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谈物理概念及教学（二）
束 义 福 (二)表象环节——感性思维 表现环节的教学包括三个方面：调动原有的正确表象，主要是有教师发播刺激词，由学生相应的反应词调动出头脑中已有的感性经验；纠正原错误表象，主要是借助实验、观察等手段，克服错误的先人之见；树立新的、正确而丰满的表象，并从个别表象发展为一般表象。 表象的产生要利用学生的多种感官和已有经验，通过各种形式的感知，丰富学生的直接经验和感性知识，使学生获得生动的表象，为其进行抽象、概括提供充足的“原料”。 要建立生动的概念的表象，其手段大致有以下几种： 1、出示实物，进行实验，或组织现场观察，让学生身临其境，耳闻目睹，躬影实践； 2、展示图片、图表、模型、幻灯片、教学影片、电视录相等电、声、光教学技术媒体； 3、运用学生的亲身经验，列举实例，唤起学生记忆中的有关表象，为建立概念创造条件； 4、对于抽象性相对较高的物理概念，精心选择学生熟悉的事例进行类比，化抽象为形象，建立类比表象； 5、教师可用语言对有关的概念进行生动形象的描述，引起他们的联想，展示丰富的想象，将概念与一幕幕活的物理图景联系起来。 表象是形成概念的基础，是认识物理概念的加工“原料”。所以在物理概念教学中对表象环节要给予足够的重视。概念教学中重视实验演示，固然有利于概念教学的设计，但不可在做完实验后紧接着就进行分析以引出概念，而应该设法给学生留下深刻的印象，否则当学生头脑中还是残缺表象时，教师就根据自己头脑中早已存在的表象进行分析，致使有些学生跟不上教师的思路，不得已只好机械记忆。 (三)概括环节——抽象思维 概念的真正建立将是摆脱表象的束缚。 表象并非真实物的“高保真复写”，表象本身就对具体实物有了一定的概括性。但在感性材料的基础上形成的个别表象，仅仅反映个别事物的特征。个别表象经概括上升为一般表象，它反映许多事物的共同特征。在概括的过程中，通过辨别各个别表象所反映的个别事物的特征的异同，找出一类物理现象的共同特征。随着表象概括程度的提高，这种共同特征的概括程度也越来越高，最终成为关于这类物理现象的概念的本质特征。 实际上，对物理现象的概括过程，就是逐步获取物理概念本质、特征的过程，比如“力”的概念，其表象材料就逐步深化、扩展概括性程度不断提高的，从最初肌肉的感觉，到人对物体的推、拉、压、提，扩展为物体与物体之间的直接作用。后来，表象进一步扩延、丰富，扩展到彼此不接触的物体间的吸引、排斥作用。在这些丰富的表象材料中，有一点是它们共同具有的，那就是它们都是物体对物体的作用。因而，“力”概念是对这些表象材料的概括达到顶点的产物。 可见，这是由感性认识进入理性认识的过程，教师引导学生将获得的感性认识，进行分析、综合、抽象、摒弃现象和过程中那些表面的、偶然的、次要的非本质的东西，突出反映现象和过程的本质属性。 (四)定义环节——理性思维 在概括的基础形成的概念，最终将以精炼而严密的物理术语表达出来。然而，由于表达的需要，使得物理概括语句的句法结构不同于文字语言，又不同于日常生活语言。其限制性的修饰定语词使物理概念变得常常难以理解。 在概念的表述语句中，并非所有的字词都起着传递本质特征的作用。概念定义中的各语句组块对于本质特征的传递，其作用大小是不一样的，其中起作用小的为相对冗余部分，这部分字词有时还会干扰学生对本质特征的获取，但它们对于准确传递概念的全部信息又是必不可少的。 这是将已经获得的关于反映现象和过程的本质属性用简明而准确的语言形式和数学公式表述的阶段，看起来这已经是“水到渠成”的事情，可是要使学生能够选用较好的表述形式，清晰地给出概念的定义，仍存在一个教学过程，而不应该设想为教师在此作出一个简单的小结就完了。