关注概念规律的深层理解,促进物理观念的有效形成

◇ 北京 吴爱兄 张国玉 金朝娣

近年来,高考物理试题除对物理知识点的考查外,更关注知识背后核心素养的落实情况.物理学科的核心素养由物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任四个方面构成.物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动、相互作用和能量等的基本认识,是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华,是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.所以对物理概念、规律的理解和掌握是形成物理观念最重要和最基础的一步,也是培养学生物理学科核心素养的重要一环.高考物理题中对物理观念的考查主要以物理概念规律的形成过程、深入理解、实际应用为载体,重点考查学生的理解推理能力和综合分析能力.

本文以选择题为例,谈一谈高考考查物理观念的试题特点和对高三复习的启示.

1 试题分析

【原题呈现1】在真空中某点电荷产生的电场中有a、b 两点,a 点的电势为φa,电场强度大小为Ea,方向与连线ab 的夹角为53°.b 点的电势为φb,电场强度大小为Eb,方向与连线ab 的夹角为37°.则a、b 两点的电场强度大小及电势高低的关系正确的是( ).

A.Ea＞Eb,φa＜φb

B.Ea＞Eb,φa＞φb

C.Ea＜Eb,φa＜φb

D.Ea＜Eb,φa＞φb

图1

1)物理观念的考查角度

本题主要关注了物理观念的形成过程.物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及运用才能逐步形成.本题通过考查学生对电场强度、电势这两个概念的深入理解来考查学生对于物质观和能量观的理解.

2)解题的策略分析

解决本题的关键是学生要清楚电场的形成过程和描述方法.知道典型电场的电场线分布特点和电势的变化规律,了解电场线与等势线的关系.明确电场是特殊物质,它具有力和能量的性质.知道分别用电场强度E 和电势φ 以及电场线和等势线(面)来描述的性质,清楚电场强度与电势两个概念的形成过程及概念的内涵和外延,头脑中有点电荷的电场线和等势线(面)图景,问题就迎刃而解了(如图2).

图2

【原题呈现2】已知带电粒子质量为m,带电荷量为＋q,从A(0,l)点以初速度v0沿x 轴正方向射出,只添加以下某一条件,可以控制这个带电粒子打到x 轴上的C(2l,0)点.(不计粒子所受重力,静电力常量k 已知)下列说法正确的是( ).

D.添加垂直AC 连线方向的某匀强电场,也可能控制这个带电粒子打到C 点

图3

图4

图5

图6

图7

1)物理观念的考查角度.本题主要关注概念规律的并联建构.物理观念是通过物理概念、物理规律的逐步学习、系统反思和迁移应用而逐渐发展起来的.本题通过考查带电粒子在电场、磁场中运动的不同特点,来考查学生对这两个场的深入理解,进而帮助学生去体会场这种物质的多样性特点.

2)解题的策略与反思.本题主要考查的是电场和磁场对带电粒子的控制作用.学生解决本题的关键是对电场、磁场进行并联建构,清楚电场、磁场的同一性和差异性.能够综合分析带电粒子在不同场中的运动规律和处理方法,就能找到问题的解决方案.所以在后续复习中应有意识地自主建立知识之间的并联建构.将同一观念下的相同规律、不同特点进行系统的比较梳理,是一种有利于系统地理解概念规律的方法.

【原题呈现3】三峡水力发电站是我国最大的水力发电站.三峡水库蓄水后,平均水位落差约为100 m,用于发电的水流量约为1.0×104m3·s－1.如果通过水轮机以后水的动能忽略不计,水流减少的机械能有90%转化为电能,按照以上数据估算,三峡发电站的发电功率最大数量级最接近( ).

A.1010W B.108W

C.107W D.105W

P＝0.9ρQgh＝0.9×1.0×103kg·m－3×1.0×104m3·s－1×10m·s－2×100m≈1010W.

可知选项A 正确.

1)物理观念的考查角度.本题关注概念规律的实际应用,物理观念只有在真实情境中解决问题时才能表现出来.本题以三峡水力发电为载体,考查学生对于能量观念的理解,要求从能量守恒的角度去分析处理实际问题.

2)解题的突破点分析.学生解决本题有两点障碍：一是不能有效地建立物理模型,将实际生活中的流量问题转化为流体问题；二是不能从能量的角度思考问题,不能准确运用能量守恒和转化思想去解决问题,也就是不能将真实的情境与能量观念建立联系,形成应用能量观念处理问题的意识.

