基于理性思维的初中物理概念教学

陈 懋

(浙江省海宁市斜桥中学,浙江 海宁 314406)

理性思维是一种基于经验事实建构理想模型的抽象概念过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质.[1]它具有概念、判断与推理3种形式.物理的理性思维包括模型建构、科学推理、科学分析、质疑创新等.库恩认为，理性思维是智力发展的最终目标，教育的核心在于发展学生的思维，尤其是理性思维.科学教学的主要任务，就是帮助学生运用比较、分析、归纳等理性思维工具，对日常概念进行重新组合、提升、进而抽象概括出共同属性，建构出科学概念.科学概念的建构过程是学生思维加工的过程.所以，通过科学概念的构建，能有效地发展学生的理性思维.[2]怎样在物理概念教学中培养学生的理性思维呢？

1 画图说理，培养学生模型建构思维

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性描述.模型与建模能力是提高学生理性思维的一个重要方面，建模能力被认为是学生将来从事科学研究的必备能力.科学概念本身就是模型，通过概念模型的建构，使得许多抽象的物理概念具体直观形象化，易于学生理解.在概念教学中，教师引导学生画图并说理表达，促进学生概念的理解，有助于学生建模思维的发展.

图1 重力方向

案例1： 重力概念教学.

对重力的方向，教师可以利用如图1所示的实验，图1(甲)，球静止时线向下，与水平面垂直，我们把这个方向叫做竖直向下，图1(乙)，铁架台倾斜的过程中，球静止时线的方向不变，与水平面始终垂直，说明重力的方向始终竖直向下.这句话表达两个方面：重力的方向不变，重力的方向竖直向下.

但学生对竖直向下不理解，只认可“向下”，往往把竖直向下与垂直向下混淆.因为在水平面上，竖直向下与垂直向下是一样的.同时学生对重力的方向始终不变也怀疑，因为这只是静止物体的状态，如果物体从斜面滚下，它的重力方向是否改变，学生存在疑惑.对此，采用如下画图说理，帮助学生理解科学概念.

任务1：如图2，画出物体受到的重力方向，并说明理由.

图2 不同物体重力方向

图3 斜面物体

图4 不同位置的人

任务2：竖直向下与垂直向下一样吗？学生画图表示，如图3所示，竖直向下是与水平面垂直向下，垂直向下是垂直于物体表面；无论什么物体只要是向着物体垂直的都叫垂直向下.竖直向下和垂直向下是两个不同的概念.

任务3：请画出每个人的重力的方向.如图4，我们平常所说的“向下”，到底指的是什么方向？引导学生画出每个人的水平面，然后重力的方向是与水平面垂直，学生很快就知道重力的方向都是指向地球地心.

图5

任务4：作图，画出图5中空中运动足球的重力方向.引导学生画出水平面，重力的方向是垂直水平面向下，学生发现运动物体的重力方向也是竖直向下.

学生对竖直向下缺乏认识，本案例中通过4个小任务，让学生明白垂直向下与竖直向下的关系，动态物体重力的方向，由浅入深，重力的方向竖直向下，其实是都指向地心.教学最大的任务不是孤立地分析一个独立的实例，而是从孤立的实例中寻找共性，构建共同的模型，同时分析差异，找出关键原因.通过画图说理，不仅有助于提高学生读图说理能力， 加深对物理概念的理解，而且有助于促进学生建构模型思维的发展.

2 因果论证，培养学生科学分析思维

在布鲁姆的理论中，判断、分析、创造，并列为高阶思维的3种形式.单从概念建构的狭义角度来讲，科学教学就是运用概念、展开概念、完善概念，再到建构新概念的循环过程.建构概念的目的是为了运用概念做出判断，进而形成推理.在概念教学中，教师充分了解学生头脑中的前概念，引导学生收集大量的感性认识，进行严谨的分析论证，做出判断，有助于学生科学分析思维的发展.

案例2： 功率概念教学.

学生在生活中往往把功率和效率两个概念混淆.教师列举一些生产事例、工作场面，或展示一些做功快慢不同的图片，学生进行经验分析，对做功快慢的情形有更为形象和具体的认识，从而为建立正确的“功率”概念打下良好基础.然后列举具体事例：在建筑工地上分别采用以下3种方式，把1 t的货物从地面运到3楼，方式1：搬运工分批搬运，需时间3 h；方式2：用一台起重机提升，需时1 min；方式3：用另一台起重机提升，需时30 s；上述3种情况下，把货物由地面运到3楼时，请思考以下问题：(1) 用不同的方式，对货物所做的功是否相同？(2) 所用时间不同，3种方式中做功的快慢是否相同？学生进行估算，得出结论：对重物所做的功相同，但所用时间不同，说明做功快慢不同.引导学生分析有关事例，形成初步共识：人们选用机械来做功时，不仅要考虑做功多少，还要考虑机械做功的快慢.通过实际问题让学生感性地认识做功的快慢.

追问：不同的物体做功有快有慢，如何来衡量做功的快慢呢？学生迁移速度的定义方法，要比较不同物体做功的快慢，必须同时考虑两个因素：一个是物体做功的大小；另一个是物体做功所用的时间.因此，我们可以用单位时间内所完成的功的多少来表示做功的快慢.

教师设问：如何测量人走路的功率？课本说人步行几十瓦，是真的吗？学生分析需要测量路程和时间，以及人走路的摩擦力.笔者告诉学生地面瓷砖每块1 m，人走路的摩擦力等于人的重力的0.1倍，学生发现只要测出人走路的时间就可以.测量数据如下：8块砖，7 s，人的体重54 kg，算出功率约为60 W.

