个角度研究它呢？”这时，王同学答道：“重力场有重力势能，那么静电场也应该有电场力势能.”老师补充道：“非常棒！当年亥姆霍兹和你有一样的想法，不过他和你的叫法不一样.实际上，当亥姆霍兹发现了两种场有着惊人相似之处时，他便立即想到它们在能量方面也应该是相似的，于是他类比重力场的重力势能，提出静电场应该具有电势能.电势能概念的建立使得人们对静电场的研究又推进了一步.同学们，这就是类比的力量”.

3.3 自主探究，建立电势能概念

在上述讨论之后，老师因势利导问道：“既然我们刚才一致认为有相似之处，那么我们是不是可以类比重力势能的建立过程来建立电势能的概念呢？”学生们纷纷表示赞成.于是，按照原计划老师开始引导学生们进行自主探究，独立完成对电势能概念的建立.

3.3.1 类比重力势能，合理进行猜想

老师对学生道：“重力场对应能量形式为重力势能，下面请同学们根据重力势能的相关属性，大胆猜测一下电势能应该具有哪些属性？”这时何同学站起来说道：“重力势能是重物和地球所共同具有的能量，因此电势能也应该为电荷和场源电荷所共同具有的能量”.老师立即表示肯定，说道：“很聪明，重力势能既然具有系统性，电势能也理应具有系统性.其他同学还有不同的想法吗？”这时课代表张同学站起来说道：“重力势能的大小取决于零势能面的选取，电势能大小的确定也要事先规定好零势能面.”老师补充道：“对，重力势能具有相对性，那么电势能也具有相对性.”

经过前面两位同学的发言，其他学生似乎受到了启发，陆续开始发言.有人认为电势能大小与所处电场强度有关，有人认为电势能大小与电荷量有关.大家你一言我一语，课堂气氛十分活跃.这时，老师立即切入正题道：“同学们想法都很合理，如何证实你们的猜测呢？”

3.3.2 理论推理演绎，确立势能概念

到目前为止，学生大脑中对电势能已形成初步认知，但对概念缺少明确的定义.因此，下一步老师开始引导学生通过自主学习的方式，让他们对电势能做出明确的定义.在开始之前，李老师将PPT播放到对应页面，这一页面上呈现的是重力势能建立过程的思维流程示意图（如图2），这便是笔者所设计的第三个先行组织者材料.其目的在于唤起学生记忆中对重力势能的定义过程，进而类比该过程建立电势能概念.

老师接着说道：“同学们，要想验证自己的猜想是否正确，下一步就要给电势能以明确的定义，得到其大小的计算公式.那么，如何定义电势能呢？”就在学生们一筹莫展时，老师指着投影屏幕道：“同学们请看，这是老师总结的定义重力势能的关键步骤，我们一起来回忆一下.”在带领学生仔细回忆完上述过程后，老师又道：“接下来，同学们可以分组讨论并模仿上述步骤，进行理论演绎推理给出自己对电势能的定义.之后，我会选择三组同学上讲台把你们的讨论结果和大家分享.”

话音刚落，学生们便按照往常分好的学习小组开始了热烈的讨论.这时，老师也走下讲台，来到学生中间和他们时不时地互动交流.10分钟以后，老师拍了一下双手以示安静.顿时，教室回归平静.老师又道：“哪一小组愿意上讲台和大家交流一下，电场力做功有何特点？”这时，第三学习小组组长刘同学主动请缨.于是，李老师将他请上讲台.只见他在黑板上画出三幅图，分别对应电场力沿不同路径的做功示意图（如图3）.刘同学做完图后讲道：“我们组刚才分别计算了电场力沿以上三种路径所做功的大小，将表达式化简后发现，电场力将电荷从A位置移动到B位置所做功的大小都相同，并为同一个表达式，即其大小只取决于始末位置而与具体路径无关.”老师欣喜地看着刘同学说道：“看来刘同学的计算能力不错，大家同意他的观点吗？”同学们纷纷点头表示赞同.