在定义中，相近概念的比较概念体系的种属关系，也是定义过程中要注意的问题，要避免出现定义上的逻辑错误。 (五)再认环节——强化思维 给出了定义，并不等于学生已经明确概念的意义。这是因为教学过程中为了形成概念而设计的观察和实验有相当的局限性，如不引导学生扩展对概念的认识的深广度就有可能造成对概念理解的片面性。 物理概念的本质特征，一旦在学生的记忆有序地、明确地、稳定地贮存下来，就标志着概念已脱离了表象束缚，而成为真正理性的东西了，这就为再认概念变式准备了最根本的条件。 一个概念所描述的是一类物理现象的共同属性，其概念正例往往是无限不可数的，为了掌握一个概念，不可能去研究、考察所有的概念正例。因而，概念教学往往以那些有代表性、典型性、基本性和基础性的表象材料为支柱。然而，有些学生对于概念的理解也因而囿于这些表象材料所“圈定”的范围，根本不考虑“圈”外变式或对“圈”外的变式感到难以辨别，乃至把具体材料当成了概念的化身。如“惯性”概念，教师和教材都讲汽车、石块等有惯性，很少甚至根本不提及液体或气体，有些同学因而想不通为什么气体也有惯性。 所以，阐明概念的意义，实质上就是指出概念的内涵与外延。概念的内涵是指概念所反映研究对象的本质属性的总和，一些概念的定义不能包含其全部丰富的内涵，因此，讲授一个物理概念，还常常深入阐明其物理意义，进一步揭示概念的内涵。概念的外延是指概念的一切个别对象，它反映了概念的量，说明概念所指的范围和条件。要深入掌握概念，以变式教学为主要内容的再认环节，通过对变式的再认，可以使概念的本质特征更加显露，因为变式的“涨落”使得概念非本质特征消失掉，而本质特征得以留存，所有的概念正例被其本质特征高度地组织在一起，概念内部通过涨落达到了有序状态。 (六)应用巩固环节——发散思维 学生大脑中所形成的概念往往是零碎的不稳固的，在认识新知识时遗忘也就同时开始了，这就必须“温故知新”而加以巩固。巩固需要反复，但这种反复不是机械地重复，而应是螺旋式上升。理论和实践均证明：知识大都不是靠若干次重复学习就能掌握的，而是要靠知识的扩展和加深，靠它与其它知识间的有机联系，靠在不同条件下不断运用它解释新的现象和事实，解决实际问题，才能逐步掌握。 巩固概念不单是指记忆概念的定义，应引导学生将概念用于分析物理现象和解决物理问题的过程中，在不同的问题中概念的内涵从不同的方面得到反映，概念的外延也会从不同角度得到确定，在解决问题的过程中将会构成一幅清晰的概念图象，并长期存留在脑海中。 怎样以概念为“钥匙”去打开问题的“锁”，这是学习概念的主要目的，也是教学中最大的难点，而学生必须只有通过自身的实践活动，才能提高学以致用的能力。 形形色色的自然现象，有很多事实生动而深刻地反映着物理的概念和规律。教学中合理精选这类现象，既可达到巩固和加深对物理本质的理解的目的，也可以使学生始终对概念知识的学习有一种新鲜感，保持旺盛的求知欲。 （七）系统化环节——比较思维 概念的发展不仅表现在概念本身的不断充实和改造上，而且还表现在概念系统的掌握上。任何一个概念总是与其他概念既有一定的区别又有一定的联系。概念系统就是概念之间区别和联系的反映。每一个概念都在相应的概念系统中占有一定的位置，也只有在概念系统中去掌握概念，才能准确地掌握它。 每结束一个单元或几个单元的教学，都应对概念进行分类与归类，根据它们的逻辑关系，用一定的图式组成一定序列的概念体系，把学生感知“孤立”和“零散”的概念纳入相应的教学体系中。