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高中物理概念的“五特征”和“三类型”

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姚彬

摘? ?要：物理概念有利于学生准确形成物理观点，掌握好物理规律，因此概念教学是中学物理教学中的重要环节。笔者归纳总结了高中物理概念呈现的五个特征，并从学生的认知角度将物理概念划分为三种类型。希望能够对物理概念教学有所启发和帮助。

关键词：物理概念;五特征;三类型

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2019）4-0012-3

物理学科核心素养之一的物理观念提到：从物理學视角形成的关于物质、运动与相互作用、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。物理概念和规律是中学物理基础知识中最重要、最基本的内容。使学生形成清晰的物理概念，准确地掌握物理规律，并使他们的智力和能力得到充分发展，是中学物理教学的核心问题。由此可见，物理概念的形成是学生掌握好物理规律，形成良好的物理学科核心素养的基础。所以，物理概念教学是整个中学阶段物理学习过程中相当重要的一个环节。

笔者曾对高中生物理概念形成过程开展过课题研究。在高一、高二两个年级四册课本中挑选了加速度、向心加速度、万有引力、电势、磁感应强度和交流电有效值这六个物理概念进行研究。通过对比不同版本的教材、课堂教学的集体评议、学生问卷和检测题的统计分析以及资料的查阅学习，对学生如何建立起物理概念，在概念形成过程中又会遇到哪些干扰和障碍，有了更深入的了解。随后总结出高中阶段物理概念的“五特征”，并从学生认知角度将物理概念分为“三类型”，以期对高中阶段物理概念教学能够有所裨益。

1? ? 物理概念的“五特征”

“五特征”是指高中学生形成物理概念过程中呈现出的五个显著特征，可以用五个特征词来表述：“前因”“前概念”“关键信息点”“纵向延伸”和“横向关联”。

1.1? ? 特征1：概念“前因”

概念前因即概念的物理意义，简单地说就是为什么要引入这个概念？以高一学生刚接触加速度概念为例，在学习概念后的形成性检测题中我们设置了两个问题：

①速度变化越大是否说明加速度越大？

②速度减小得越快是否说明加速度越大？

问卷调查显示，问题①约有20%的学生判断错误，问题②约有40%的学生判断错误。参与调查的学生对问题判断说明了什么？又是什么原因导致他们判断错误？

教材对加速度的定义非常明确：加速度是表示速度改变快慢的物理量，它等于速度的改变跟发生这一改变所用时间的比值。由问题①可以发现，参与调查的学生中有八成对加速度的定义记忆是准确的，但不能确定他们对加速度的理解是否准确。再结合问题②的错误率，可以推测仍有近两成的学生是死记概念，而没有理解加速度。

参与调查的学生中有近四成没有认识到为什么要引入加速度这个概念，即概念前因不明。访谈发现，学生对加速度理解错误的原因有三类：第一类认为加速度是描述速度变化大小的物理量;第二类认为加速度是描述速度增加的物理量;第三类则表示完全不清楚。

学生在学习物理概念时，如果不清楚这个概念的前因，就只能靠死记硬背，这样有很大可能会出现知识遗忘或者混淆的现象。

1.2? ? 特征2：“前概念”

学生在学习某个概念之前，对这个概念的名词或大致内容已经有一定认识。这种认识或来源于生活经验，或来源于以前所学，或来源于他人述说，或来源于自学，我们称之为前概念。它可能有助于学生更好地理解和掌握所学概念，但也有可能因为已形成的前概念并不严谨、甚至错误，对该概念的理解造成干扰。

比如，学生在学习“磁感应强度”之前已经学习过“电场强度”。学生会不自觉地将电场与磁场进行类比。电场强度的定义是学生学习磁感应强度的前概念，而且是起干扰作用的前概念。从问卷和检测题数据统计分析，可以发现学生将磁场类比电场，将电流元类比检验正电荷，将电流元所受安培力类比检验正电荷所受到的电场力，这时可以发现磁感应强度大小与电场强度大小的定义方法相似。所以，学生用检验正电荷受到的电场力方向定义电场强度方向，类比理解电流元所受安培力的方向为磁感应强度方向。电场强度这个前概念有利于学生理解磁感应强度的大小，反过来因为这种类比又干扰了学生记忆磁感应强度方向的规定。

在我们分析的目标概念中，电场强度是磁感应强度的前概念，重力也可以视为万有引力的前概念。因此，要使学生更好地形成新概念，特别是抽象的概念，就要分析学生可能存在的“前概念”，并判断“前概念”在哪个点有利于学生的理解，哪个点会造成干扰。

1.3? ? 特征3：定义的“关键信息点”

一般来说，物理概念都有明确的定义。如交流电的有效值的定义：恒定电流通过相同的电阻在交流的一个周期内产生热量与交变电流的相等，则该恒定电流的电流强度和电压是交流电电流和电压的有效值。这个定义中包含了三个关键信息点：交流一个周期、相同电阻、热量相等。从问卷中“交流电的有效值是如何定义的？”问题的统计分析，发现对三个信息都能准确记忆的只有40%，其中错误最多是时间信息点，很多学生回答“相同的时间”或“单位时间内”。

