基于提升科学思维水平的物理概念教学

王刚 张春红

摘   要：对物理概念的学习是物理观念形成的重要组成部分，科学思维是培养学生物理学科核心素养的关键要素，任何物理概念的形成都离不开物理思维。以高中物理“向心力”的教学为例，提出通过创设真实的物理情境、经历物理概念的建立过程、亲历科学探究的过程、设置开放性的实践作业等，促进学生科学思维水平的发展，进而有效提升学生的物理学科核心素养。

关键词：高中物理;概念教学;科学思维;向心力

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2021）11-0045-06

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）指出：“发展学生的科学思维能力是重要的教学目标之一，教师引导学生经历物理概念的建构过程和物理规律的形成过程，是发展科学思维的重要途径。”《课标》将科学思维水平划分为五个等级，如表1所示。

物理概念是客观事物的共同属性和本质特征在头脑中的反映，是物理事物的抽象，也是观察、实验和物理思维的产物。对物理概念的学习是物理观念形成的重要组成部分，也是中学物理知识中最基础、最重要的内容。物理概念的学习在整个物理学习中处于核心地位，任何物理概念的形成都离不开物理思维。因此教师在进行物理概念的教学时，必须引导学生通过运用分析、比较、抽象、概括、科学推理等多种物理思维方法，抓住事物的共同属性和本质特征，由此可使学生形成正确的物理概念。

向心力是圆周运动学习中需要掌握的核心概念。在建立这一概念的过程中，笔者引导学生经历了“体验—质疑—论证—概括—分析—探究—总结”等一系列认知过程，从感性认识到理性认识，从定性到定量，从匀速圆周运动到变速圆周运动，使学生逐步深入理解了该概念，进而提升了学生的科学思维水平。

一、创设生动恰当的物理教学情境，培养学生的形象思维能力

物理形象思维是运用物理直观、具体、生动的形象材料，通过事物的形象特征认识事物的内容、本质，并做出某种判断的科学思维，也是通过表象、直感、想象等形式进行的思维。在物理概念教学中，创设能体现物理概念本质特征的情境，可以拉近学生和物理知识之间的距离，为学生提供充分的感性认识，进而可提升学生的形象思维能力。

在本节课课前，教师让学生设计并制作了能让乒乓球做圆周运动的简易教具。该简易教具是介于实物和理想物理模型之间的形象思维材料，也是学生将生活中的实际问题转化成物理问题并建立物理模型的“桥梁”。学生通过设计实验方案和动手制作教具，将生活图景转化成具体、生动、形象的物理问题情境，如此可有效提升学生的形象思维能力。

教学片段1观察圆周运动——引入新课

学生活动1：小组展示乒乓球的圆周运动

师：为什么这些不同模型中的小球都能沿圆周运动，而不是沿直线飞出去呢？

生1：有细绳拉着。

生2：有杆拉着。

生3：有轨道（挡着）。

……

师：如果没有这些绳、杆或轨道，小球能做圆周运动吗？请同学们试试看，在球运动的过程中，松开细线或取走轨道，观察小球的运动情况。

师：哪位同学能描述一下你所观察到的现象？

生4：松开细线后，小球不再做圆周运动。

生5：取走纸筒后，小球不再做圆周运动。

师：结合刚才的观察和实验，我们能得到什么结论呢？

生：物体做圆周运动时，一定有一个指向圆心方向的力拉着。

师：那么这个力的方向和大小有什么特点呢？下面我们继续讨论……

设计意图：感性认识不足，通常会成为学生学习物理概念的主要障碍。为了使学生更好地建立和掌握物理概念，教师需要创造一个恰当的物理情境，以此引导、启发学生发现问题、思考问题、探索问题。不同的学生有不同的生活经历，熟悉不同情境的圆周运动，例如跳跳球模型、竹蜻蜓模型、过山车模型、洗衣机滚筒模型等等，学生在设计、动手制作、展示和观察这些模型的过程中，可形成生动、真实的问题情境，进而可通过形象思维，对生活中常见的圆周运动进行初步分析，由此可对向心力产生较为充分的感性认识，进而可引出本节课讨论的主题——向心力。在本环节中，学生能说出一些常见的简单物理模型，并对其做出初步分析，这达到了科学思维水平层级1的要求。