对一些邻近或联系密切的概念，即相关相近概念、相对相反概念可用类比方法，引导学生概括出各概念间的异同点，系统类比，总结规律，让学生获得一个条理清晰的知识网络，认识它们既有本质上的不同又有内在的联系，从而达到深化、强化概念的效果。 概念之间关系一般可概括从属、并列、对立、易混及转化等不同角度去分析，以联系、沟通与组合。 2、以并列关系组合 例如：波动性 3、以对立关系组合 例如： 4、以易混关系组合 5、以转化关系组合 在放学过程中，还应做到能将新学的概念归入原有的相应组合方面中去，无相应组合的可从另一角度另行组合，例如学习到某概念时，可以从定性与定量的角度加以组合。 七、物理概念教学的三阶段 概念教学，必须遵循逻辑学的形成概念的客观规律，即先要让学生了解概念的内涵，再由内涵到概念的外延，再发展到与之有关的其他概念的联系。即概念教学一般需要经过认识、完善、扩展三个阶段。 (一)、了解概念内涵。概念内涵就是指概念所反映的事物所特有的物理属性，是该事物区别于其他事物的本质特征，是概念的质。学生掌握概念时不论举例还是演示都要把研究对象所特有的物理属性通过分析比较，反映到学生头脑中去，这样才能使学生在清晰正确的观念的基础上形成科学的概念。 如力的概念要从学生亲身体会淡起，通过举例手提重物书压桌子，磁铁吸引铁钉等事例，引导学生分析比较，找出这些表面不同的形形式式的事物有何共同特征？让他们领悟其共同特征就是一个物体对另一个物体的作用。然后师生共同归纳得出“一个物体对另 一个物体的作用叫力”， 力就是一个物理概念，其定量表示就是物理量，而“在物体之间发生”和“作用在物体上”即为力的内涵。教材中将“重力势能”表述为“地面上的物体具有跟它的高度有关的能”，而没有通过“重力做功跟经过的路程无关”引入，降低了对概念的理解要求，但这样的表述仍具有重力势能的内涵。地面上的物体“是指地表附近在不变重力作用下的物体，”当然它所做的功与高度变化（即重力方向的位移）有关。如若对地面上的物体不作解释，则不可能揭示重力势能的内涵，学生对其概念的理解也只能停在表面上。 (二)、了解概念的外延。所谓概念的外延，是指概念的适用范围（或指具有相同特有的物理属性的事物的全体），是概念的量。教学中，当学生初步了解概念的物理意义后，就必须引导学生了解其适用范围。如速度是表示物体运动快慢和方向的物理概念，也是一个物理量。就得由此引申，使学生了解不论物体做何种形式的运动，也不论物体在运动过程中遇到何种情况，只要是想描述它在经过任一点或一时刻的运动快慢程度和方向，就都得用速度这个概念，这样就加深了对速度概念的理解。 强调了解外延同样重要，“地面上的物体”系指地球表面附近重力作用的各种各类的物体，跟它的高度有关的“高度”则指地球表面上空的有限范围内，确切些说，应该小于地球半径，弄清了重力势概念的外延，就明确了重力势能公式：EP=mgh 的适用范围，也就不会发生应用重力势能公式去计算人造地球卫星（及其他远离地球的物体）势能的错误了。 (三)、了解概念与有关概念之间的联系。联系的观点就是认识事物研究事物的一个基本观点。因此，使学生了解不同概念之间的联系，就能加深和扩展对所学概念的认识，如电场强度的概念，就是从研究电场中的电荷在不同位置所受到的力不同，在同一位置，电量不同，力也不同，但在同一位置，电荷所受力与所带电磁之比都是一定的，即电场强度是从它与电场力、电荷之间的联系中形成的。这样就不会使学生认为 ，当 =0时，E=∞了。所以了解了概念与有概念间的联系，就可以避免概念的真实意义被数学符号所淹没。在教学中，部分教师对教材中有些概念的处理出现两种偏向，一种满足于字面上的表述，不对文字表述作深刻的分析，讲起来平淡无味；另一种则认为课本表述过于简单化，缺少对概念的严格定义，于是不切实际地增补若干内容。