例談初中物理概念的變式與遷移策略

陳 懋

(浙江省海寧市斜橋中學(xué)，浙江 海寧 314406)

例談初中物理概念的變式與遷移策略

陳 懋

(浙江省海寧市斜橋中學(xué)，浙江 海寧 314406)

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映,是物理事物的抽象．在概念的教學(xué)中,通過(guò)直觀或具體的變式,使概念“結(jié)構(gòu)化、通俗化、具體化、形象化”,幫助學(xué)生明確概念的具體含義,凸顯概念的本質(zhì)屬性,加深概念的理解和內(nèi)化,促使學(xué)生形成對(duì)概念的主觀性判斷,體悟知識(shí)的關(guān)聯(lián)性和其中蘊(yùn)含的思想方法,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自主構(gòu)建,并享受學(xué)習(xí)的快樂(lè)．

物理概念;變式遷移;本源問(wèn)題

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映,是物理事物的抽象．讓學(xué)生形成、理解和掌握物理概念,進(jìn)而掌握規(guī)律,并使他們的思維能力在這個(gè)過(guò)程中得到發(fā)展,是初中物理教學(xué)的核心目標(biāo)．因此,物理概念在物理教學(xué)中具有重要的地位．學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念時(shí)常見(jiàn)問(wèn)題:日常經(jīng)驗(yàn)中形成的不正確、不科學(xué)的前概念干擾;感性認(rèn)識(shí)不足或已有概念不清;抽象思維能力不足,有些概念難以理解;忽視量度公式的物理意義;相關(guān)概念間的混淆;不會(huì)運(yùn)用概念來(lái)分析、解決問(wèn)題．那么,我們?cè)鯓訋椭鷮W(xué)生對(duì)物理概念的理解呢?

依據(jù)概念教學(xué)模式,如圖1所示,筆者采用“變式與遷移”取得較好的教學(xué)效果．“變式”一詞,在心理學(xué)中是指從不同角度不同方面組織情境材料,通過(guò)變換其非本質(zhì)特征,保持其本質(zhì)特征不變,從而突出其本質(zhì)特征的一種智力活動(dòng)方式．在學(xué)習(xí)某一概念時(shí),若能及時(shí)向?qū)W生提供一些典型的、特殊的變式,有助于學(xué)生理解這一概念的本質(zhì)特征,有助于學(xué)生對(duì)此概念的識(shí)記與保持．這對(duì)于強(qiáng)化對(duì)物理概念的理解有舉足輕重的作用．

圖1 概念教學(xué)模式

1 界定概念的內(nèi)涵和外延,概念“結(jié)構(gòu)化”

物理概念的內(nèi)涵是反映在物理概念中的物理現(xiàn)象的本質(zhì)屬性,是該事物區(qū)別于其他事物的本質(zhì)特征．物理概念的外延則是指反映的物理現(xiàn)象本質(zhì)屬性的對(duì)象,即通常所說(shuō)的運(yùn)用條件和范圍．如果不進(jìn)行變式遷移,前概念仍然一有機(jī)會(huì)就會(huì)來(lái)騷擾．在新的問(wèn)題情境中,學(xué)生的前概念常常又會(huì)“死灰復(fù)燃”,不由自主地冒出來(lái),出現(xiàn)反復(fù)．[1]正反例結(jié)合,使概念放在一個(gè)嚴(yán)密的邏輯結(jié)構(gòu)之中．

1.1 典型的正例變式,明確概念的外延

每個(gè)物理概念都有一個(gè)明晰的邊界,掌握概念意味著能夠通過(guò)內(nèi)涵去確定一個(gè)具體的對(duì)象是否在這個(gè)邊界內(nèi)．因此,在概念教學(xué)中,將概念的外延作為變異空間,將其所包含的對(duì)象(含有概念本質(zhì)屬性的一切特征事例)進(jìn)行正例變式,通過(guò)比較不同變式的共同屬性而突出概念的本質(zhì)屬性．

