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长期以来,我国中学物理教学一直强调概念规律及其应用,而不太重视图像的教学,物理图像只用来呈现概念规律的直观表征.在实际教学中,图像更多地被部分教师仅仅用作处理实验数据的工具,还有些教师则只关注如何利用图线更简单地解题.实践表明,学生对概念规律的理解总处于很不理想的状态;甚至相当多物理高分的或所谓学得好的学生,也并非是真正处于对概念规律的物理学理解的水平上.实质上,这已经使物理课程的学习偏离了对物理科学的学习.[1]
就物理学本身而言,图线与图像本身不仅是一种重要的物理语言,也是一种重要的研究方法[2],它与文字、公式、各类简图等物理语言相互转化,相互补充,有逻辑地把物理世界及物理量间的相应变化全面、生动地展现在我们面前.相比之下,物理图像较文字、公式更具有直观、形象的特点,更能量化地反映出多个物理量的状态变化及其相关性的特征,它能直接反映观察的结果(定性或定量的);物理图像所呈现出的对物理量变化过程的整体性描述,不仅系统而且全面.特别是,在对变化过程所具有的细节性描述以及有助于学生理解概念深层意义方面,与其他物理语言相比,堪称特色独具.
笔者认为,之所以在长期的教学中没有重视将概念规律的教学与物理图像密切结合,除了外界的原因外,许多教师对物理图像的理解和如何将物理图像用于概念规律教学两方面都缺乏思考.本文将从这一角度讨论物理图像(图线)对中学物理教学的作用.
二、图像为物理概念的形成明示出一种可行方向,提供了一种思维方法
概念是关于事物本质属性及一般特征的抽象概括,它的形成需要大量相关感性材料的支撑.在需要时,个体将经验储备中相关现象的感官知觉材料,经由编码、组织、储存,从记忆中提取出来.而图像是对表象材料的排序、归类与整理后的整体图景反映,是对直接认知对象表象的条理化,是结合已有观念作出的对事物总体特征的描绘.两者都是为进一步抽象概括材料准备的认知内容.由于图像是对研究现象或过程的秩序整理,显示的是整体特征,于是从资料呈现的完整角度而言,物理图像对物理概念的形成指出了一个明确的方向.又由于图像直接表征的是物理量间的变化,借助数学知识,探究变化中隐含着的不变因素;在某种层次上说,不变是一种特征,表明一种本质――这就是概念所要表征与描述的内容;或者说就是需要引入或产生的那个概念.于是从这种意义上说,图像提供了概括抽象事物本质的一种思维活动方法.
例如加速度概念的学习.学生对生活中直线运动的物体运动速度在不断地变化是有零散但丰富的经验储备,对摩托车与小轿车的启动阶段的速度变化差异亦有着真切的认知表象.因此给出两车启动开始一段时间内一系列时刻的速度值,让学生进行比较研究是符合学生的认知的.若将两车的速度变化利用给出的数据用速度-时间图像表示出来,让学生直观地看到每一辆车运动变化的特点,在变中寻找不变,学生可发现:速度与时间都在变化,但速度变化与所用时间的比值、单位时间内的速度变化、速度的变化率等都是不变的,即速度图线的斜率等都是不变的.进一步,引导学生由图像表现出的两车速度图线的斜率不同,实质就是两车运动本质的不同――速度的变化率不同,就自然地成为我们需要引入的新概念:加速度.
又如,电场强度概念的引入,利用检验电荷的相应测量数据,实验得出:放入电场中某点的检验电荷电量变化,其受到的电场力也随之变化. 但检验电荷受到的电场力与检验电荷的电量图像是一条过原点的直线. 由于直线的斜率不变,直接得出电场力与电量的比值不变,体现出电场在该点力的本质特征. 而在电场中的不同点,力与电量的比值一般又不相同. 可见,这一比值反应了电场力的本质特征在不同点的不同――“场力”的强弱不同,电场强度不同.
三、图像提供的直观的情境,为理解物理概念搭建了一个符合认知规律的平台
(一)借助图像的直观特点,深化理解相关物理概念间的相互关联
中学生还处于经验型抽象思维的阶段,对抽象内容的理解往往需要直观内容的支持.显然,相对概念来说,图像是直观的.因此,教学的关键就在于要引导学生将二者联系起来.例如在各种复杂的直线运动中,可利用位移图像对各种速度概念(用文字与数学式描述的)加以认识上的深化.如图1所示,物体运动的s-t图像中的曲线M,分析t1至t2这段时间内物体的运动,公式定义的平均速度在这里得到了直观的诠释:直线AB的斜率.若t2逐渐向t1靠近,对应直线AB斜率的变化昭示着所分析的时间段内相对应的平均速度不同,当t2无限地趋向于t1时,公式的物理意义是物体在t1时刻的即时速度,就是图像在A点处的切线l的斜率.可见平均速度及其变化以及即时速度与平均速度的关系,在这里得到了逼真的动态直观性演示.
同样,利用图2与图3所示的v-t图像可从以下四个方面深化理解加速度:只有速度图线是不与两轴平行的直线时,它表示的运动才是匀变速直线运动;图2中的速度图线是直线,直线的斜率为该段匀变速直线运动的加速度;由于斜率为正,加速度方向与运动方向相同,物体做匀加速直线运动;图3中速度图像直线的斜率为负,该段匀变速直线运动的加速度方向与物体的运动方向相反,物体做匀减速直线运动.
此外,当速度图线是曲线时,对该图线表述的运动只能计算平均加速度.如图4所示,速度图线在某时刻切线的斜率表征着该位置时刻的瞬时加速度,即t2时刻的加速度即为曲线在该处的切线斜率,由于加速度为正,物体t1到t2时间段做的是加速运动.利用这些速度图像还可以方便地解决初学者由于运动认知材料积累不足带来的对相应运动产生的理解困难.例如,图3中的t1时刻物体的速度为零,但加速度不为零;图4是加速度逐渐减小的加速运动;图5物体做加速度逐渐增大的减速运动,等等.