老师：“既然，电场力做功与重力做功类似其大小都只取决于始末位置.那么，请哪位同学类比重力势能给电势能下一个定义”.又见课代表张同学站起来道：“可以将EqhA项定义为电荷在A位置所具有的电势能，EqhB为电荷在B位置的电势能.”由此可见，学生已经能够对具体位置的电势能做出定义，但不具有普遍意义.老师补充说：“张同学回答很好，通过刚才的计算我们发现电场力做功大小为与始末位置对应的函数项Eqh项的差值.这一函数项具有特殊意义，一方面，其变化量等于电场力做功，根據功能原理，这一函数项具有能量的含义;另一方面，电荷在电场的不同位置时，都应有确定的函数项EP与之一一对应.因此，我们就将这一函数项EP叫作该位置的电势能.因此，我们用一句话概括即：静电力对电荷做功大小与路径无关，只取决于始末位置函数之差，该位置函数就是电荷在电场该位置的电势能”.至此，老师认为学生们对电势能已经有了明确的定义.但对之前的一系列猜想还没有给予证实，同时，对电势能的基本属性也没有掌握.课堂又进入了下一个阶段.

3.3.3 证实最初猜想，深化概念内涵

依照刚才猜想的顺序老师开始了提问：“同学们，开始时我们对电势能的基本属性进行了几点猜测，接下来我们就来证实一下这些猜测是否合理.第一个问题，电势能是电荷与场源电荷所组成的系统所具有的，这一点如何证实呢？”见学生们考虑许久，老师提示到：“同学们可以仔细斟酌一下，在匀强电场中时电势能的表达式Eqh”.刚才做出猜测的何同学又一次站起来道：“电势能表达式中不仅含有与电荷有关的量q，而且包括由场源电荷决定的量，即电场强度E，由此可见，电势能大小由电荷和场源电荷共同决定.因此，电势能是电荷与场源电荷所组成的系统所决定的”.

老师称赞：“为何同学鼓掌！分析的有理有据.下面哪位同学试着说明一下，电势能大小为什么是相对的？”课代表张同学一向不甘示弱，立即说道：“因为h不是绝对的，刚才定义A点的电势能为EqhA，前提条件是认为A点到参考位置的距离为hA.但如果选取A点为参考点，则hA为零，那么A点的电势能也为零”.在一旁的老师默默地点头说道：“可见电势能的大小不是绝对的，而是相对的.它的大小取决于参考位置的选取.为了便于对电势能进行研究，我们一般先规定某一位置的电势能为零，则其他位置的电势能大小即为电场力从该位置将点电荷移至零势能位置过程中所做的功的大小”.

接着老师带着学生一起讨论了电场力做功与电势能变化之间的关系：电场力做正功，电势能减小;电场力做负功，电势能增大.

3.4 课堂小结与课后思考

老师为了帮助学生回忆本节课所学习的内容，进一步完善学生的知识结构，对本节课内容做出小结.并鼓励学生们谈谈这节课最大的收获是什么？这时王同学大声说道：“最大收获是知道了什么是电势能，以及电势能的基本性质”.老师面带微笑地点了点头说道：“刚才王同学说的只是我们今天所收获的新知识，我要补充的是，今天我们学到的最有价值的是一种方法，即类比已有概念的建立去建立新概念”.

为巩固电势能的概念，老师将提前设计好的思考题布置给学生们：“这节课我们一直以正电荷为例，讨论了其在电场不同位置电势能的大小，以及电势能的改变量与电场力做功的关系.那么，请同学们课后思考一下，如果将正电荷换成负电荷情况又将如何呢？”

参考文献：

[1] 王春阳.教育心理学[M].西安：电子科技大学出版社，2017.

[2] 杨帆.高一学生物理学习中的逻辑性思维障碍及其教学策略研究[D].上海：上海师范大学，2019.

[3] 冯杰.中学物理课程与教学论[M].北京：北京大学出版社，2011.

[4] 杨帆. 力的逻辑范畴分析及其教学价值浅析[J].中学物理教学参考，2018（04）：9-10.

[5]冯华.以物理观念统领物理教学[J].课程·教材·教法，2014，34（08）：70-73.

（收稿日期：2020-01-06）