两种偏向都会给教学效果带来不利影响。 课本中对电动势的表述，虽然不能作为对电动势的定义，但却具有这一概念的内涵。首先强调了是电源的特性，同时还讲到了电动势的值可用伏特表测出。不同电源，测得的电动势不同。可见，在外电路相同情况下，提供的电能不同。于是得出了电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领的物理量。上述问题讲清楚了，电动势的物理意义就明确的，这样降低了电动势概念的理论要求，从而把学生的主要精力引导到重点内容《闭合电路欧姆定律》的学习上。否则，如果仅就教材上的字面进行解释，必然就事论事，问题的实质没有得到剖析，自然就谈不上对概念的深刻理解；倘若为了追求理论上的严谨，脱离教材去研究电源非静电力迁移电荷做功，给出电动势的确切意义，则势必增大难度，加重学生负担，以影响了《闭合电路欧姆定律》的教学，结果是事倍功半，显然两者都不可取的。 八、物理概念教学的基本方法 (一)、展现象，抓本质，建立概念。有计划、有步骤地精选典型事例、实验、模型等进行直观教学，指导学生进行观察，帮助他们认识事物的主要特征和本质，从感性认识上升到理性认识，培养学生的抽象思维，建立概念。 如：“电场——电荷周围存在着一种物体”这样概念，学生感到很抽象难以理解，可设计以下程序：A演示两个磁极间的相互作用，提问：两个磁极没有接触就能相互作用，这跟“力不能离开物质而存在”的结论是否矛盾？B演示两个带电体没有接触而发生相互作用。提问：对比上述两个实验现象，得到什么启示？引导学生从磁极间相互作用回忆磁极周围存在磁场的初中知识，再运用类比的方法启发学生认识电荷周围存在着电场。C把金属小球放入悬浮着碎纸屑的蓖麻油中，小球带电时碎纸屑按某种曲线排列，说明了电场的客观存在。D对照实验，把电力线投影到屏幕上，使学生看到电场在空间的分布形象。这样由旧到新，类比启发，实验演示由抽象到具体，得出电场概念，学生不仅易于接受，而且培养了学生抽象思维能力。 (二)、重直观，求感性，明晰概念。概念教学中，必须坚持唯物论的反映论，即应对学生对物理现象和过程有必要的感性认识，以让学生对研究对象建立起正确清晰的观念，这是形成概念的基础。所以，教学中，应尽可能地从具体事物得出，至于要不要做实验以及做多少，其客观标准是视学生是否具备了足够转化为明确概念的清晰观念为依据。某些感性认识，可以通过“第二信号系统”召回来的，则不需要做了。因此要在有关概念所包括大量事例中，精选那些包括主要类型的本质联系明显的来进行教学。如果事例不当或实验不全面，会形成错误或片面的观念，由此而建立的概念也是含混的或虚假的，且一旦形成则很难纠正。所以概念的形成应从事实中“归纳”得出，力戒从概念到概念、从理论到理论的简单“演绎”。 如在讲“共振”时，做共振的直观演示实验十分必要，可以使学生亲眼观察到“A摆振动时，长度和A摆相等的B、G两摆幅最大”的现象。还可以通过该实验形象化地讲解“A摆振动时，通过张紧的绳向其余各摆施加周期性带动力，这个带动力频率等于A摆的固有频率，又因为A、B、G摆长相同，固有频率也相同，所以这个策动力的频率也等于B、G两个摆的固有频率。”从而使学生理解“在受迫摆动中，策动力的频率跟物体的固有频率相等的时候，振幅最大”。 (三)、分层次，抓要点，掌握概念。很多概念都具有多层次含义，概念教学，要注意对概念逐字逐句的推敲分析，善于剖析每个概念的层次要点，让学生一层层逐步认识，多层次地启发学生理解掌握，最后综合各层次内容，给概念下一个完整的定义。