中学物理概念教学漫谈

每当我们阅完学生的试卷进行教学评估时，常常要说：“学生的物理概念模糊不清”。可见，物理概念教学当前仍是一个薄弱环节。
一、物理概念举足轻重
　　众所周知，正确地理解物理概念是学好物理学的基础。例如，力的概念和能量的概念是贯穿中学物理的一条主线。在运动学中，只有知道了物体的位移和速度，才可以了解物体的运动情况，所以位移和速度两个概念是贯穿运动学的基本概念，它们的内在联系构成了运动学基本规律。同样，力、质量、惯性、加速度是贯穿动力学的基本概念，它们的内在联系构成了牛顿运动定律。站在牛顿运动定律的角度去观察、思维，就可窥见整个经典力学。

如果没有理解力的概念，那就很难理解牛顿运动定律；如果对力学的基本概念模糊不清，那么，想学好电学也缺乏基础。所以，物理概念是物理思维的细胞，从逻辑学的角度来说，物理学就是在实验的基础上，由物理概念组成的判断和推理的逻辑体系。
　　由此可见，物理学中最重要的是物理概念。如果把物理定律比作构成宏伟、壮丽的物理学大厦的支柱，那么物理概念便是构成物理学大厦的砖瓦基石。
二　物理概念教学程序

　　（一）物理概念的引入
　　在物理概念教学中，首先要使学生明白原有概念的局限，从而知道为什么要引入新的物理概念。
　　例如“密度”概念的引入：给学生一些体积相同、材料不同的长方体块，让他们用手掂轻重，比较其质量；再取几个试管，放入质量相同的不同液体，比较其体积的大小，使学生从中悟出物质的一个特殊性质，即“体积相同时，不同物质的质量不同；质量相同时，不同物质的体积不同”。接着问学生：“我们能根据物质的颜色、气味、硬度来辨认物质，但如果两种物质的颜色、气味、硬度都相同时，还有什么方法可以区分它们呢？”于是，学生感到还有必要来寻找物质的新的特性，从而领会用单位体积的质量来表征物质的一种特性的方法，由此便引入了密度这个概念。
　　（二）物理概念的形成
　　知道了引入概念的必要性后，接着的问题是理解这个概念到底怎样描述了某一物理现象的本质？它的内容是什么？一句话，概念是怎样形成或建立起来的？
　　物理学是借“物”求“理”，物理概念是物理现象的本质在人们头脑中的反映，所以，为了形成概念，首先必须给学生提供足够的感性材料（例如，列举生活中熟悉的实例，或观察模型、实物、示意图，或进行实验等等），然后启发诱导，让学生观察、思维、分析、比较“现象”的共同属性，概括、抽象出其本质，得出物理概念的定义，进而导出物理概念的定义式和单位（如果这个物理概念是物理量的话）。
　　例如，匀变速直线运动的“加速度”这个概念的形成可以通过列举实例：
　　火车开动时，它的速度从零增加到几十米每秒，需要几分钟。
　　汽车开动时，它的速度从零增加到几十米每秒，只需几秒钟；
　　步枪射击时，子弹的速度从零增加到几百米每秒，仅用千分之几秒；
　　急速驶行的火车要停下来，需要几十秒钟；
　　急速行驶的汽车要停下来，几秒钟就够了；
　　子弹射入墙壁中，千分之几秒钟就可停止。
　　由此可知，常见的许多变速运动，其速度变化的快慢不同，而且差别较大。
　　物体运动速度改变的快慢有重要的现实意义：百米赛跑，起跑时速度增加的快，可以缩短运动时间，提高成绩；汽车在紧急刹车时，速度改变的快，则可避免发生事故。
　　为了表示速度改变的快慢，便引入了一个新的物理概念——“加速度”。
　　值得注意的是，形成概念的前提是使学生获得十分丰富的、有助于形成这个概念的感性材料。从感性认识上升到理性认识，是认识上的飞跃，这个过程只能由学生自己来完成。如果教师包办代替，在罗列一些物理现象之后，就简单地把物理概念的定义提出来，学生理解的不充分，就会造成对物理概念囫囵吞枣，死记硬背。
　　（三）物理概念的剖析