案例1.密度是物質(zhì)的一種特性,是一種比顏色和氣味要隱蔽的特性．描述物體疏密程度的物理量,它決定于物質(zhì)本身的性質(zhì),而與物體的形狀、質(zhì)量和體積無(wú)關(guān),但與溫度、狀態(tài)有關(guān)．在密度教學(xué)中,教材是先介紹自然界物質(zhì)的多樣性,提出如何鑒別物質(zhì)的問(wèn)題,然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值關(guān)系,進(jìn)而引入密度概念,這只是一個(gè)基本的骨架．實(shí)際教學(xué)時(shí),必須充實(shí)其血肉．如果學(xué)生不明白為什么用質(zhì)量與體積的比值定義密度,是否可以用體積與質(zhì)量的比值定義密度等,很容易被簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式“俘虜”,認(rèn)為密度與質(zhì)量成正比,與體積成反比．為了明確比值定義密度外延,變式教學(xué)如下:

變式1:一杯水倒掉一半,剩下的水質(zhì)量、體積、密度,如何變化?

變式2:一杯水結(jié)成冰,冰的質(zhì)量、體積、密度與水的質(zhì)量、體積、密度如何變化?

變式3:一瓶氣體,用掉一半,剩下的氣體的質(zhì)量、體積、密度,如何變化?

變式4:把正方體鐵塊,在相同的溫度下壓成均勻鐵皮,則它的質(zhì)量、體積、密度如何變化?

評(píng)析： 密度是比值定義概念,比值定義法的基礎(chǔ):比較法．首先進(jìn)行“同中求異”“異中求同”的比較．這些事例包含物質(zhì)3種狀態(tài):固態(tài)、液態(tài)、氣體之間的物態(tài)變化,促使學(xué)生認(rèn)識(shí):對(duì)同一物體而言,密度是質(zhì)量與它的體積比值,排除非本質(zhì)因素:質(zhì)量、體積,干擾因素:溫度,從而理解密度概念．

1.2 針對(duì)性反例變式,明確概念的內(nèi)涵

概念的反例(不含某個(gè)概念本質(zhì)屬性的事例)提供了最有利于辨別的信息,對(duì)概念認(rèn)識(shí)的深化具有非常重要的作用．適當(dāng)使用反例不但可以使學(xué)生對(duì)概念的理解更加精確,建立相關(guān)概念之間的聯(lián)系,而且還可以排除無(wú)關(guān)特征的干擾,預(yù)防或澄清學(xué)生在概念理解時(shí)可能出現(xiàn)的混淆．

案例2.在學(xué)習(xí)力的概念時(shí),首先向?qū)W生提供熟悉的力的現(xiàn)象:如下表1,這就是感性具體,然后對(duì)這三類事物進(jìn)行思維抽象,通過(guò)分析、比較、分類,發(fā)現(xiàn)“人、壓路機(jī)、磁鐵”是同類事物,可以抽象為物體,“車、路面、螺釘”也是同類事物,也可以抽象為物體,而推、壓、吸則是另一類事物,它們的本質(zhì)屬性可以抽象為動(dòng)作或作用,于是,我們可以給力下定義:力是物體對(duì)物體的作用．在此基礎(chǔ)上,還要把力的概念推廣到所有的同類事物中,從而達(dá)到對(duì)力的一般認(rèn)識(shí)．

表1

圖2

但是,從感知到概念之間還有一段較長(zhǎng)的思維過(guò)程,這段思維過(guò)程對(duì)形成物理概念的作用是實(shí)質(zhì)性的,甚至比定義概念更重要．換句話說(shuō),學(xué)生對(duì)于力的概念并未真正理解,不能用于實(shí)踐解決問(wèn)題,變式教學(xué)如下:

變式1:如圖2.人坐在椅子上,雙腳離地,看能否站起來(lái)?實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓學(xué)生明白單單一個(gè)物體是沒(méi)有力可言的,力是物體(腳)對(duì)物體(地)的作用.力是至少兩個(gè)物體之間的相互作用．