(二)借助对图线间关系的分析,理解复杂运动中的相关概念
对描述多体复杂运动的物理概念,教学中遇到的困难多是由于学生缺少对相关运动的认知经历,对运动发生的过程及其特点没有形成对应的想象储备.例如因波源与观察者相对运动而使观察者接收到的波频率发生改变的多普勒效应现象.对此现象理解的支持是,想象出波源与观察者之间有相对运动时,观察者接收到波的周期(频率)会发生何样的变化呢?对学生的想象困难,可用位移图像给予直观支撑.设波在介质中直线匀速传播速度为v0,波的振动周期为 T.简单地,分析波源静止、观察者相对波源运动的情况.先对静止的观察者而言,若只关注波动的特殊状态(比如波峰),将看到从波源位置处每隔时间 T就有一个波峰状态以速度v0匀速向外传播.若观察者再以速度v向波源方向匀速靠近,各对象的运动位移图像将如图6所示.
由图6,观察者接收到的波峰1与波峰2的时间间隔DB自然小于波源发出两峰的时间间隔CB.即观察者在此运动状态下接收到波的周期小于波源振动周期.直观可见多普勒效应是物体由于相对运动而出现的不同参考系中观察到的同一事件发生时间间隔不同的一种自然结果.进一步,还可利用图线形状呈现出的几何关系,计算出频率变化的数量关系.
观察者接收到两个波峰信号时间间隔t的值可由下求出:
在ACD和ABD中,有
CD×tanα=DB×tanβ,(T-t)v0=tv得,t=T.
频率为f0=波动信号(以波源连续发出波的两个波峰为标志).在波传播方向的直线上,以速度v向波源运动的观察者接收到波的频率f=将发生改变,且结果为:
t=T,f=(1+)f0.
四、通过图像中物理量的变化读出概念的深层次物理意义,为发现新概念提供了直观的依据
(一)从图像中物理量的变化读出概念的深层次物理意义
由于图像中呈现出的连续性曲线,是对过程中相应物理量的细节性描述,由此便可以引导学生理解概念的深层次意义.例如匀速运动的v-t图线,利用平面内坐标点可描述物体在某一个时刻的速度;于是可帮助学生理解:速度乃是描述物体运动状态而非运动过程的物理量,速度随时间的推移就可描述一个运动的过程;进而,物理学中说的匀速运动则一定是个理想过程,因为在任一时刻都具有相等速率的运动在实际中并不存在.又如从小灯泡的U-I图线,如图7所示.所给出的关于小灯泡灯丝材料的电阻信息,不但比直接用文字语言表述或数据列表等方法梳理出灯丝电阻要简单得多,而且特别值得注意的是,该图线所揭示出的“冷灯丝电阻随温度呈现的动态变化”几乎是用语言与公式分析难于发现的.
(二)为发现新概念提供了直观的依据
在光电效应现象的研究中,实验得出的光电子的最大初动能,与入射光的频率关系图像,如图8所示.不仅使我们感受到了光电子的最大初动能与光的强度无关(光子个数),是与光的频率线性相关的粒子.由直线与横轴的交点位置,更使我们认识到极限频率概念的存在及其意义.
研究等压条件下,一定质量的理想气体的体积随温度变化的情形,利用描点法画出实验得到的等压线如图9,图线并未通过原点表明0℃时气体的体积并不等于零这一事实.直线反向延长交t轴于d点,得到t1=-273℃,从而外推到零体积,产生了理想气体温标,定义出了绝对零度这一“极限”概念,并明确了它的物理意义.
五、图像为概念间的联系积累材料,丰富了物理规律建立的途径
概念是规律的基础,规律反映了概念间的联系;但是学生对这一点的理解通常依靠对错题原因的反思来实现.实际上,从实验物理走进理论物理,规律的建立方法已发生了根本的改变.在中学物理教学中,如果借助不同图线间的物理关系来建立规律,则可以在一定程度上对这一方法的变化提供隐喻性的支持.
例如,通过对合外力与时间的曲线及加速度与时间的曲线的综合分析来推导动量定理.设质量为 m的物体做直线运动,其受到的变化的合力F随时间的变化如图10所示,该物体运动的加速度随时间的变化图像如图11所示.由牛顿第二定律可知,图11只是图10中每一相同时刻的对应点的纵坐标值与m之比所形成的图形;即图11中曲线与横轴所围面积的m倍应与图10中曲线与横轴所围面积相等,这一点可以通过方格法计算两个面积验证.由图像的物理意义可知,图10中曲线与横轴所围面积表示力在时间 t内的冲量I;图11中曲线与横轴所围成的面积表示时间t内物体速度的增量Δv.若物体时间t=0时刻速度为v0,t时刻速度为vt,则Δv=vt-v0 ,比较两幅图形有:I=mΔv=mvt-mv0.
对动量定理进行这样有“直观证据”支撑的认识,不仅促进了对概念规律的真理解,还会潜移默化地为具体问题的解决找到新的途径,形成新的方法.
参考文献:
[1] 马广明. 加强物理图像教学 提高对概念规律的学习效率[J]. 物理教师,2014(11).