本案例中，从图片到实例，从理论到实践，经历思维的加工整理，进行因果论证.在概念教学中，通过对大量的感性认识进行收集、整理、分析，将其转化为理性的证据，再抽取出事物的本质属性，并通过归纳与概括建构起符合客观规律的概念，发展学生科学分析思维.

3 问题引导，培养学生科学推理思维

对物理现象进行分析和推理是重要的科学思维过程.科学推理是以已有的物理知识和所给的事实与条件，进行逻辑思维推导，推出正确的判断或结论的个性心理特征.概念是人们对客观事物本质属性的概括，初中学生形象思维为主，抽象思维相对比较差.在物理概念教学中，创设问题情境，引导学生逻辑推理，参与抽象概括的全过程，培养学生科学推理思维.

案例3： 动能概念教学.

在学习动能概念之前，学生并不知道运动的物体是否具有能量.我们可以先让学生了解判断物体具有能量的依据，从能量产生的效果来判断运动物体是否具有能量.

如果一个物体使别的物体会产生运动或变化的效应，我们就说这个物体具有能量.如图6，子弹、流水、风是否具有能量？这些现象具有什么共同特征？学生讨论后回答.图6(甲)，子弹击穿苹果，运动的子弹使苹果发生变化，说明运动的子弹具有能量；图6(乙)，河水冲毁桥梁，运动的河水使桥梁发生变化，说明运动的液体具有能量；图6(丙)，风把雨伞吹翻，运动的风使伞的形状发生变化，说明运动气体的具有能量.然后让学生列举生活中例子佐证.

图6

教师再引导学生：科学希望用最为简洁的语言来表达事物本质，上述3个素材概括为一句话，学生推理得出，运动的物体(固体、液体、气体)具有能量.

案例4： 功概念教学.

功是力的作用在空间上的积累效应.由于学生之前没有接触过功，对功的概念理解自然感到困难.因此，教师利用学生的生活经验创设情境，通过对实例的分析，运用已有的知识和方法，开展逻辑推理，归纳事物的本质.

从力和运动的角度分析，叉车提升货物和人推小车，引导学生列表比较；教师追问：叉车提升货物和人推小车两种情况，有什么共同特点？

表1

引导学生推理得出，叉车提升货物和人推小车虽然是不同的现象，但有共同的特点，即货物和小车都受到了力的作用，并且都在力的方向上运动了一段距离.科学上规定，物体在力的作用下，沿力的方向通过一段距离，我们就说这个力对物体做了功.

推理是一种有据可依的科学想象.本案例中，借助图片、表格等真实现象为出发点的有据可依的想象，是学生理性思维参与的想象过程.在概念教学中，引导学生从生活现象、实验现象和实验数据运用归纳、演绎与类比等推理，帮助学生理解概念，发展科学推理思维.

4 延迟评价，培养学生质疑创新思维

质疑创新是科学发展的动力，是科学思维的重要特征.[3]在概念教学中，针对学生的迷思概念，教师延迟评价，引导学生质疑，提出自己的见解.通过反思自我的科学性问题，培养学生批判性思维.通过实验创新纠正自我存在的认识，培养学生创新性思维.

案例5： 惯性概念教学.

惯性是一个比较抽象的概念，7年级学生接受起来有一定的困难.教学时可以用“习惯性”来比喻.在学生没有学习动能、动量、牛顿第二定律这些知识，让学生通过例子记住惯性大小与物体质量有关，与速度大小无关很难，可以利用学生的错误经验反证法教学.

牛顿第一定律表明，一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，我们把这个性质叫做惯性.我们如何理解惯性概念？师生互动，惯性即物体维持原有状态的一种本来属性,表现为两个方面: 一是物体处于静止或者匀速运动状态时,表现为“维持其原来的静止或者匀速运动状态”；二是当物体的运动状态发生改变时，表现为“改变物体运动状态的难易程度”，如果容易改变运动状态，则说明惯性小；反之，则惯性大.

教师设问：惯性的大小与什么有关呢？有学生认为速度越大，也有学生认为质量大小是惯性大小的唯一决定因素.学生举例，在生活中，我们都有这样的经历：两车质量相同，但速度大小不同(如：甲车速度为30 km/h，乙车速度为100 km/h)，当同时刹车时乙车更难停下来，因此速度越大的物体，惯性越大.如果惯性大小与速度没有关系，那么与“在高速公路上限速行驶是预防危害”不是自相矛盾吗？教师延迟评价，引导学生反证，假如以上说法成立，则“物体的速度越小，它的惯性越小；物体的速度为0，它的惯性应该为0．”显然，这个结论是错误的，它与“一切物体都具有惯性”是相悖的,惯性大小与速度大小是无关.

图7

教师设问：如何设计实验验证惯性的大小与质量有关？学生想到用相同的力推两个不同质量的物体，观察物体运动状态的改变状况.追问：那么如何做到相同的推力呢？有学生认为用相同大小的力推物体，立即有学生提出质疑，人的主观感觉是不正确的.最后经过全班学生讨论，大家一致认为可以用一根绳把弹簧压缩固定在两个不同质量的物体之间，剪断绳的瞬间，观察两个物体运动的距离，如图7所示.教师提供实验器材分小组活动，学生发现质量大的物体运动距离短，说明运动状态改变小，惯性越大，得出结论：物体的质量越大，它的惯性越大.

本案例中，教师针对学生的迷思概念，创设问题情境，引导学生表达暴露自己的迷思概念，鼓励学生提出质疑，以此来培养学生的批判性思维.也鼓励学生设计创新实验，收集实验证据来证实与证否，培养学生的创新思维.

理性思维是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式.[4]在物理概念教学中，教师合理设置学习情境，对大量的感性认识进行收集、整理、分析，将其转化为理性的证据，再抽取出事物的本质属性，建构科学概念，促进学生理性思维的发展.