　　学生初步建立了概念，这只是从正面对概念的认识。为了比较深刻地理解概念，还需要认识概念的反面，乃至左、右、上、下面，即从全方位来认识概念。为此，必须对概念进行解剖。
l、概念的内涵与外延
　　概念的内涵即概念的本质。概念的内涵既反映了物理对象某种属性的“质”，又反映了物理对象某种属性的“量”（即“量度方式”和 “量度单位”），这样的物理概念也叫物理量。概念的外延即概念的适用范围，是指概念所反映的具有某一属性的一个个、一类类现象或事物。
　　概念教学的关键是使学生了解概念的内涵和外延。定义是明确概念内涵和外延的依据。所以，为了找出概念的内涵和外延，必须从分析概念的定义入手。例如，力的定义是“物体对物体的作用”，力的概念所反映的事物的特有属性是“物体对物体的作用”，此即力的内涵。力的概念所反映的特有属性的事物是具有这特有属性的所有的力，如万有引力、电磁力、核力等具体的力，此即力的概念的外延。同样，惯性概念的内涵是“物体有保持原来运动状态的性质”，外延是“一切物体”。
2、概念的结构
　　概念的结构指构成概念的要素。例如，“速度”的结构是位移与时间，“冲量”的结构是力与时间等等。
　　概念教学要把概念与构成它的要素区分清楚。速度 v 既不是位移 s，不是时间t，也不是 s/t；s/t只是描述了速度，量度了速度，在数值上等于速度的大小。
3、概念的特征
　　物理概念因它在物理学中的地位和作用的不同，各有自己的特殊性质。
（1）固有特征：有些物理概念反映了物质或物体本身固有的属性，这些属性不随外界条件的改变而改变，只由物质或物体本身所决定。
　　例如，质量是物体本身的属性，同一物体质量不变，物体不同质量不同；比热是物质本身的属性，每种物质都有比热且互不相同。
　　又如，惯性是物体本身的属性。重加速度、电场强度、磁感应强度是“场”物质本身的属性。密度、电荷、电阻、折射率等是实物物质本身的属性。
　　应该注意的是，虽然物质的固有属性与外界因素无关，但还要用外界因素去定义或量度这些属性的“量”的大小或强弱程度。例如，用电压与电流强度之比定义或量度电阻的大小。 在导体两端加上电压是显示导体有电阻的外部条件，不加电压，导体的电阻仍然存在，但人们却无法感知物质的“电阻”属性。因为物质的固有属性只能在它与周围其他事物的相互联系、相互作用中显示出来，所以物质的固有属性要用外界因素来描述、定义或量度。
　　（2）方向特征：有些物理现象的本质在量的方面既有大小、又有方向，那么描述这种现象的物理概念也具有方向特征，如力、动量等。
　　（3）状态特征：有些概念是描述物理对象的状态的，物理对象所处的状态不变，描述状态的概念物理量就有确定的值。例如，压强、体积、温度是描述气体状态的概念；机械能是描述物体机械运动状态的概念等。
　　（4）过程特征：有些概念是描述物理对象变化过程的，这些概念（物理量）的值与物理对象的变化过程有关。例如，功的概念、热量的概念、冲量的概念等。
　　（5）相对特征：有的物理现象是相对于某个事物而言的，描述它的本质的概念就具有“相对”特征。例如，物体的运动与参照物有关，参照物不同就会得出不同的结论。例如，位移就是一个具有相对特征的概念。此外，速度、功、动量、动能、势能等也是具有相对特征的概念。
　　（6）统计特征：描述大量微观粒子遵循统计规律运动所产生的宏观现象的本质的概念，具有统计特征。例如，气体“压强”概念是描述大量气体分子频繁地碰撞器壁产生的效果；安培力是磁场对大量运动电荷作用力的宏观表现。此外，“物质波”、“电子云”等概念也是描述大量微观粒子运动遵循统计规律所产生的宏观现象的本质的。
4、与其它概念的关系
　　为了深入理解概念，除了要理解其物理意义外，还应找出概念与构成它的要素或与它相近的另一概念的异同点及联系，帮助学生掌握概念体系。