初中物理中的概念和规律多为物理学中最基本的概念和规律,而这些概念和规律一般都是从大量的物理现象中总结出来的。但由于初中学生的抽象思维能力不强,又易受前科学概念的干扰,妨碍了正确物理概念的建立和规律的形成。排除这些干扰,建立科学的概念和规律非常重要。
1 明确建立概念和规律的目的和意义
“前概念”是学生在接触科学知识前,对现实生活现象所形成的经验型概念。在从前概念向科学概念的转变过程中,使学生在“前概念”和科学知识之间引起冲突,设法给学生一个巨大的“震颤”,以动摇其顽固信念的基础,让学生用新知识概念或新现象与“前概念”产生矛盾时,他们就会体会到建立新概念和规律的意义。例如在讲“流体的流速与压强的关系”的规律时,让学生先猜想“向两张纸中间吹气将会看到怎样的现象?”很多学生都会认为两张纸会贴在一起。当他们亲身实验后,才会发现出现了与猜想完全相反的结果,这样他们将会主动放弃“前概念”来积极探索正确的科学规律,这样得出正确的规律就顺理成章了。
2 在建立概念和规律时要理顺学生的思路
在学习过程中,既要让学生知其“以然”,更要知其“所以然”。为他们正确理解、灵活运用概念和规律奠定基础,而且这样印象才能深刻,记忆才能更牢固。学习效果才能更好。学生在学习物理时如果学的太死,遇到问题时就会一筹莫展,物理知识与实际运用无法联系起来。这些根源都在于概念教学之初没有让学生充分的经历概念获得的全过程。所以在物理教学过程中,一定要让学生关注得出物理概念和规律的全过程。例如“牛顿第一定律”规律的得出,先介绍亚里士多德的研究结果,并用实验他的错误结论。然后介绍伽利略的研究成果,同时做“斜面小车实验”,并对实验现象进行充分的分析,得出在小车运动的方向上受到的阻力越小,小车运动的越远。再用外推法分析,如果在小车运动的方向上不受阻力,小车将永远运动下去,逐步得出“牛顿第一定律”这样学生对该规律的建立就有了一个清晰的过程,同时对“牛顿第一定律”也有了较深刻的理解。
3 在讲述物理概念和规律时语言一定要准确,同时要突出关键词,并给予适当的说明
物理学中的概念和规律的语言和公式,是许多物理学家反复推敲总结出来的,十分精炼准确,概括程度非常高,有些概念和规律多一字少一字都不行。在教学中,向学生呈现教学内容时,一定要准确。对一些关键的字词应加以突出,并予以适当的说明,以引起学生足够的注意和正确的理解。必要时要与其他类似的或易混淆的概念和规律进行比较,建立类比联系,如“牛顿第一定律”要强调“静止状态或匀速直线运动状态”。讲“二力平衡”,将“二力平衡”中的一对力和“相互作用力中的一对力进行比较。在讲“热量”概念的时候,让学生弄清热量、温度及内能三者的联系和区别。
4 建立物理概念和规律的时候,多给学生建立典型的事例
关键词 概念和规律;生成过程;高中物理;课堂教学效率
高中物理难学,这是很多高中学生的共识。其原因主要有以下几点:(1)高中物理概念多,而且抽象。例如:高一物理中的加速度概念,很多学生从学加速度开始就对高中物理产生恐惧。(2)高中物理规律多,而且相似性很强。例如:动能定理和动量定理、机械能守恒定律和动量守恒定律。(3)高中物理前后知识的关联性很强,例如:力电结合问题。(4)高中物理数学知识应用广泛。例如:用图象法处理物理问题、极值问题的讨论、三角函数和几何知识的应用等等。要解决这些问题,关键在于提高课堂教学效率。物理教学具有三大特色:以观察和实验为基础;以形成物理概念和掌握知识结构为中心;以物理教学紧密联系实际为原则。这就要求教师在教学中要充分发挥实验的作用,重视物理概念和规律的生成过程,让学生从根本上理解物理概念和规律,自主构建知识、掌握方法,并最终建立起高中物理的知识体系,使学生在物理学习过程中越学越清晰,而不是越学越糊涂。
一、教师要认识到物理概念和规律在物理学科中的重要地位
整个高中物理是以基本概念和基本规律为主干而构成的一个完整的体系,是由基本概念、基本规律和基本方法及其相互联系构成了学科的基本结构。其中,基本概念是基石,基本规律是中心,基本方法是纽带。要使学生掌握学科的基本结构,就必须使学生学好基本概念和规律。所谓物理知识的应用,主要是指运用物理概念和物理规律解释物理现象、解决物理问题。在高中物理教学中,学生的智力和能力,也主要是在观察、实验、探索和分析物理现象,理解、掌握和运用物理概念和物理规律的过程中,不断发展起来的。所以,我们应当重视概念和规律的生成过程,提高高中物理课堂教学效率。
二、教师要结合学生认知特点设计适合学生概念和规律生成过程的教学
一个好的物理教学设计,在实施的过程中,学生始终围绕一个问题进行探讨,并最终获得知识和方法,而不是简单的顺从教材或老师。学生学习一个新的概念和规律的过程,就经历一个或长或短的探究过程,这样建构起来的知识和方法,学生才能自如应用并降低遗忘的程度。
1.巧妙导入是提高课堂教学效率的第一步
导入是教师在进入新课时,运用建立问题情境的方式,引起学生注意,激发学习兴趣,明确学习目标,形成学习动机的教学行为。
(1)用各种直观教学手段展示丰富的物理现象,并引导学生追究现象的原因。物理是一门以实验为基础的科学,用演示实验来提出问题,引入新课,能体现物理学科特点的同时,又能较好的激发学生的探究意识。
例如,就《带电粒子在匀强电场中的运动》一课,我们可以从演示示波器的作用引入:首先展示一个示波器,介绍它的作用:示波器能展示交变电流随时间的变化关系,是研究交变电流的重要仪器。接着,展示示波管并介绍荧光屏发光的原因:它是利用高速电子流打在荧光屏上使荧光屏发光的。示波器内有一个阴极,并在黑板上画图,然后解说:阴极通电受热后会发出电子,但电子的速度很小,无法打在前端的荧光屏上(在远处画一个荧光屏),如何才能让电子的速度增大呢?这个问题的提出,引发学生去思考:要让电子加速,应当加一个电场,其中最简单的办法就是加匀强电场。如何才能让电子在荧光屏上画出图像呢?在接下来的教学中,学生始终围绕这个目的展开研究和讨论。可见,一个好的引入能激发学生的探究意识,充分发挥学生学习的主动性。
(2)在学生形成概念,掌握规律的过程中,引导学生正确进行科学抽象,由感性认识上升到理性认识阶段,这是形成概念,掌握规律的关键。观察同一个物理现象,不同的学生会得出不同的结论。因为在每一个物理现象中,存在着多种因素的影响。如果把握不住抽象思维的正确方向,就会得出错误的结论。例如,在“马拉车”的问题上,尽管学生把牛顿第三定律背得滚瓜烂熟,思想上总还认为“马对车有拉力,车对马没拉力”或者“马对车的拉力大于车对马的拉力”。学生“最有力的证据”是:反正是马拉着车向前走,而不是车拉着马向后退。学生主要是固执地盯住了马拉车向前走这一直观的表面现象,而没有对车、马的启动过程以及车、马与路面之间的作用力做深入细致地分析。
(3)提出新的问题与旧的处理方法的矛盾。在进行动能定理应用的教学中,我们会专门对变力做功进行研究,虽然不是新课教学,但巧妙的引入也能提高习题课的教学效率。其引入可以从公式W=FScosα的适用条件入手:W=FScosα只适用于恒力做功,对于变力做功,我们应该如何计算呢?然后举出一个具体问题:已知一个小球的质量m=200g,从粗糙曲面上高H=0.8m处由静止释放,小球滑到曲面底端的速度为3m/s,忽略空气阻力,试求下滑过程中小球克服摩擦阻力所做的功?