二、让学生经历概念的建立过程，培养学生的抽象概括思维能力

概念是抽象思维的基本形式，也是抽象思维的成果。在建立物理概念的过程中，教师要引导学生在感性材料的基础上，用分析、比较、抽象、概括等思维方法抓住事物的主要特征以得出概念。

人教版必修2教材是这样定义向心力的：做匀速圆周运动的物体具有向心加速度，根据牛顿第二定律，产生向心加速度的原因一定是物體受到了指向圆心的合力，这个合力就叫做向心力。有些教师在教学时照搬教材直接给出向心力的定义，然后开始做练习题找向心力的来源，这样做忽视了学生物理概念的建立过程，导致学生不能深刻理解向心力的概念。对此，笔者在教学中细化了向心力这一核心概念的建立过程，指导学生分析了三种不同的模型，并归纳总结出各自合外力的共同点，由此抽象概括出向心力的概念，取得了较好的教学效果。

教学片段2 向心力的定义

师：我们先分析物体做匀速圆周运动时的受力情况。忽略摩擦力和空气阻力的影响，刚才第①、③、⑦组中的小球可近似看做匀速圆周运动，请同学们再次仔细观察（视频展示），并解答以下四个问题：

（1）分别画出模型①、③、⑦中球的受力分析图。

（2）分析小球所受的合力。

（3）画出小球在任意位置的速度方向及合力方向。

（4）总结做匀速圆周运动的物体所受合力的特点。

……

师：哪组同学能分析下绳—球模型的受力

情况？

生1：小球受到竖直向下的重力G，以及桌面對球竖直向上的支持力FN和细绳的拉力T，如图1（a）所示，合力为细绳的拉力，方向沿绳指向圆心。

师：哪组同学能分析下纸筒—球模型？

生2：纸筒内侧的小球受到竖直向下的重力G，桌面对球向上的支持力FN以及筒壁的弹力，如图1（b）所示，合力为筒壁的弹力，方向垂直于接触面指向圆心。

师：圆锥摆模型呢？

……

生3：小球受竖直向下的重力G，和沿绳斜向上的拉力T，如图1（c）所示，合力为拉力在水平方向的分力Tx，方向指向圆心。

师：总结刚才分析的三个模型，它们的合力有什么共同点呢？

……

生4：合力方向都指向圆心。

师：也就是说，做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向圆心，我们把这个指向圆心的力叫做向心力。可见，向心力是按力的作用效果命名的。

设计意图：师生共同讨论，对比分析“绳—球”“圆筒—球”和“圆锥摆”这三个较为熟悉的物理模型，然后解决上述4个问题，并归纳总结出做匀速圆周运动的物体所受合力的共同特征，即方向都指向圆心，由此抽象概括出向心力的定义。在建立向心力概念的过程中，教师引导学生经历了观察、分析、归纳、抽象等一系列思维活动，以抓住事物的共同属性和特征，由此逐步提升学生的科学思维，达到水平层级2的要求，同时这也加深了学生对向心力这一核心概念的理解。

三、在科学探究过程中，引导学生掌握正确的科学思维方法

科学探究与科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，两者是相互支持、相互促进、彼此融合的整体。《课标》要求学生能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论。实验探究是进行科学探究的重要方式，也是定量测量某一物理量的手段和方法。因此在实验探究过程中，教师要引导学生应用正确的科学思维方法，经过提出问题、进行猜想和假设、设计实验方案、进行实验、收集数据、进行评估与交流等过程，逐步完成实验。由此可使学生真正理解和掌握这些科学思维方法，并使之成为终身必备的知识与技能。