　　所谓概念体系是指由相邻概念（如静电场与重力场，电场线与磁感线，库仑定律与万有引力定律等）、相似概念（如质量与重量、动量与动能，电场强度与电场力，电压与电动势等）、相反概念（如力的合成与力的分解，正功与负功等）、并列概念（如电场强度与电势）、从属概念（如电场强度与点电荷电场强度等）组成的系列概念。
　　只有当学生弄清了这些易混概念的区别与 联系，才能正确理解概念，防止错用概念，提高运用概念的能力。
　　（四）物理概念的巩固
1、理解概念的标准
　　检查学生是否理解了概念，就看他们能否回答“概念是怎样引出来的？怎样形成或建立的？内涵和外延是什么？与其它概念有何关系？”这样几个问题。
2、编撰适当例题
　　在概念上容易出错的地方，编撰适当的例题，变化条件，多方设问。例如，为了巩固“电场强度”这一概念，可编撰下列一组问题：
　　（l）为什么说电场中的电场强度反映了电场本身的力的性质？
　　（2）在电场中的P点放一个2．0×10^-8库仑的点电荷，它受的电场力是4×10^-10牛顿，P点的场强是多大？假定在P点改放一个8×10^-8库仑的点电荷，P点的场强是多大？如果在P点不放电荷；P点的场强是多大，为什么？
　　（3）关于电场强度的概念，下列说法中正确的是：
A、由E=F／q可知，电场中某点处的电场强度跟放在该点的检验电荷所受的电场力成正比。
B、由E=F／q可知，电场中某点处的电荷所受电场力总是跟电荷电量成正比。
C、放入电场中某点处的电荷所受的电场力越大，则该点处的电场越强。
D、放入电场中某点处的单位电荷所受的电场力越大，则该点处的电场越强。
E、由公式E=F／q可知，E与Q成反比；由公式E=kq／r²可知，E与q成正比。可见这两个公式是不相容的。
F、放入电场中某点的检验电荷的电量改变时，电场强度也随之改变；将检验电荷拿走，该点的电场强度就是零。
　　这些问题很容易把学生对电场强度的模糊认识暴露出来。有的学生硬套公式E=F／q，有的学生则以为“q变F就变，E也随着变；没有q，F就不存在，场强也就消失了”。澄清了学生对概念的模糊认识，便会形成正确概念。
3、准确理解，熟练记忆
　　在理解概念的基础上，熟记其中的道理。道理记住了，随时都可以回忆起概念的来龙去脉，从而巩固地掌握概念。
　　总之，学习一个概念，必须使学生了解它的来龙去脉，最后留在学生头脑里的是一幅能够反映现象之间密切联系的、完整的物理图景，而不是干巴巴、孤零零的几句话。
三　物理概念的进化
　　由于人们是在有限时空范围内认识无限变化发展的物理现象，所以人们对物理概念的认识也经历一个由浅入深、由简到繁、由表及里的过程。换句话说，一个完整的概念往往是不能一次了解清楚的，讲概念就要有一个发展过程。
　　例如，力的概念的发展，从亚里士多德时代到牛顿时代就经历了两千多年；“光”这个物理概念，就经历了牛顿的粒子说、惠更斯的波动说、麦克斯韦的电磁说、爱因斯坦的量子说，直到揭示了光的波粒二象性的本质特征，长达四个世纪。
　　事实上，任何一个物理概念的形成都经历了一个动态的、历史的阶段，都有一个从感性到理性、从低级到高级、从粗糙到严格的产生、发展和演变的过程。讲物理概念，应从历史发展过程来讲，讲怎样反复纠正错误的概念，现在的概念是什么，使学生懂得所学的东西、将来是要有发展的，不是死的。这样就把概念讲活了。否则，学生就以为物理概念是天经地义的、绝对不能破坏的，从而形成一种僵化的思想。事实不是这样，物理学永远是在不断前进、不断发展的。比如我们学习物体的导电性能时，把物体分为绝缘体和导体，后来出现了半导体，它应该属于哪一类呢？一种僵化的思想就不能适应这些问题。