2.在新课讲授过程中,教师要吃透教材并大胆整合教材,引导学生认识物理概念的引出和物理规律的生成过程,理解其物理意义,进而激发学生主动去建构物理概念,发现、推导物理规律
例如:对《闭合电路欧姆定路律》的教学,教材中中没有对电动势进行定义,仅提到电源没有接入电路时两极间的电压等于电动势。我们在教学过程中针对基础较好的学生可以尝试从认识电源出发,给出电动势的定义,然后再认识闭合电路,逐步推导闭合电路欧姆定律的表达式,具体操作如下:
首先带领学生回忆:在初中利用欧姆定律进行电路计算时,题目上的电路图通常没有画出电源,若补上电源,则构成闭合电路。研究闭合电路要从电源开始。电源的正、负极分别聚集大量的正、负电荷,而这些电荷的聚集不是电场力而是非静电力作用的结果,非静电力做功的过程,就是将其它形式的能转化为电能的过程。(例如干电池,是化学反应的结果,将化学能转化为电能)。我们将非静电力做功与电荷量的比值定义为电源的电动势E。若电源没有内阻,则电源内部从负极到正极,电势升高E,电源外部从正极到负极,电势降低U=E。但电源有内阻,因此电流通过内阻电势降低U内=Ir,则电源外部从正极到负极电势降低U=E-U内。电源没有接入电路时,I=0,U内=0,则U=E(即电源没有接入电路时两极间的电压等于电动势),若外电路为纯电阻电路,则IR=E-Ir,整理得I=■。
经历这样一个概念的引出和规律的推导过程,学生对电动势的定义,教材中电动势大小的描述,闭合电路欧姆定律的成立条件以及电源的作用(包括将其它形式的能转化为电能)从本质上有了深刻的理解,从物理学的内涵出发掌握物理规律。
在自主建构和发现、推导的过程中,学生对概念和规律有了深刻理解,便会灵活应用概念和规律解决物理问题,并大大降低遗忘程度,同时也更大程度的激发了学生学习物理的兴趣。
一、重视物理概念的引入
引入新概念的方法和途径很多。可以创设情境设疑引入,也可以采用演示实验直观引入等。但是不管采用什么途径引入概念,都必须使学生认识到引入新概念的必要性和重要性,从而激发学生的学习兴趣和探索新知识的愿望。这是教好物理概念的重要环节。
二、按照循序渐进的原则进行概念、规律教学
教学过程既是学生学习知识的过程,也是学生领会方法、提高能力、接受熏陶的过程。而无论是掌握知识,还是领会方法、提高能力,都不可能一蹴而就,都要有一个符合学生认识规律的逐步积累的过程。因此,教师在教学目标的制定、教学内容的安排和习题的筛选等方式方面,都应充分贯彻循序渐进的原则,逐步渗透,分步到位。
比如,“加速度”的概念是高一物理教学的重点和难点内容,让学生正确理解“加速度”的概念,将会对其以后运动学及动力学部分的学习打下坚实的基础。而要真正理解“加速度”的物理意义及定义公式,学生必须具有较高的抽象思维能力,而这时学生才刚步入高中不久,多数学生的思维水平仍处在形象思维阶段,抽象思维能力不高,这就给“加速度”这一概念的学习造成了较大困难。因此,在教学中教师不能操之过急,应分阶段逐步进行。在第二章初次学习“加速度”时,只要求学生在理解匀变速直线运动概念的基础上,知道加速度的定义公式a=(vt vO)/t中各个符号的意义及a的单位、读法;对于“加速度”的物理意义,在这里只要求学生理解类似如下情形:火车出站时a=O,3m/s2表示火车的速度每过1秒均匀增加0,3m/s;汽车刹车时a=-2m/s2表示汽车的速度每过1秒均匀减小2m/s;即:在匀变速直线运动中,a的-大小反映的是物体速度大小变化的快慢;然后再依据公式a=(vt vO)/t,结合实例引导学生弄清式中(vt-vO)和a的区别和联系,知道a的大小是由(vt-vO)和t两个因素决定的;至于a的方向,可以告诉学生等学习了“牛顿第二定律”之后就明白了。在第三章“牛顿第二定律”的学习中,结合演示实验使学生理解F=ma的物理意义,知道力是产生加速度的原因,物体的加速度与合外力成正比,与质量成反比;a随着F的变化而变化,当F恒定时,a也是恒定的,此时物体的运动就是匀变速运动;a的方向与F的方向一致,若以vO的方向为正方向,则在匀加速直线运动中,a为正值;在匀减直线运动中,a为负值,从而使学生对加速度的方向及实际中采用的正负号有了正确的认识。在第四章学习“匀速圆周运动”时,通过“向心加速度”的学习,使学生对“加速度”的理解进一步扩展和深化,知道在匀速圆周运动中,加速度是描述线速度方向变化快慢的物理量。至此,学生对加速度的物理意义:“加速度是用来描述物体速度变化快慢的物理量”就从速度的大小和方向两个方面有了全面正确的理解。
三、重视概念、规律建立过程的学习
在物理概念、规律的教学中,一定要重视概念、规律的建立过程的教与学。这就要求教师要在认真研究教材内容,充分了解学生的知识基础、认识特点和思维水平的基础上,创设情境,设问引思,让他们真正参与到形成概念、得出规律的过程中来,让他们通过自己的切身体会、感悟,理解物理概念,掌握物理规律,尤其是弄清物理规律的“来龙去脉”。这样以来,学生就会在理解的基础上,记住概念、规律的定义、公式及物理意义、适用条件等,从而能够熟练的应用它们去分析问题和解决问题。
四、及时消除概念、规律形成过程中的观念干扰
学生在学习某些物理概念、规律之前,已根据自己的切身感受和生活经验在头脑中形成了一些观念,这些观念中有些是正确的,可以作为形成概念、得出规律的基础,加一应用。但其中有些观念则是片面的或错误的,它们对概念的形成和规律的建立会产生一定的干扰。因此,在概念、规律教学过程完成之后,应及时通过巩固练习消除这些错误观念。