本节教材根据向心加速度和牛顿第二定律推导出向心力的表达式，再用圆锥摆进行粗略验证，课后安排了一个与向心力相关的“做一做”沙袋实验。除此之外，笔者还从提高学生的科学探究能力和科学思维水平的角度出发，对教材进行重组，调整了教学顺序，由此可让学生经历从定性到定量的实验探究过程，进而引导学生掌握正确的科学思维方法进行科学探究。

教学片段3探究影响向心力大小的因素

师：请同学们分组进行实验，用细线带动不同质量的小球在水平面内做圆周运动，然后改变绳长、转速等，体会手上的拉力大小，并跟你的小组成员交流向心力的大小可能和哪些因素有关。

……

生1：和小球的质量有关，质量越大，向心力越大。

生2：和绳长有关，绳越长，向心力越大。

生3：我感觉绳越短，向心力越大。

生4：和转动的快慢有关，转动越快，也就是角速度越大，向心力就越大。

师：既然向心力的大小可能和这么多因素有关，那么该怎样设计实验方案来验证我们的猜想呢？

生：控制变量法。

师：下面请同学们分组设计实验方案，并用向心力演示器完成实验验证。

……

学生实验操作（1）：质量、半径相同。

实验结论：在质量和半径一定的情况下，向心力的大小和角速度的平方成正比。

……

实验操作（2）、（3）与之相同，在此略过。

在进行实验教学时，教师还应该引导学生提出新的物理问题、设计新的实验方案并创造性地解决新问题。例如本节课用圆锥摆验证向心力的表达式教学环节，按照教材上的实验设计，笔者在备课过程中发现：“用手带动钢球，设法使它沿纸上的某个圆周运动”（如图2所示）存在一定的困难。小球的运动轨迹多数情况下为椭圆，这给学生进行半径的测量带来了较大的误差。因此笔者引导学生分组讨论交流，对该实验进行了以下几点改进：①减少需测量的物理量，只需测出圆心到悬点的竖直高度和周期即可;②在小球的正下方放一个圆形的透明玻璃碗，避免小球做椭圆运动;③利用透明玻璃碗巧妙测量桌面到悬点和桌面到小球运动时圆心所在水平面的高度差，由此得到较为准确的圆心到悬点的竖直高度;④在玻璃碗底画两条互相垂直的直径作为计时开始的标记，如此可减小周期的测量误差。通过这几点简单的改进，大大降低了实验的难度，减小了实验误差，同时也传递给学生这样一个理念——在实验探究过程中，要有意识地进行创造性的想象，发散思维以寻求更好的实验方法、创新实验操作，如此可使学生高质量地完成每一个物理实验。

教学片段4用圆锥摆验证向心力的表达式

【实验步骤】

（1）细线的一端连接小球，另一端固定在铁架台上。

（2）用刻度尺记下悬点到桌面的高度h1。

（3）在内壁光滑的玻璃碗底部粘贴一个和碗底等大的圆，并标记出两条互相垂直的直径。

（4）剪一个和碗口大小相等的圆，折叠并标记出圆心的位置。

（5）将玻璃碗放在小球的正下方，使小球静止时刚好位于碗底圆心的正上方，且细线和碗口圆心重合。

（6）带动小球，让小球在水平面紧贴碗内壁做圆周运动。当小球刚好离开碗时按下秒表，记录小球运动3到5圈的时间。

（7）将静止时的小球拉到刚才做圆周运动的位置，记下球心所在高度，并测量球心离桌面的高度h2，则小球做圆周运动圆心到悬点的高度h=h1-h2。

（8）调节悬线长度，重复上述实验过程2到3次，并记录数据。

设计意图：探究影响匀速圆周运动向心力大小的因素，应遵循从定性到定量的认识过程。即先让学生用细线带动不同质量的小球做圆周运动，由此体会并感受手受到细线拉力的大小，然后根据真实体验提出合理的、有依据的猜想。在此基础上，设计实验方案，并用向心力演示器完成定性的验证实验，然后再用圆锥摆进行定量的测量。通过定性、定量这两部分实验，学生可掌握控制变量、对比、归纳、总结等科学思维方法以及进行科学探究的一般步骤。特别是在圆锥摆实验中，教师引导学生对教材中已有的实验方案进行了改进，并制订了新的科学探究方案。如此可鼓励学生对研究的问题进行积极的设想以寻求更好的解决方案，同时也能有意识地培养学生的创新思维能力。

