基于物理观念视角的物理概念教学及考评

肖学雷

摘    要：以物理觀念的视角来审视，当下的物理概念教学往往存在“以内涵论概念，忽略概念的外延”“重显性的狭义知识的教，缺隐形的方法内涵的导”等问题.其实，许多物理概念都具有重要的方法论意义，在实践中，教师应为揭发“概念+”而备课，为启发科学思维而教，并在考评中注重从“用概念”的高度来命制题目.

关键词：物理教学;物理概念;物理观念

提到物理知识，似乎就是物理概念、物理规律，包括物理定律、定理、公式、原理或假说.可是，国际上关于科学知识的表述，多指核心概念、关键概念和大概念等释义及应用，而我国文化中的“观念”与国际上的“概念”内涵基本一致[1].《普通高中物理课程标准（2017年版）》（下简称“《课标》”），把物理观念界说为“物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华”[2]4，并把“解释自然现象和解决实际问题”“从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理”[2]5-6作为课程目标.

诉诸物理观念，旨在培养学生运用概念、方法及规律从物理视角看问题的素养.“形成并能运用物理观念”作为课程的首要目标，赋予概念教学双重任务.概念是思维的基石，物理概念隐含的思维方法及应用价值，值得教师引导学生去揭示.

一、物理观念视角下的概念教学审视

物理课堂的场景，似乎就是物理定理、公式、定律及实验的教学.至于物理概念，在应试教育视角中，不过是物理教学的陪衬或序曲，似乎对学生应试力、物理学业水平或学科能力的发展无关紧要，加之考试或竞赛命题又忽视对物理概念的测评，以致其在教学中不受重视，甚至出现走过场的乱象.

（一）以内涵论概念，忽略概念的外延

有的物理概念教学，以内涵来论概念，热衷于下定义，忽略概念的外延.例如，“弹力”概念，一般采用“叫作”的陈述方式“照本宣科”下定义：“发生弹性形变的物体由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫作弹力.”而后，往往满足于解读“弹性形变”这个内涵，以致“照本宣科”，出现教学有效性差或不深入的问题.

“备”概念，就是如何传达概念（物理量）的内涵或物理意义.这似乎成了思维定式.物理概念有内涵和外延之说。教师或许晓得概念的内涵指向事物的“本质属性”，一般采取“下定义”的方式来揭示，或以汉字来表达，或转化为数学语言（公式）来表征.然而，他们却不甚明白概念的外延是什么、为什么要教外延、怎样教概念的外延，或为什么要向学生点明外延（具有同一本质属性的事物的范围或产生现象的条件）.因此，只好止步于内涵层面.

在“弹力”概念的教学中，如果相继点明弹力表征物体对抗形变的本领这个“物理意义”和发生弹性形变这一“产生条件”，那么，教学言行就会相对有效.如果进一步启示：支持力、压力、绷紧绳子中的张力，是否为弹力？那么，教学言行就更加有效.因为，这样既讲了产生弹力现象的“条件”外延，又点拨了具有相同本质属性而有不同表现的弹力（作用）形式，即“范围”外延。这样的教学，就贴近了学生的最近发展区.

“教”概念，如果不涉及其外延，那么，再好的内涵介绍，也不可能将概念讲深讲透.因为，这折射出“教”概念的肤浅、“树”物理观念的乏力.

（二）重显性的狭义知识的教，缺隐性的方法内涵的导

有的物理概念教学，忽略对概念中蕴含的物理（思维）方法的引导.例如，“失重/超重”概念的教学，一般分为三步：

1.定义：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于（大于）物体所受重力的情况，叫作失重（超重）现象.

2.解读：如为避免学生对失重概念望文生义，强调“地球作用于物体的重力始终存在，大小也不发生什么变化，所以物体失重并不是真的失去了重量”.

3.引申：产生失重/超重的条件是“物体具有向下（上）的加速度”，即再讲“条件”外延.