然而在中学物理教学中我们会发现,许多学生虽能够准确地说出物理规律的内容,在解决问题时也能正确写出相关的公式,但在具体展开的过程中却无从下手,究其原因:主要是学生在学习过程中不能领会物理规律的内在含义,教师在教学过程中,也往往是过于强调规律的形式,以期通过相关习题的讲解,让学生理解和掌握物理规律的内涵,忽视了在规律教学中对应的场景和过程构建,没有挖掘其中各物理量的本真,只注重物理规律的“壳”,而忽视“壳”里的“精髓”。
新课程标准明确提出:要让学生“经历科学探究过程,认识科学探究的意义,尝试应用科学探究的方法研究物理问题,验证物理规律。通过物理概念和规律的学习过程,了解物理学的研究方法,认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。由此,我们可以从以下几方面来实施:
一、加强概念教学是进行规律教学的前提
如果把物理知识看成是一座大厦,物理规律就是这座大厦的建筑结构,而物理概念则是构成这座大厦的建筑材料,没有建筑材料是不可能按一定结构盖起大厦的。物理规律与物理概念的关系,正如建筑结构与建筑材料的关系。
物理中的定律、定理等,都是用有关的物理概念总结出来的。例如:惯性定律(一切物体在没有受到外力作用的时候,总保持匀速直线运动状态或静止状态)就包含有“外力”“匀速直线运动”“静止”等概念,如果没有这些概念,就不可能得出这个定律。如果学生对这些概念没有正确地理解,就不可能真正掌握惯性定律。又如:对“牛顿第二定律”规律的应用,学生对于“F=ma”这个规律并不难掌握。但是,如果学生对公式中的力F缺乏正确理解或不会正确求合力,则在运用这个规律时就要发生错误。由此可见,学生对物理规律掌握不好的原因之一是对规律所涉及的有关物理概念缺乏正确的理解。使学生建立正确的物理概念,是使学生掌握物理规律的前提,没有这个前提则物理规律的教学就无从谈起。
二、重视实验的演示,是规律教学的关键
物理学本身就是一门以实验为基础的学科,许多物理概念和规律都是由实验得出的。为使学生真正理解物理规律,要尽可能从观察实验出发,以实验为基础。通过观察演示实验或进行分组实验,启发学生思考,从而总结出有关的物理规律。一个准确、完整、生动的演示实验,可创设一种良好的物理环境,提供给学生鲜明具体的感性认识,再经过对现象特征进行概括形成本身的规律,可加深学生的感受。同时在实验探究过程中,利用学生强烈的参与意识,帮助学生从理性上认识物理规律,增强高中物理规律教学的有效性。
例如:“楞次定律”的教学中,对其规律的表述“感应电流具有这样的方向,即感应电流的方向总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。”对其规律的应用,学生往往不得其解,虽然教学中教师也对规律进行了具体的阐述,但依然不行,若在教学中通过实验的演示和操作,则可以让学生从实验操作过程中体验磁通量的变化与两磁场方向的关系,从而更好地理解规律中“阻碍”的涵义,再通过小组内同学间的相互讨论,使学生对规律的理解更加深刻。
三、注重物理学史的讲解,培养学生的科学素质
物理概念和规律的得出都是前人经过多次实践,整理、加工而形成的理论知识,这些知识是很精炼的。在规律教学中,如果学生不清楚为什么要学习这个规律,不了解前人为得出这个规律所经历的曲折道路和付出的艰苦劳动,不知道这个规律在物理学中的地位和作用,不知道这个规律对进一步学习物理的必要性,那么学生在学习这个规律时就必然带有盲目性,学习就是被动的。因此,在规律教学中,要使学生了解建立这个规律的简要的历史过程,知道这个规律所起的重要作用,使学生清楚这个规律的来龙去脉,是规律教学中不应缺少的环节。在关于上述内容的教学中所涉及的物理学研究的曲折历程和物理学家的不畏困难的进取精神、科学态度,会对学生产生积极的影响,对提高学生的科学素质起到潜移默化的作用。
例如:万有引力定律,若只是简单地通过相关公式的推导得到规律,而忽视这一规律得出的历史过程,这对这一规律教学是不够严谨的,事实上,从16世纪哥白尼经过对天体的大量观测提出日心说,在此基础上经历了几代科学家近二百年的研究探索才由牛顿总结出来的。其间,丹麦天文学家第谷对天文观测的精确资料,德国天文学家开普勒经过大量复杂计算得出的关于行星运动的三个定律,法国天文学家布里阿尔德奥通过研究提出的“行星受到的力和离太阳距离的平方成反比”的假设,伽利略的单摆周期公式,惠更斯得出的圆周运动的向心加速度公式等,都为牛顿的研究提供了不可缺少的基础理论。牛顿在前人研究的基础上,通过不断地深入研究,证明了椭圆轨道运动的引力平方反比定律,并定义了质量的概念,进一步又研究了引力与质量的关系,从而发现了万有引力定律。万有引力定律的建立,对物理学的发展、天文研究、宇航事业以及人类对物质世界的认识都具有十分重要的作用。
关键词:物理;教学;概念
中图分类号:G632 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2014)24-268-01