分层次抓要点，其优点在于：每一层表述概念的一个含义；使概念通俗化；便于综合各层含义给概念下定义。如自感现象这个概念，我们可以分这样几个层次来分析理解：(a)通过含线圈电路的电流大小和方向在变化；(b)由于电流变化，在线圈“自身”中将引起磁通量变化；(c)磁通量在线圈中变化△ф激发产生感应电动势和感应电流；(d)自感现象存在于一切变化电路中，只不过在有线圈电路中表现明显。明确以上几点后定义：自感现象是由于导体本身中的电流变化而产生的电磁感应现象。 又如磁感应强度这个概念，可以分这样几个层次：(a)在磁场中，(b)垂直磁场方向的；(c)通电导线；(d)所受磁场力F跟电流强度I和导线长度L乘积IL的比值，其中(a)(b)为条件，(c)为研究对象，(d)为结论。如果我们在教学中通过如此分层次，抓住各个要点，不但了解这个概念是如何表达的，而且了解描述这个概念的条件是什么，这才算真正了解这个概念。在教学过程中，一方面要求每个阶段必须有十分明确的要求，另一方面又要求注意各个阶段的联系，逐步加深认识，最终形成一个比较完整的概念。 (四)、重推理，善抽象，领会概念。有些概念的形成，要在实验的基础上通过科学的抽象，也就是要通过思维和推理得到。所以我们要让学生在学习这些概念的过程中领会什么叫抽象和怎样抽象。反过来，懂得抽象是怎么回事，也有利于概念的形成。例如“机械运动”这个概念的形成，就要让学生从生活中看到鸟在天上飞，轮子在机械上转动，树枝在阵风中摆动等千差万别的现象中，抽象出它们的共同特征，即“一个物体或物体某些部分相对于另一个物体的位置随时间而改变，这个共同特征反映着这一系列现象的本质。”由抽象得到机械运动的意义：“物体相对于其他物体的位置变化”。 科学抽象的另一种形式是理想模型。它是在抓住某一类实际物体在某一确定研究目的之下呈现出的主要的、本质的物理属性，忽略其它次要的，非本质的物理属性之后，抽象出来的，如质点、点电荷，就是这样抽象概括出来的物理模型。理想化方法主要有两种：一种是把物体本身理想化或所处条件理想化，如：质点、理想气体、点电荷等。第二类是理想实验，如伽利略论证惯性定律所设想的实验等。 对理想化的抽象，一定要使学生认识在一定的理想化条件下得出的概念，只有在（或非常接近）这些条件下才适用。 (五)、揭本质，抓关键，活化概念。概念是对客观事物本质属性的概括和反映，要正确地理解某一概念，就必须引导学生全力找出概念的本质，把本质属性所反映的全体对象揭示出来，把本质属性由学生搞清楚。一切物理现象与过程，常是相互联系的在形形式式的相互联系中，有本质的必然的，有的是非本质的偶然的。然而非本质联系常常是丰富多彩的、明显的，对感官刺激强烈。而本质联系却往往比较单一，刺激不强烈，甚至是隐而且弱。因此形成十分复杂的情况，如感应电流产生条件，本质联系是通过闭合线圈中的磁通量有无变化，但从表面上却反映导线是否切割磁力线，磁场是否变化，线圈在磁场中放置方向及线圈运动情况等有关。在概念教学中，要把学生从形形式式的联系中排除各种非本质联系，而把本质联系揭露出来，使学生透过表面掌握实质。又如磁感应强度这个概念，常用公式B=F/IL来表示，对此公式，不少同学认为B跟F成正比，跟IL成反比，故得出了F越大B越小，F等于零，B也等于零的错误结论，这是由于受数学公式影响，死记硬背，对磁感强度的本质不清楚，不理解，只要能揭示了磁感应强度表示磁场强弱，是由磁场本身性质决定这一本质，就会清楚，它跟试验电流的通电导线受力大小通电导线的长短及电流大小无关，从而避免受数学公式或实验手段的影响。 |
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