上述教学看似高效，实则已偏离“能用运动与相互作用观念解决实际问题”的教学目标.因为在“失重/超重”概念知识中，也许还蕴含着探究问题的创新思维方法，若能从中得到启示并灵活运用，就能促进学生的物理观念水平.《课标》把物理观念素养的水平细化为5个等级[2]78，足见没有“概念迁移方法”的教学头脑，就一定会偏离教学目标.

在备课中，教师要从“备概念”转向“备概念知识”，并揭示概念思维方法.如“质点”“惯性/非惯性参考系”“平均速度”“简谐振动/单摆”“等势面/电场线”“超重/失重”等的教学，除了要关注显性的狭义的知识内涵，还要注重隐性的方法内涵.这些具有“概念+”（即关联概念的思维知识/概念的迁移及其取向）的二重性物理概念，其蕴含的方法就是“方法性知识”，它是基于物理视角看问题的科学思维的组成部分.这样的物理概念，承载着包括建构模型、抽象推理等方法的运用，是可以引导学生运用科学思维的载体.

二、物理概念的备课及教学

许多物理概念，具有重要的方法论意义，具有以物理方法促进学生思维发展和创新探索的潜在价值.下面，笔者以“超重/失重”概念为例，阐述物理概念的备课与教学。

（一）为揭发“概念+”而备课

物理概念的教学，要揭示概念的方法性知识，指向思维训练和科学思维.以“超重/失重概念”的教学为例，教师在备课时可这样设计：

1.描述翻滚过山车的“运动情境”，让学生基于“超重/失重”概念，运用“运动与相互作用”观念解释图1中小球的超重/失重现象及原因.

2.指出：关注“超重/失重”概念的“条件”外延，是创新性解决物理问题的思维方法——概念思维法。这是把“超重/失重”概念化作方法性知识，启发学生理解“概念+”，即将其“二重性”的阴面呈现给学生.

3.点拨：“失重/超重”思维方法，一般用于分析物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力.提问：为什么？

例1   如图1所示，质量为M的圆弧凹形物块固定于水平桌面上.质量为m的质点小球，在其弧形轨道的最低点附近做往复运动.

（1）若小球与圆弧心的连线半径为r，与竖直方向的动态夹角为θ，则小球对物块压力（N1）的变化情况为（    ）.

A.上行过程，mgcosθ≤N1

B.下行过程，mgcosθ≤N1

C.上行前期，mgcosθ≤N1

D.上行后期，mgcosθ≤N1

（2）判断桌面所受压力（N2）的情况（    ）

A.小球上行前期，N2 >（m+M）g

B.小球下行前期，N2>（m+M）g

C.小球上行过程，N2>（m+M）g

D.小球下行过程，N2<（m+M）g

（二）为启发科学思维而教

在教学中，教师通过展示巧解、速解和化繁为简的示例，引导学生基于概念进行建模推理，导向质疑创新和模型建构等科学思维的培养[2]5.

1.解法创新

例1中的第一个问题，侧重考查运用加（减）速概念和超（失）重概念的能力.题目把小球的圆弧运动等效为水平和竖直方向的投影运动.因为小球上（下）行时，其竖直分运动是分速度向上（下）的加（减）速运动：上行前期为“加速运动”，因而其加速度竖直向上，所以其间小球处于超重运动情境;上行后期为“减速运动”，因而其加速度竖直向下，所以其间小球处于失重运动情境.再以失重概念的条件外延——方法性知识，可推理论证小球上行后期N1cosθ

2.触类旁通

例1中的第二个问题，由于小球上行前期，竖直方向运动为加速运动，其加速度竖直向上，故小球为超重运动情境，据此可推理小球加物块整体超重：桌面压力大于重力，即N2>（m+M）g.故可断定选项A正确.

3.以评价促进学生的学习与发展[2]3

解答上述训练题的常规套路是，对隔离的小球和物块，首先基于受力分析列方程，再求解方程组，最后对所得压力公式做函数分析，考查压力随小球位置参数（角度）的变化规律.这种常规解法比较烦琐，加上试题潜在“摩擦”这一含糊信息，可能导致解不出.所以，教师应告知学生：对该题选项的定量推理，应运用“超重/失重”的“概念+”思维方法.