2 高三复习中有效形成物理观念的策略

2.1 回归教材、突破要点，把握概念本质

1)回归教材,挖掘概念本质

教材是课标的具体体现,是教、学、考三方唯一可参考的交点.教材中对概念规律的阐述准确科学,对规律的认知过程层层深入.所以在复习中我们应在理解概念和规律上多下功夫.对于每个概念规律,一方面我们要清楚它是什么? 为什么? 还有些什么? 另一方面我们也要清楚它在教材中的呈现形式,梳理教材的编写逻辑,思考这种逻辑带给我们的启示.

例如人教版教材对于“闭合电路欧姆定律”的编写逻辑就可以梳理如图8所示.

图8

这样的逻辑梳理能使我们从能量守恒、电路特点、图象表征等多个角度对闭合电路欧姆定律有深入的理解.

2)突破要点,形成自我概念体系

我们对于任何一个物理概念规律内涵的理解都不可能是一次完成的,都是随着学习的进程不断进行的.而高三对概念的复习就是一个回头看的过程,一个梳理整合的过程.这个梳理是围绕核心问题展开的,例如我们对电场的梳理就可以追问以下问题：为什么要建立电场? 电场是真实存在的吗? 它是一种物质吗?如果空间中没有试探电荷,电场还存在吗? 电场具有哪些性质? 这些性质有哪些特点?

回答这些问题的过程就是梳理物理概念的内涵和外延的过程,就是准确理解物理概念、物理规律形成的过程,就是突破要点形成体系的过程,其最终目的是形成我们对一章知识的自我理解,建立自己的知识体系.

2.2 多维建构，促进概念规律的深层理解

高考考查的不仅仅是单一知识点,更是对知识系统化的知识的理解和应用,因而只有形成知识体系,才能比较清楚地了解物理知识的因果关系,从全局的高度去总揽物理知识,进而形成物理观念.在复习中应提升自己的整合建构能力,既要关注知识体系的建构,也要关注认知方式的建构.

1)围绕知识的内在联系的建构

按照物理知识的内在联系,建构物理知识体系,是指建构不同概念、规律及其关系在同一主题中的内在联系,强调物理知识本身的系统性和逻辑性.所以,这种建构就要打破课程模块和教材中的章节顺序的束缚,按知识的内在逻辑关系建构完整的物理知识体系.我们可以采取知识归类法,即将有关物理知识进行分类,并建立各类别概念规律之间的关系.既可以采用概念图的方式,也可以采用表格分类的方式.

表1就是利用表格分类法,对运动做的纵向梳理.

表1

通过这样的梳理,我们对于运动的形式、种类、特点、处理方法获得了系统的认识,形成真正的运动观念,并能利用这种观念去处理实际问题.这样的梳理也有助于在解决问题的过程中根据实际情境特点,快速准确地提取有效信息,建立合理的运动模型,运用正确的方法处理问题.

2)围绕核心概念的并联整合

中学物理是以为数不多的核心概念和规律为主干构成的完整体系,知识之间具有并联性、层级性和系统性.围绕核心概念来整合物理学科内在的知识,强调的是对核心概念的认知发展的建构,这种建构是一种认知方式的建构,重点体会不同概念的内在统一性和一致性.可采取类比迁移法,一方面要找出知识间的异同,另一方面要深化对知识的认识.最重要的是从客观事物本身去理解概念,进而形成观念.对于场这一概念可以比较电场和磁场两种场的差异,如电场线与磁感线、保守场和非保守场、有源场和无源场.也可以结合重力场对三种场进行横向比较,从而更深入地理解场这一物质观念.表2为场的横向比较.

表2

对场的特点和性质的横向比较过程,就是深入理解场的物质属性的过程,也是深化理解电场强度的概念、势的概念的过程.

任何物理概念和规律的得出都需要经过科学思维加工,不是随手拈来,也不是死记硬背.我们只有参与到物理概念和物理规律的推导中来,明白科学知识的由来,掌握科学推理的过程,通过事实依据和科学观察总结物理规律和概念,自主完成构建,进行内部消化和升华,并在实践中利用物理知识解决实际问题,才能促进物理观念的有效形成.