變式2:活動(dòng),用手扔紙團(tuán),紙團(tuán)離開(kāi)手以后,是否受到手的力的作用?對(duì)紙團(tuán)而言,力的作用是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài),紙團(tuán)離開(kāi)手以后,手無(wú)法改變紙團(tuán)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),所以手對(duì)紙沒(méi)有力的作用．力的作用效果包括改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或改變形狀．為后續(xù)學(xué)習(xí)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系做鋪墊．

評(píng)析:變式1中只有一個(gè)物體,變式2中兩個(gè)物體都存在,但彼此間沒(méi)有受到力的作用．概念形成過(guò)程中,采用正面的例子傳遞的信息便于學(xué)生從中概括出共同的特征;概念鞏固深化過(guò)程中,反面的例子傳遞的信息則有利于辨別,通過(guò)反例變式,有助于加深對(duì)概念本質(zhì)的理解．

2 階梯型變換概念的表達(dá)方式,概念“具體化”

同一物理概念往往可以用不同的表達(dá)方式進(jìn)行表述．因此,教師可以通過(guò)變換概念的表達(dá)方式,用事實(shí)、數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)抽象的科學(xué)概念,引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)角度理解物理概念,靈活應(yīng)用概念不同的表達(dá)方式．

2.1 由淺入深

課本中的物理概念,文字?jǐn)⑹鰢?yán)謹(jǐn)、簡(jiǎn)潔,多數(shù)學(xué)生能夠讀懂字面意義,但不能把握準(zhǔn)確深刻的含義,運(yùn)用概念解決問(wèn)題時(shí)容易錯(cuò)誤．在概念教學(xué)時(shí),依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知,由淺入深進(jìn)行變式,逐步把握概念的本質(zhì)屬性．

案例3.對(duì)重力的方向,教師可以利用如圖3所示的實(shí)驗(yàn),圖甲和圖乙,球靜止時(shí)線向下,說(shuō)明重力的方向豎直向下;鐵架臺(tái)傾斜的過(guò)程中,球靜止時(shí)線的方向始終不變,說(shuō)明重力的方向始終豎直向下．這句話表明兩個(gè)方面:重力的方向不變,重力的方向豎直向下．

圖3

但學(xué)生對(duì)豎直向下不理解,只認(rèn)可“向下”,往往把豎直向下與垂直向下混淆,因?yàn)樵谒矫嫔?豎直向下與垂直向下是一樣的．對(duì)此,采用如圖4中變式訓(xùn)練,幫助學(xué)生理解概念:

變式1:物體的重力方向正確的是(D)

變式2:豎直向下與垂直向下一樣嗎?

圖4

變式2:豎直向下與垂直向下一樣嗎?

變式3:請(qǐng)畫(huà)出每個(gè)人的重力的方向．如圖5.我們平常所說(shuō)的“向下”,到底指的是什么方向?

圖5

變式4:作圖,畫(huà)出下圖6中重力的方向．

圖6

評(píng)析:學(xué)生對(duì)豎直向下缺乏認(rèn)識(shí),變式1讓學(xué)生明白垂直向下與豎直向下的關(guān)系;變式2明確向下的含義,變式3動(dòng)態(tài)物體重力的方向,由淺入深,明白重力的方向豎直向下,其實(shí)是都指向地心．

2.2 由點(diǎn)及面

新授課時(shí),在單一背景下提出的概念一般都是概念的標(biāo)準(zhǔn)形式,但很多問(wèn)題,可能處于各種不同的背景中,也就是概念的非標(biāo)準(zhǔn)形式．在實(shí)際教學(xué)時(shí),利用“變式”進(jìn)行分解．將復(fù)雜概念先“變式”分解成為較簡(jiǎn)單概念,由點(diǎn)及面,然后逐步加深復(fù)原,最后形成概念,頗有“水到渠成”之妙.