物理概念和物理规律是高中物理基础知识最重要的内容。在高中物理教学中,帮助学生形成牢固正确的物理概念和准确地掌握物理规律,具有十分重要的意义。经过这些年的教学摸索,要使学生形成概念,掌握规律,决不是简单的,被动地从教科书上或教师那里接受一些概念和规律的条文,而是在学生头脑深处发生一系列极其深刻,极其复杂的心理变化过程。
1、教师应向学生介绍相关的感性材料,使学生获得必要的感性认识,这是学生形成概念和掌握规律的基础。在物理学习中,使学生对所学习的物理问题获得生动而具体的感性认识是非常必要的。在物理教学中,如果学生对所学习的物理问题还没有获得必要的感性认识,还没有认清必要的物理现象,教师就急于向学生讲解概念和规律,采用“填鸭式”的教学,学生靠灌输得来的“概念”和“规律”就将是空中楼阁。其实,当学生对教师介绍有关的物理现象和物理事例有了比较充分的感性认识,而学生自己用已学的知识又无法合理地说明和解释这些现象与事例时,便会有强烈的求知欲。例如,我们都有这样的体验,一个身高体壮的大人从你身旁走过,不当心碰了你一下,可能使你打个趔趄,甚至摔倒。但是,如果碰你的是个瘦小的小孩,尽管他走得跟那个大人一样快,打趔趄甚至摔倒的可能不是你,却是他。学生便会产生“这究竟为什么?这到底是什么?”的探究心理,这种探究心理,这种对学习内容的浓厚兴趣,正是学生学习概念掌握规律的内部动机。可见,当我们考虑一个物体的运动效果时,只考虑运动速度是不够的,还必须把物体的质量考虑进去。物理学上把物体的质量和速度的乘积叫物体的动量。
每一个物理概念和规律都包含着大量的具体事例。在物理教学时,特别需要注意的是,并不是具体事例越多越好,为了帮助学生能在感性认识的基础上进行分析,我们教师必须精选典型事例,这样才能收到预期的效果。
2、在学生形成概念,掌握规律的过程中,引导学生正确进行科学抽象,由感性认识上升到理性认识阶段,这是形成概念,掌握规律的关键。观察同一个物理现象,不同的学生会得出不同的结论。因为在每一个物理现象中,存在着多种因素的影响。如果把握不住抽象思维的正确方向,就会得出错误的结论。例如,在“马拉车”的问题上,尽管学生把牛顿第三定律背得滚瓜烂熟,思想上总还认为“马对车有拉力,车对马没拉力”或者“马对车的拉力大于车对马的拉力”。学生“最有力的证据”是:反正是马拉着车向前走,而不是车拉着马向后退。学生主要是固执地盯住了马拉车向前走这一直观的表面现象,而没有对车,马的启动过程以及车,马与路面之间的作用力做深入细致的饿分析。
3、学生对相关物理问题的感性材料进行科学抽象,得出结论后,为了强化概念和规律,还得使学生理解所学概念和规律,那么学生怎样才算形成了物理概念呢?至少明白为什么要引入这个概念,能说出这个概念是如何定义的,对于物理量要记住它的单位,对于有定义式的物理量要记住它的定义式,明确概念的适用范围,弄清楚一些容易混淆的物理概念之间的区别和联系。
[关键词]物理概念;物理规律;抽象;具体;感性;理性
在中学物理教学中,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、能力得到充分发展,是中学物理教学的核心问题。
一、形成物理概念、掌握物理规律的重要性
(一)什么是物理概念和物理规律
物理概念是反映物理现象和过程的本质属性的思维形式;物理规律(包括定律、定理、 原理、公式和法则等)是物理现象或过程的本质联系在一定条件下必然发生、发展和变化的规律性的反映。
在一定意义上说,物理规律揭示了在一定条件下某些物理量间内在的、必然的联系。
(二)形成物理概念的重要性
1.物理概念是物理学最重要的基石。
2.让学生掌握好物理概念是物理教学的关键。
3.物理概念教学是培养能力、开发智力的重要途径。
(三)掌握物理规律的重要性
整个中学物理是以为数不多的的基本概念和基本规律为主干而构成的一个完整的体系,物理基本概念、基本规律和基本方法及其相互联系构成了物理学科的基本结构。其中,基本概念是基石,基本规律是中心,基本方法是纽带。要使学生掌握学科的基本结构,就必须使学生学好基本规律。
二、学生自身对形成概念、掌握规律能力的培养
(一)区别客观事物的本质联系与非本质联系
自然界的客观物理事物是千变万化的,各种不同的事物之间存在形形的联系,其中有的是本质的,必然的联系;有的是非本质的、偶然的联系;也有的实际上是完全无关的东西,非本质联系虽然也是事物的本质属性在一定条件下的表现,但是,它们是片面的、不稳定的,或者是偶然的,单从现象看,有时甚至是本质属性的反面的或弯曲的表现。
例如,一个物体只要受到一个不为零的合外力之间的作用,它就一定具有加速度。这是任何物体有无加速度与合外力之间的本质联系。教学实践表明,这些非本质联系,常常是学生理解和掌握加速度与外力本质关系的重大障碍。
(二)从主观认识方面来看,人的认识是对客观事物的能动的反映
由于认识的主观片面性和中学生学习物理的认识特点,应注意以下几点:
1.区别现象和本质。一切事物和现象对人的感官都是一种具有许多特征的综合性的刺激物,在综合性刺激物的所有成分中,在许多情况下,反映事物本质的刺激成分并不是最强烈的,甚至常常是感觉不到的。
2.克服学生已有的一些不正确的观念干扰和负迁移。学生在学习物理之前对物质及其运动已积累了一些感性认识,并作了某种概括和抽象,形成了某些观念。例如,日常生活中“力气”的观念,会对“力”科学概念的形成产生干扰或负迁移作用,阻碍“力”的概念的正确形成。