对关键信息点的记忆缺失会严重影响学生分析综合应用问题。在检测题中设置求有效值的问题，如图1所示。统计数据显示，该题的正确率只有32%。通过个别访谈了解到，学生反映不知道时间取0.5 s、1 s还是2 s。

因为关键信息点记忆不准确或是缺漏，导致学生在较为复杂的问题上陷入了困境。

1.4? ? 特征4：概念的“纵向延伸”

必修1学习了加速度，必修2又出现了向心加速度的概念。必修1涉及到的运动是直线运动，学生更多地是在直线运动中去理解加速度，潜意识认为速度变化是指速度大小变化，因弱化速度方向或不理解导致学生无视速度的矢量特点。匀速圆周运动中的向心加速度是加速度概念在更为具体的运动类型中的纵向延伸。这种概念在纵向延伸后引出新概念，可以认为是原概念的子概念，是原概念具体化的一种补充。由于延伸，可能会运用到某些物理思想或规律。在教学中，如果对延伸带来的变化处理得当，不仅会帮助学生掌握好子概念，而且能够帮助学生更好地理解原概念。

1.5? ?特征5：概念的“横向关联”

电场中学习过“电势、电势差和电势能”的概念，在后续的学习中电势的概念屡次出现。比如，利用等电势点法简化电路结构，电磁感应现象中导体上电势的高低。

学生在学习感生电动势后就会对“电势”概念产生疑问：磁场变化产生感生电动势，使闭合线圈中形成闭合的电场线。但电势会沿着电場线的方向逐渐降低。那如何判断电势高低？

出现这种疑问主要有两个方面的原因：一是在静电场章节学习电势概念时，限于所学，虽然强调是静电场，但无法提及感生电场，因此学生会误认为电场只有静电场一种，所以电势沿电场线降落是所有电场都具有的特征。另一个原因是感生电场与静电场的区别在教材中并没有作为重点描述，教师在教学中或是有意弱化，或是自身存在知识缺陷。

有“横向关联”的概念往往会使问题更复杂，也会使学生不仅不能掌握好现有概念，甚至对原概念也产生疑问。

2? ? 物理概念的“三类型”

物理概念分类有很多种分法。比如，根据内容分为力学概念、电磁学概念等;根据定义方式分为比值法概念、等效法概念等。我们根据学生在物理概念形成过程中呈现的“五特征”，从学生认知发展的角度将中学物理概念分为“全新型概念”“延伸型概念”“类比型概念”三种类型。

2.1? ? 类型1? “全新型概念”

“全新型概念”是指在学习某个概念之前，对大部分学生而言，从未听说过或是从未了解过的名词。比如加速度，初中物理没有出现过，生活中也很少出现。对于大部分学生而言，可以说是一个全新的概念。还有“交流电的有效值”等概念亦是如此。

“全新型概念”具有以下几个特点：（1）由于全新，因此没有或很少有前概念的干扰;（2）由于全新，因此必须重视概念的前因;（3）由于全新，因此需要通过一定量的形成性练习巩固对概念的理解。

2.2? ? 类型2? “延伸型概念”

“延伸型概念”是指在某个概念的基础上纵向延伸时引出的新概念。它是原概念在某环境中的具体化体现。比如，加速度和向心加速度、重力和万有引力等。

对于“延伸型概念”的学习，一般需要采取如下几个步骤：

（1）找出它的原概念，并从定义进行比较。使学生能从多方位、多角度理解原概念;

（2）通过对概念的辨析，使学生知道“延伸型概念”反映的是原概念的某个方面，使学生在宏观上增强对“延伸型概念”的认识;

（3）重点关注概念延伸涉及到的不易掌握的物理思想和方法，根据学生层次来确定这些教学难点的取舍。若是觉得学生难以接受这些物理思想和方法，教学中也应该采用尽可能简洁、清晰的方式表述这些难点，而不是完全置之不顾。

2.3? ? 类型3? “类比型概念”

“类比型概念”是指诸如电场强度与磁感应强度、重力势能与电势能……这些物理概念有着相似的引入方式或定义方式，称为“类比型概念”，它们具有如下几个特点：（1）它们分属于物理学中不同领域的概念;（2）它们在各自的领域中具有某种相似的物理属性;（3）它们的定义方式相同。

在物理概念教学中可依据上述三种类型对概念进行归类，根据不同类型在导入方法、内容表述、关键信息点以及巩固练习等四个方面有所侧重。如“全新型概念”侧重于比较导入法、“延伸型概念”侧重于强化关键信息点、“类比型概念”侧重于内容表述形式。

参考文献：

[1]顾庆裕.新课标下高中物理概念教学的实践和探索[J].中学物理，2009（7）：4-7.

[2]侯世闯.高中物理概念和规律教学的课堂教学模式研究[D].大连：辽宁师范大学硕士学位论文，2001.

[3]邢建纯.用结构论剖析中学物理概念型教材[J]. 吕梁教育学院学报，2005（1）：53-55.

（栏目编辑? ? 赵保钢）

收稿日期：2019-01-31

基金项目：本文为中山市教育科研一般课题“高中学生物理概念形成过程探究”（课题编号 D12078）的研究成果。

作者简介：姚彬（1975-），男，中学物理高级教师，主要从事高中物理教学工作，中山市高中物理学科带头人，曾获中山市中学物理教学比赛一等奖，多次被评为中山市优秀教师等称号。

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