案例4.在學(xué)習(xí)“功”的概念之后,僅僅會(huì)背誦只掌握概念的初步應(yīng)用,是難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的,還要結(jié)合其他概念,豐富的變式題型去逐步加深學(xué)生對(duì)“功”的理解．通過(guò)變式練習(xí)理解做功的必要因素:

變式1:人很費(fèi)力地推汽車,汽車不動(dòng),這個(gè)過(guò)程中推力對(duì)汽車是否做功?

變式2:汽車關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后,又向前進(jìn)了一段距離,這個(gè)過(guò)程中牽引力是否做功?

變式3:汽車在路上出故障壞,吊車把汽車吊起后在水平方向移動(dòng)一段距離.汽車的重力是否做功?

變式4:汽車在牽引力作用下在公路上勻速行駛,這個(gè)過(guò)程中牽引力是否做功?

評(píng)析:學(xué)生往往知道做功的條件:力和距離,但沒(méi)有對(duì)應(yīng)．在上述變式教學(xué)中,兩個(gè)非本質(zhì)因素的出現(xiàn)是依次遞增,這既有利于降低學(xué)生思維的難度,也有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)起干擾作用的是哪一個(gè)因素．

3 多維度變換概念的表達(dá)形式,概念“形象化”

物理學(xué)中許多概念都可以用不同的形式進(jìn)行表述,這也成為變式教學(xué)的重要依據(jù)．物理概念的常見(jiàn)表述形式有: (1) 文字表達(dá)法,即用科學(xué)、簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言描述概念．(2) 公式表達(dá)法,即用數(shù)學(xué)式反映概念和規(guī)律,直觀體現(xiàn)概念和規(guī)律的構(gòu)成要素．(3) 圖像表達(dá)法,即用數(shù)學(xué)函數(shù)圖像表述物理概念和規(guī)律的含義．(4) 圖表表達(dá)法,即將某些事實(shí)或觀念加以整理、摘要,然后用圖形、表格表達(dá)出來(lái)．(5) 圖形表達(dá)法,即用圖像形象地描述概念．[2]變換多維度表達(dá),使學(xué)生更加形象化認(rèn)識(shí)物理概念．

案例5.在電阻概念的學(xué)習(xí)中,隨著學(xué)習(xí)的不斷深入,可以不斷的變式,讓學(xué)生體驗(yàn)物理之美．

變式1:電阻的定義式R=U/I,對(duì)特定的導(dǎo)體,加在其兩端的電壓越大,產(chǎn)生的電流強(qiáng)度越大,但U/I比值是一常量,這一常量由組成導(dǎo)體的材料及導(dǎo)體的尺寸決定,與加在導(dǎo)體兩端的電壓無(wú)關(guān)．

變式2:R描述導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用,任何導(dǎo)體都有這種性質(zhì)．

圖7

變式3:電阻一定,同一導(dǎo)體,電流與電壓成正比．如圖7．

變式4:為什么兩個(gè)電路串聯(lián)后的總電阻比任何一個(gè)分電阻大?你能用類比方法解釋嗎?并聯(lián)后的總電阻反而比任何一個(gè)分電阻小?你可以用類比方法解釋嗎?

評(píng)析:對(duì)學(xué)生而言,方法比知識(shí)更重要,因?yàn)橹R(shí)過(guò)幾年就會(huì)忘記,而科學(xué)方法會(huì)陪伴終身．文字表達(dá)比較抽象,圖像表達(dá)比較直觀,文字和圖像之間變換,讓學(xué)生感受到“知識(shí)不僅是靜態(tài)的結(jié)論,還是生動(dòng)的過(guò)程,更是思維的工具和方法,是具有認(rèn)識(shí)方法論的功能和價(jià)值．”

4 利用概念和概念間的邏輯關(guān)系,概念“通俗化”

前概念對(duì)物理概念的建構(gòu)之所以會(huì)產(chǎn)生干擾,原因之一是前概念與物理概念之間存在著某些關(guān)聯(lián)性和相似性．為此,運(yùn)用比較、類比等方法,同中求異、異中求同,摒棄事物的非本質(zhì)特征和影響事物的非本質(zhì)因素,對(duì)事物的本質(zhì)特征和影響事物的本質(zhì)特征獲得正確的認(rèn)識(shí),幫助學(xué)生理解科學(xué)概念．