　　用变化的、发展的观点，结合物理概念发展史讲解物理概念，既符合人类认识规律，又有着故事趣味性，自然会加深学生对物理概念的理解，同时还有助于消除学生对物理概念来源的“神秘感”。
　　没有任何一个物理概念、定律可以被视为终极真理，人们在有限时空范围内获得的物理知识只能是近似的、相对的真理、物理学大厦只能完善，却永远不会封顶。
四　应该注意的几个问题
　　（一）用多种方法，形成物理概念
　　从认识论的角度来看，物理学家探索物理的方法与物理教学的方法基本上是一致的。不过前者是物理学家寻觅直接经验，后者是学生在教材、教师的安排、引导下有目的地学习间接知识。所以物理教学不可能像物理学家创立概念、发现定律那样亲身经历、事事实验。这就是说，一些比较抽象的物理概念的形成，就可能因无法通过实验，而只能采用其它方法。
l、类比方法：如用水流类比电流，用水压类比电压，用电场类比磁场等。
2、比较思维：如比较电场与重力场，从而讲清电场概念。
3、演绎推理：如根据磁场对电流的作用力公式推导出洛仑兹力公式等等。
4、比喻方法：如用地势降落的陡度比喻电势降落的陡度，使“电势降落的陡度”这一概念一目了然。
5、温故知新：因为概念是现象本质属性的反映，而一切现象都是相互联系着的，概念之间亦必然反映了这种联系，所以抓住概念之间的内在联系，由旧概念会阐明新概念，是认识新概念的重要方法。如讲电容这一概念时，首先要弄清电量和电压的概念；讲波必须先学好振动；讲电功概念，须充分利用学生已有的机械功、电压、电量、电流强度、能的转化和守恒定律等概念和知识……
6、理想化思维：在物理学中，实际研究对象和它所处的环境一般比较复杂，决定的因素和受约束的条件很多，如果不分主次轻重地考虑一切因素和条件，那么必然会使问题复杂化而无法研究。为了方便研究，暂时抛开次要的或非本质的因素，割断事物的某些联系，保留实际对象的某些主要性质和主要条件，加以概括，这种形成概念的方法，就称为理想化思维。例如，研究自由落体运动，我们突出了物体的质量和地球对它的引力，忽略了物体的几何形状、空气的阻力和周围物体对它的引力，并且不考虑可能出现的偶然因素，从而将实际物体理想化、抽象化为一个有质量的几何点，形成 “质点”和“自由落体运动”的概念。
　　物理学中所研究的对象一般都是理想化的物理模型。研究物理学如果不采用适当的物理模型，那么就很难理解物理现象的本质，一个物理模型胜过无数个事实。
（二）讲清概念的关键意义
　　对每个物理概念，要注意从物理现象中抽象出共同属性的东西，所谓某个概念的关键意义就是指这个。例如，静摩擦力这个概念是从大量的“相互接触的两个物体在外力作用下有相对运动趋势（各以对方为参照物）而又保持相对静止”这样的运动形式抽象出“静摩擦力总是阻碍物体发生相对运动”这一共同属性的，此即静摩擦力的关键意义。
　　（三）对概念定义中的关键“字”、“词”要 咬文嚼字
　　例如，楞次定律：“感生电流的方向，总是要使感生电流的磁场，阻碍引起感生电流的磁通量的变化”。第一句话指出定律的用途是判断 “感生电流方向”；第二句中的“总是”，其含义是“一定如此”；第三句中的“阻碍”，既不是 “阻止”，也不是“产生相反方向的磁通量”，而是“引起感生电流的磁通量减少时，感生电流的磁场方向与原磁场方向相同，阻碍它减少；引起感生电流的磁通量增加时，感生电流的磁场方向与原磁场方向相反，阻碍它增加”。同时要注意“引起感生电流的磁通量是变化的感生电流的磁场总是阻碍这个变化的”。
　　总之，对概念的定义要进行逐字逐句的讲解，重要的“字”、“词”要认真推敲，使学生对概念有明确的认识。
　　（四）注意物理概念的科学性和逻辑性