3.克服学生没有抓住事物的本质,而常常把事物的外部的、非本质的东西作为依据来理解物理概念和规律。例如,“匀变速运动”的概念,其本质是加速度不变的运动。
4.从本质上区别有联系或有相似的概念。例如,对于温度、热量、内能这三个概念。有些学生常认为:热的物体的热量比冷的多;相同温度的水,质量越大热量越多等。
三、教师对学生形成概念,掌握规律能力的培养
(一)学生形成概念和掌握规律的基础
教师向学生介绍相关的感性材料,使学生获得必要的感性认识。在物理学习中,使学生对所学习的物理问题获得生动而具体的感性认识是非常必要的。在物理教学中,如果学生对所学习的物理问题还没有获得必要的感性认识,还没有认清必要的物理现象,教师就急于向学生讲解概念和规律,采用“填鸭式”的教学,学生靠灌输得来的“概念”和“规律”就将是空中楼阁。
(二)形成概念,掌握规律的关键
学生形成概念,掌握规律的过程中,引导学生正确进行科学抽象,由感性认识上升到理性认识阶段。观察同一个物理现象,不同的学生会得出不同的结论。因为在每一个物理现象中,存在着多种因素的影响。如果把握不住抽象思维的正确方向,就会得出错误的结论。例如,在“马拉车”的问题上,尽管学生把牛顿第三定律背得滚瓜烂熟,思想上总还认为“马对车有拉力,车对马没拉力”或者“马对车的拉力大于车对马的拉力”。简单地说,马蹄对地面有作用力,地面对它的反作用力使马前进。 而车虽受地面摩擦力,但小于马拉力,只能前进。而不是后退。
(三)学生对相关物理问题的感性材料进行科学抽象
得出结论后,为了强化概念和规律还得使学生理解所学概念和规律,那么学生怎样才算形成了物理概念呢?至少明白为什么要引入这个概念,例如我们要引入摩擦系数的概念因为只有它才能直截了当地说出接触表面的材料以及粗糙程度,能说出这个概念是如何定义的,对于物理量要记住它的单位,对于有定义式的物理量要记住它的定义式,明确概念的适用范围。
弄清楚一些容易混淆的物理概念之间的区别和联系。
关键词: 高中物理教学 概念的形成 规律的掌握
物理概念和物理规律是高中物理整体知识结构中的精华所在,如果说高中物理被比做一栋大厦的话,那概念与规律则堪称大厦的基石与框架。物理概念与物理规律如此之重要,然而在现实教学中,我们往往会看到这样的现象:学生在高中物理学习时,将更多的精力投入到盲目地做题、做实验上,并不注重对物理概念与物理规律的正确理解与熟练掌握,导致在进行物理学习时思绪混乱,没有章法,在练习上遇到很多自己无法解决的障碍,形成一种看似忙碌,实际是在做无用功的现象。不但造成了学习时间上的浪费,还容易让学生产生物理难学的错觉。
高中物理是培养学生思维能力和发展认识能力的重要学科。高中生已经具备了基本的物理感知力,对现实生活中反映的物理现象有了相对完整的认识,并在认识过程中形成了积极的学习心理。这对高中物理教学中强化学生物理概念与物理规律学习是一个非常积极的因素。反而言之,他们在对待感性材料时表现的概括、抽象上的不足,也反映了他们主观能动性有待提高,因而也形成了一个消极因素。物理教师应该善于利用积极因素,及时克服消极因素,帮助学生完成高中物理概念的形成与规律的掌握,这一系统的、深刻的、复杂的心理转变过程[1]。
一、提高学生对概念与规律的感性认识
在高中物理知识中,用数字语言或者词语表达出来的概念与规律,通常会给学生造成抽象乏味的感觉。像分子热运动等类似的知识内容都表现得十分抽象,不便于学生理解。而高中生要实现物理概念的形成和规律的掌握,都要历经从感性的具体到理性的抽象,再到理性的具体这样一个认识过程,在这个过程中,学生首先要做的就是先获得对物理知识必要的、生动具体的感性认识。在众多的物理概念和规律里,都包含着许多物理事例,当教师为学生陈列这些具体的物理事例和介绍相关物理现象时,学生在形成感性认识的同时,会下意识地将自己在学习中遇到的已学知识不能合理解释某些现象与事例的情况进行比较,从而产生“为什么?”“怎么会?”这样的疑问,产生强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣。这些都构成了促进学生进行概念形成与规律掌握的学习动机。
如在讲“静电平衡”概念时,我先给学生举了一个将中性导体置于匀强电场的物理事例。首先引导他们认识自由电子在电场力作用下产生感应电荷、发生静电感应的物理现象。从这个现象中让学生认识导体如何达到表电平衡状态,从而总结中静电平衡的性质,即导体是个等势体,等等。要让学生头脑中先形成理性的抽象,再进一步进行应用,学生从感性认识到理性运用的这个过程中,完成了理性具体的升华,掌握了利用物理知识解决物理问题的能力。
二、通过实验验证,引导学生进行合理想象
高中物理中的概念和规律大部分都是通过语言或符号进行表达的,这些物理知识具有一定的科学严谨性和系统整体性,如果学生对其中某一部分模糊不清,就会对习题解答造成直接影响,并对物理知识的系统性学习形成障碍。比如,如果对光心、焦点等概念混淆不清,焦距的概念就无从建立;重心概念模糊,就无法进行重力势能变化等一类型的习题练习。因此,针对这些概念及规律,不但要让学生对语言表述及表达式有一个正确的理解,还应通过设计科学实验,让学生经历具体直观的验证过程,从而把握正确的抽象思维方向,展开合理想象,并透过表面现象,挖掘蕴含在深处的物理规律。