4.1 變換情境,同中求異

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀認(rèn)為,知識(shí)的學(xué)習(xí)并不是學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)被動(dòng)的接受,而是學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)意義自主的建構(gòu)．學(xué)生先前學(xué)習(xí)的概念和已有經(jīng)驗(yàn)的前概念,都會(huì)對(duì)當(dāng)前的概念學(xué)習(xí)產(chǎn)生種種影響．教師可以變換新的學(xué)習(xí)情境,讓學(xué)生解釋生活中的現(xiàn)象,在應(yīng)用中辨析彼此間的關(guān)系．

案例6.在學(xué)習(xí)壓力的概念,學(xué)生難以把重力和壓力區(qū)分清楚,重力是由于地球吸引而使物體受到的力,方向豎直向下;壓力是垂直作用于物體表面的力,是兩個(gè)物體相互接觸擠壓而受到的力．但由于生活中我們所接觸到的水平地面上的物體對(duì)地面的壓力大小和物體的重力大小和方向都相同,很多學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為壓力就是由于重力而產(chǎn)生的,甚至有的學(xué)生認(rèn)為壓力就是重力．對(duì)此,在教學(xué)中可以采用變式新情境,幫助學(xué)生區(qū)分這兩個(gè)概念:

變式1:把黑板擦壓在豎直的黑板上時(shí),黑板擦受到的重力和手對(duì)它的壓力是怎樣的?

變式2:當(dāng)工人把裝修材料壓到天花板上時(shí),材料所受到的重力和人對(duì)其的壓力是怎樣的?

4.2 畫(huà)概念圖,異中求同

科學(xué)教育最根本任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法．物理中有許多相近或相似的概念,例如壓力和重力、功率和效率等,把這些相近的概念歸納在一起,分析異同,辨析本質(zhì)．厘清概念建立的緣由,使學(xué)生認(rèn)知從感性發(fā)展到理性的關(guān)鍵,是后續(xù)學(xué)習(xí)中能準(zhǔn)確解讀反映概念間關(guān)系的科學(xué)規(guī)律的前提．

案例7.浮力是初中物理的一個(gè)難點(diǎn)概念．涉及密度、力、體積,把一些相近、易混淆的概念:上浮、懸浮、漂浮、下沉,以及影響因素,串成鎖鏈,編成網(wǎng)絡(luò),配以圖示,如圖8,縱橫聯(lián)系,使學(xué)生獲得的是一個(gè)有序的概念系統(tǒng),從整體中看到部分,從部分中體現(xiàn)整體．

圖8 浮力概念圖

古人云:“變則通,通則久”．“變式”的核心,是一個(gè)“變”字,新穎有趣的“變式”問(wèn)題,不僅可以加強(qiáng)對(duì)物理概念的深刻理解,同時(shí)能使學(xué)生掌握知識(shí)信息大量增殖,并且能拓寬思路,遏制單向思維定勢(shì)的消極影響．在推進(jìn)素質(zhì)教育和進(jìn)行課程改革的今天,“變式”的方法必然越來(lái)越受到人們的重視．但需要特別指出的是,變式教學(xué)要緊扣教學(xué)目標(biāo),即變式之“變”要“有理、有利、有節(jié)”,不能為了變而變,變得不切實(shí)際,要遵循循序漸進(jìn)的原則．[3]

1 鄭青岳.鄭青岳科學(xué)教育講演錄[M].杭州:浙江教育出版社，2015.

2 竇瑾.摭談三個(gè)維度上的物理變式教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016(5):20.

3 楊心德.變式練習(xí)與程序性知識(shí)的學(xué)習(xí)[J].上海教育科研,2004(9):44-45.

4 張瑞能.例談變式對(duì)初中物理教學(xué)的作用[J].物理教師，2011(11)：27-28.

2016-09-23)