　　如前所述，物理概念是发展的、进化的，不可能一次讲清。因而，教学中不必死抠概念的严密性，只要突出其本质的一面就可以了。但不苛求概念的严密性，与要注意概念的科学性和逻辑性并不矛盾。 常常发现学生把“电势的高低”说成“电 势的大小”；把光的反射定律中的“反射角等于人射角”说成“入射角等于反射角”等等，要随时注意纠正。
　　（五）注意物理概念同语文、数学的联系
　　物理与语文有联系，要善于用语文知识来说明物理概念。例如，能量转化与守恒定律的表述文字很长，但只要运用语文知识抓住这句话的主体“总的能量保持不变”，就不难理解句子中的“不会创生”“不会消灭”等都是用来说明主体的。
　　物理与数学有密切的联系。一方面应当理解数学是物理的工具，但另一方面要注意，不能把物理概念数学化，不能把概念的物理意义 淹没在数学公式中。例如，的物理意义是电场力F与检验电荷的电量q成正比，比值E表示电场中某点的电场强度，不能根据这个公式认为电场强度E与电场力对成正比，与电荷的电量q成反比。
　　（六）切忌从定义出发讲概念
　　物理概念是具体物理现象的概括、抽象，概念教学必须通过实际材料或列举实例来进行。 即使是抽象的物理概念，教学时也应当将有关的现象展示出来。切忌从定义出发讲概念，因为这样学生获得的概念不是从感性认识上升出来的理性认识，而是空洞的词句，会造成学生对定义的死记硬背。
　　（七）从“系统”观点出发进行概念教学
“系统”观点就是联系起来整体考察的观点。搞好物理概念教学的含义，不仅仅是讲清概念本身的定义，还应搞好物理定律、原理、公式的总和的教学。只有把概念形成的教学与定律、公式的教学有机结合起来，才能使学生比较全面、深刻地理解概念，获得运用概念分析、 解决问题的能力。因为物理定律是物理概念之间的内在联系，所以只有很好地领会了物理定律，才能加深对物理概念的多角度理解。
　　例如，对于功的概念，只有在学生学习了功能关系或动能定理之后，才能明白为什么要用力与位移的乘积来定义功，否则功能关系或动能定理是不会成立的；也只有当学生学习了机械能守恒定律、热力学第一定律，能量守恒定律之后，才能真正领会功的本质：功是能量传递或转化的一种量度，一切做功过程都是能量的传递或转化过程。
　　（八）运用启发式教学原则
　　无论教师讲课采用什么方法，都必须运用启发式的教学原则。所谓启发式就是教师的讲要带动学生的想，促使学生思考。只有学生通过自己的思考弄懂的、不是死记硬背的概念，才能印象深刻、记忆牢固。
　　学生的知识，主要靠他们动手感知、动脑思维获得。教师的作用在于指导学生用科学的态度和方法去探求知识。“一个差的教师奉送真理，一个好的教师则教人发现真理”。“不要教死的知识，要授之以方法，打开学生的思路，培养他们的自学能力，独立思考去掌握各门学科的规律。”
　　（九）发现和剖析学生头脑中存在的“先验概念”
　　所谓先验概念，是指学生在学习某一物理概念之前，脑子里已对这一概念形成的偏见。如果认为学生在学习某一物理概念之前头脑中是一片空白，那显然是不符合事实的。例如，亚里士多德关于力是维持物体运动原因的观点，虽早在17世纪已被伽利略和牛顿等人否定，但直到今天我们在课堂上讲“运动和力”的概念时，这种错误观点在学生头脑中仍屡见不鲜。因此，进行物理概念教学要注意发现和剖析学生头脑中存在的先验概念。从而使学生领悟到新概念是正确的，先验概念是错误的。这对于学生形成正确的物理概念有很大帮助，能起到印象深刻、记忆牢固的作用。
　　（十）师生共鸣
　　教学是科学，也是艺术。教学的艺术性，首先是教师在教态上要给学生以亲切感和行为美，创造一个融洽的教学气氛，引起学生共鸣，使学生心情舒畅、思维活跃，毫无保留地将自己头脑中的先验概念倾吐出来，成为教师启发诱导的材料。教师与学生平等地探讨物理概念，好像“有缘千里来相会”，定会为概念教学的成功奠定基础。
选自《课程·教材·教法》 1993年第3期