如在讲“牛顿第二定律”时,它的数学表达看起来非常简单,学生要记住并不困难,但要想深入、全面地理解定律中各个物理量之间的关系和意义,掌握其物理意义及应用价值并不容易。因此,我借助实验教学导入新知。用小车、木板、钩码、滑轮和投影仪组成一个实验装置,并为学生指明学习思路:通过实验观察读取相关数据,归纳各个物理量的关系,写出牛顿第二定律的基本关系式。在实验过程中,通过不断启发让学生按思路掌握实验方法:一个物体在不受力的情况下其加速度为零,一旦受力加速度不再为零,受力越大加速度越大,从中得出控制变量的方法。让学生通过实验掌握加速度与力的关系,加速度与质量的关系,从而导出定律。最后我让学生分别汇报和展示自己观察收集的数据,以及分析过程及结论,并进行归纳总结。实验教学的目的就是帮助学生深刻理解概念与规律的真实含义,让学生意识到物理学习不只是掌握语言与公式那么简单,而是要通过这些概念与规律学会进行物理分析与物理思考,帮助学生构建一个完整系统的物理知识框架。
总之,物理概念与物理规律是高中物理知识中非常重要的基础内容,高中生形成物理概念、掌握物理规律的过程,不是简单被动的书本获取或者被动认知,而是一个学生认识上发生根本性变化的学习过程。物理教师要充分发挥“教师主导、学生主体”的教学作用,积极运用不同的教学方法,有目的、有计划地开展各种探索物理概念和物理规律的活动,引导学生根据自己已有的物理知识与能力,通过强化物理概念和物理规律,加深对物理知识的掌握与理解,让他们对物理知识的形成过程有一个直观体验,从而增强其物理学习效果。
针对“教学大纲”中提出的学生这几方面能力培养的要求,在初中物理教学中应如何培养学生这几方面的能力呢?
一、客观对待学生实际情况,因才施教
学生的实际情况是已观存在的,教育的目的在于针对学生实际因才施教,不断提升学生水平以及学生间的差距,从而使所有学生的能力都得以培养和升。这就要求教师在教学中一方面要千方百计地努力使全体学生达到教学计划和教学大纲预定的最基本的教育目标和教学要求。
另一方面则应创造条件,调动学生的学习积极性和主动性,让学生自己积极主动地开动思维,通过自我开拓,举一反三,加深对学到的知识内容的理解。并在这种自我开拓的过程中,使自己的独立工作能力得到锻炼和提高。
二、改进教学方法,提高课堂效率
课堂教学必须分清主次,突出重点。对重点的概念和规律要力求理解得更深一些,并充分发挥这些重点的概念和规律在发展智力、培养能力方面的作用。在课堂教学中一定要突出基本现象、基本概念和基本规律的教学。
老师在讲解物理概念时,一定要重视得出物理概念和物理规律的过程。要通过对实例、演示或实验的分析,或者理论的推导引出新的概念、定理和结论,使学生清楚地了解物理知识形成的过程。老师要注意通过对物理现象、物理概念和物理规律的讲解过程,来培养学生的思维能力和想象能力,发展他们的智力。
在教学过程中,老师应该注意贯彻循序渐进的原则。知识要逐步积累、扩展和加深,思维能力、自学能力等要逐步提高,不能要求过急过高。否则就可能挫伤学生的自信心和学习物理的兴趣。
课堂教学的重点必须放在对基本现象、基本概念和基本规律的讲解上。绝对不应该用讲解大量例题,来代替对基本现象、基本概念和基本规律的讲述。应该引导学生把注意力首先放在对概念和规律的理解上,而不应该急于做大量的习题。
学习物理的目的不是为了解题,决不能把老师讲例题,学生做习题作为课堂物理教学的核心或重点。当然,讲解适当数量的例题是必要的,但不是愈多愈好。同样在学生对基本现象、基本概念和基本规律等基本内容已有充分复习、理解的基础上,做一定数量的习题是必须的,但也不是愈多愈好。
学生做习题的目的,一是检查自己对物理概念和物理规律是否真的理解了,是否能够在实际问题中灵活地运用它们。二是通过做习题,锻炼并提高自己的理解能力、逻辑推理、分析综合等思维能力、运用数学解决物理问题的能力等等。
所以学生每做完一道习题,都应总结一下,看看通过做这道习题,自己对物理概念和规律的理解上有那些新的体会。检查自己是否能独立地对具体问题进行具体分析,对习题中所给的物理状态、物理过程和物理情景产生的原因和有关的条件等等是否能独立地弄明白,能否独立地进行逻辑推理。
目前在中学中普遍存在着所谓“题海”战术,目的是为了使学生尽量多熟悉一些题型和解法,以便日后在参加考试时,取得好成绩。但是,就是从提高学生成绩来说,“题海”战术的收效甚微,而弊端甚多,它不仅浪费了学生大量的时间和精力,更不利于学生综合素质的提高。
三、注重实验,提升整体能力
物理学是一门以观察、实验为基础的科学,实验是物理教学的基础。在我国,随着新一轮基础教育课程改革的全面推进,新课程提倡在课程实施中引导学生质疑、探究,促进学生在教师指导下主动地、富有个性地学习。探究性学习作为与接受性学习相对应的一种学习方式,是进行创新教育的载体,是学习科学的核心方法。
探究教学实质是将科学领域的探究模式引入课堂,使学生通过类似科学家的探究过程理解科学概念和科学探究的本质,并培养科学探究能力的一种特殊的教学方法。利用物理实验开展探究教学有助于学生加深对知识的理解。
物理学是实验学科,通过观察自然现象、进行演示和学生实践使学生对物理知识获得具体的、明确的认识。这是理解物理概念和物理规律的必要基础。进行演示和学生实验对于培养学生的观察能力和实验能力,培养学生的实事求是的科学态度,和提高学生学习物理的兴趣以及学习的积极性和主动性,都具有不可替代的重要作用。因此,必须要大力加强演示和学生实验。
四、能力的培养是一个潜移默化的过程