在本环节中，学生能恰当使用证据表达自己的观点，并对已有的观点提出质疑，同时还能从不同的角度思考物理问题，这样就达到了科学思维水平3的要求。

四、设置开放性的实践作业，提升学生的高阶思维水平

在学生对物理概念有了初步的认识之后，教师要及时联系实际生活，设置开放性的实践作业。开放性的实践作业其实就是将作业情境化，让学生体验和所学知识密切相关的生活，并从中提出要分析或解决的物理问题，然后经过简化和抽象，构建物理模型，进行科学推理和论证，由此可促进学生高阶思维的发展。

笔者给学生布置的实践作业是课下体验自行车的匀速转弯过程，并结合所学知识提出要研究的问题，然后查找资料，分析和解决该问题。情境化的作业不能急于求成，要让学生在有充分的时间准备和充足的知识储备之后开展，这样才能起到事半功倍的效果。例如教学片段5就是在学习完第七节“生活中的圆周运动”后开展的。在此过程中学生分组讨论交流了很多相关的问题，实现了科学思维水平由低阶到高阶的过渡。

教学片段5探究自行车转弯时的向心力

师：前两节课我们讨论了向心力和生活中的圆周运动，并利用课下时间体验了自行车的圆周运动。下面请同学们结合自己的体验，提出合理的问题，我们共同讨论和交流。

生1：自行车在水平路面上转弯时的向心力来源？

生2：橡胶与干水泥路面间的滑动摩擦因数为0.6，当转弯半径为10m时，骑车的最大速度是多少？

生3：经查阅资料发现，普通人骑自行车的速度平均为15km/h，场地自行车赛车手的骑行速度能达到80km/h以上，结合数据和相关图片分析场地自行车赛道有一定倾斜度的原因。

生4：当场地自行车的弯道半径为 60m，坡度为30°时，运动员骑自行车在该赛道上做匀速圆周运动，要使自行车不受摩擦力作用，其速度应等于多少？

生5：……

设计意图：要想在学生头脑中形成扎实的物理概念，就需要让学生在不同的情境中运用学到的向心力概念解释相关的物理现象、解决相关的实际问题。并指导学生将实际问题中的对象和过程转换成物理模型，然后进行深入的分析和推理，由此可加深学生对相关概念的理解，进而可提高学生物理模型建构、科学推理、科学论证等能力。

自行车在水平弯道上转弯时的向心力分析较为简单，属于低阶思维。而倾斜赛道上的自行车受力较复杂，可以类比“火车的弯道”进行分析和推理，这对学生的思维水平要求较高，属于科学思维水平层级4的要求。本环节的设计旨在运用对比和类比的方法，开拓学生的思维，培养学生的知识迁移能力，由此可提升学生的高阶思维水平。

物理概念是物理知识体系中最基本的重要内容，帮助学生建立并深入理解物理概念是學好物理的基础。本节课的概念教学由浅入深，通过创设生动恰当的物理教学情境，培养了学生的形象思维能力;让学生经历了物理概念的建立过程，由此培养了学生的抽象概括思维能力;在进行科学探究的过程中，教师设置了开放性的实践作业以引导学生掌握正确的科学思维方法，由此促进了学生高阶思维的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]田世昆，胡卫平.物理思维论[M].广西：广西教育出版社，1998.

[3]胡卫平.物理学科核心素养的建构[J].中学物理教学参考，2017，（7）：1～3.

[4]汤家合.高中物理学习中思维障碍的分析与矫正[J].物理教师，2017，（7）：30～34.

[5]程荣贵.挖掘教材内涵 关注科学思维[J].中学物理教学参考，2019，（6）：24～27.

[6]张   鹤，柏露枝.简化科学思维 回归物理本真[J].物理教师，2019，（12）：18～20.