三、物理概念的考评

2014年12月，教育部颁布《关于普通高中学业水平考试的实施意见》，提出各省（区、市）“根据课程标准的规定及要求确定考试内容”.可见，试题内容与《课标》的一致性程度，就是评价试卷的核心指标.因此，《课标》中设定的学科核心素养课程目标，应是命题遵循的基本原则，即要注意考查四方面核心素养各自包括的诸要素.而这四方面核心素养中有三方面为智力性素养，所以侧重考查物理观念、科学思维等学科能力目标的试题应占相当大的比重.然而，高中物理合格性考试或等级性考试的命题，并没有较好地做到这一点[3].比如，对物理概念的考查，还是停留在仅仅检测考生“懂概念”的了解或理解水平，并没有上升到“用概念”的质量规格.对此，笔者试以“电场线”和“单摆”概念为例，阐述关于物理概念的命题，以此响应《课标》把物理概念等知识升级为观念，即“解释自然现象”和“解决实际问题”这一高级品格的5级描述[2]78-79，让“概念+”成为物理教师的教学追求.

例2   当一个正电导体小球A，从远处移向某中性导体B时，导体B的电势UB将      （填“升高”“降低”或“无变化”），且UB     UA（填“>”“<”或“=”）.

【命题意图】考查关于电场物质的等势面及电场线“概念+”：以“电场线法”探究静电问题.

在讲“静电平衡”现象时，如果疏于传递等势面概念的外延、“电场线”概念的知识，那么学生就难以进行关于等势面及电场线的图像思维，难以用“概念+”（电势沿电場线方向降落）的形象思维推理电势差，最终只能凭感觉乱猜答案.

假设我们追求“等势面+电场线”的教学，映射其方法性知识——不仅讲明这个复合概念的内涵、厘清其外延，而且指出其外延知识的方法性，引导学生运用“电场线法”思维意识，那么学生就可能进行“画线推理”（如图2）：因为UA >UB >0，所以导体B的电势UB从0开始升高.这样就能顺利获得答案.

例3   如图3所示，A为圆弧长度未知的竖直平面轨道最低点，[AB]为装在圆弧轨道上的弦轨道.把甲物块置于B点、乙物块置于很靠近A点的C点.现同时释放两个静止的小物块，它们将经由两条轨道（忽略摩擦）而到达最低点A，则下列说法中正确的是（    ）

① 甲物块到达A点，早于乙物块

② 甲物块到达A点，晚于乙物块

③ 甲乙两个小物块，同时到达A点

④ 缺应有数据信息

【命题意图】侧重考查“科学思维”的模型建构和科学论证要素：根据问题情境和“单摆”概念，运用单摆模型解决力学问题.

本题毫无已知数据，仅有运动学规律知识，无相应的单摆“概念+”是不能解答的.但是，如果讲单摆模型时，以“概念+”启发——“单摆概念既是知识，更是解决问题的模型思维方法，是方法性知识”，那么学生就会有“把乙物块的运动建模为单摆（弧心为悬挂点，无形的弧半径为摆长）运动”的创想，从而茅塞顿开，化解“乙物块置于很靠近A点的C点”的题意困惑，得到“乙物块是单摆运动，经[14]周期简谐运动到最低点A”的认识：t乙=[14] T=[14]×[2πRg]≈[1.6Rg].

然后，对甲的斜面运动，辅以假设推理——设弧轨道对应的圆半径为R，甲物块质量为m，斜面倾角为θ，即可求出甲物块的运动时间t甲=[2Rg]，从而判断选项②正确.

参考文献：

[1]普通高中物理课程标准修订组.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：49-51.

[2]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.

[3]王焕霞.高中物理学业水平考试与课程标准的一致性研究[J].课程·教材·教法，2015（8）：60-66.