中學物理概念教學漫談

中學物理概念教學漫談

每當我們閱完學生的試卷進行教學評估時，常常要說：「學生的物理概念模糊不清」。可見，物理概念教學當前仍是一個薄弱環節。

一、物理概念舉足輕重

眾所周知，正確地理解物理概念是學好物理學的基礎。例如，力的概念和能量的概念是貫穿中學物理的一條主線。在運動學中，只有知道了物體的位移和速度，才可以了解物體的運動情況，所以位移和速度兩個概念是貫穿運動學的基本概念，它們的內在聯繫構成了運動學基本規律。同樣，力、質量、慣性、加速度是貫穿動力學的基本概念，它們的內在聯繫構成了牛頓運動定律。站在牛頓運動定律的角度去觀察、思維，就可窺見整個經典力學。

如果沒有理解力的概念，那就很難理解牛頓運動定律；如果對力學的基本概念模糊不清，那麼，想學好電學也缺乏基礎。所以，物理概念是物理思維的細胞，從邏輯學的角度來說，物理學就是在實驗的基礎上，由物理概念組成的判斷和推理的邏輯體系。

由此可見，物理學中最重要的是物理概念。如果把物理定律比作構成宏偉、壯麗的物理學大廈的支柱，那麼物理概念便是構成物理學大廈的磚瓦基石。

二、物理概念教學程序

（一）物理概念的引入

在物理概念教學中，首先要使學生明白原有概念的局限，從而知道為什麼要引入新的物理概念。

例如「密度」概念的引入：給學生一些體積相同、材料不同的長方體塊，讓他們用手掂輕重，比較其質量；再取幾個試管，放入質量相同的不同液體，比較其體積的大小，使學生從中悟出物質的一個特殊性質，即「體積相同時，不同物質的質量不同；質量相同時，不同物質的體積不同」。接著問學生：「我們能根據物質的顏色、氣味、硬度來辨認物質，但如果兩種物質的顏色、氣味、硬度都相同時，還有什麼方法可以區分它們呢？」於是，學生感到還有必要來尋找物質的新的特性，從而領會用單位體積的質量來表徵物質的一種特性的方法，由此便引入了密度這個概念。

（二）物理概念的形成

知道了引入概念的必要性後，接著的問題是理解這個概念到底怎樣描述了某一物理現象的本質？它的內容是什麼？一句話，概念是怎樣形成或建立起來的？

物理學是借「物」求「理」，物理概念是物理現象的本質在人們頭腦中的反映，所以，為了形成概念，首先必須給學生提供足夠的感性材料（例如，列舉生活中熟悉的實例，或觀察模型、實物、示意圖，或進行實驗等等），然後啟發誘導，讓學生觀察、思維、分析、比較「現象」的共同屬性，概括、抽象出其本質，得出物理概念的定義，進而導出物理概念的定義式和單位（如果這個物理概念是物理量的話）。

例如，勻變速直線運動的「加速度」這個概念的形成可以通過列舉實例：

火車開動時，它的速度從零增加到幾十米每秒，需要幾分鐘。

汽車開動時，它的速度從零增加到幾十米每秒，只需幾秒鐘；

步槍射擊時，子彈的速度從零增加到幾百米每秒，僅用千分之幾秒；

急速駛行的火車要停下來，需要幾十秒鐘；

急速行駛的汽車要停下來，幾秒鐘就夠了；

子彈射入牆壁中，千分之幾秒鐘就可停止。

由此可知，常見的許多變速運動，其速度變化的快慢不同，而且差別較大。

物體運動速度改變的快慢有重要的現實意義：百米賽跑，起跑時速度增加的快，可以縮短運動時間，提高成績；汽車在緊急剎車時，速度改變的快，則可避免發生事故。

為了表示速度改變的快慢，便引入了一個新的物理概念——「加速度」。

值得注意的是，形成概念的前提是使學生獲得十分豐富的、有助於形成這個概念的感性材料。從感性認識上升到理性認識，是認識上的飛躍，這個過程只能由學生自己來完成。如果教師包辦代替，在羅列一些物理現象之後，就簡單地把物理概念的定義提出來，學生理解的不充分，就會造成對物理概念囫圇吞棗，死記硬背。

（三）物理概念的剖析

學生初步建立了概念，這只是從正面對概念的認識。為了比較深刻地理解概念，還需要認識概念的反面，乃至左、右、上、下面，即從全方位來認識概念。為此，必須對概念進行解剖。

l、概念的內涵與外延

概念的內涵即概念的本質。概念的內涵既反映了物理對象某種屬性的「質」，又反映了物理對象某種屬性的「量」（即「量度方式」和「量度單位」），這樣的物理概念也叫物理量。概念的外延即概念的適用範圍，是指概念所反映的具有某一屬性的一個個、一類類現象或事物。

概念教學的關鍵是使學生了解概念的內涵和外延。定義是明確概念內涵和外延的依據。所以，為了找出概念的內涵和外延，必須從分析概念的定義入手。例如，力的定義是「物體對物體的作用」，力的概念所反映的事物的特有屬性是「物體對物體的作用」，此即力的內涵。力的概念所反映的特有屬性的事物是具有這特有屬性的所有的力，如萬有引力、電磁力、核力等具體的力，此即力的概念的外延。同樣，慣性概念的內涵是「物體有保持原來運動狀態的性質」，外延是「一切物體」。

2、概念的結構

概念的結構指構成概念的要素。例如，「速度」的結構是位移與時間，「衝量」的結構是力與時間等等。

概念教學要把概念與構成它的要素區分清楚。速度v既不是位移s，不是時間t，也不是s/t；s/t只是描述了速度，量度了速度，在數值上等於速度的大小。

3、概念的特徵

物理概念因它在物理學中的地位和作用的不同，各有自己的特殊性質。

（1）固有特徵：有些物理概念反映了物質或物體本身固有的屬性，這些屬性不隨外界條件的改變而改變，只由物質或物體本身所決定。

例如，質量是物體本身的屬性，同一物體質量不變，物體不同質量不同；比熱是物質本身的屬性，每種物質都有比熱且互不相同。

又如，慣性是物體本身的屬性。重加速度、電場強度、磁感應強度是「場」物質本身的屬性。密度、電荷、電阻、折射率等是實物物質本身的屬性。

應該注意的是，雖然物質的固有屬性與外界因素無關，但還要用外界因素去定義或量度這些屬性的「量」的大小或強弱程度。例如，用電壓與電流強度之比定義或量度電阻的大小。在導體兩端加上電壓是顯示導體有電阻的外部條件，不加電壓，導體的電阻仍然存在，但人們卻無法感知物質的「電阻」屬性。因為物質的固有屬性只能在它與周圍其他事物的相互聯繫、相互作用中顯示出來，所以物質的固有屬性要用外界因素來描述、定義或量度。

（2）方向特徵：有些物理現象的本質在量的方面既有大小、又有方向，那麼描述這種現象的物理概念也具有方向特徵，如力、動量等。

（3）狀態特徵：有些概念是描述物理對象的狀態的，物理對象所處的狀態不變，描述狀態的概念物理量就有確定的值。例如，壓強、體積、溫度是描述氣體狀態的概念；機械能是描述物體機械運動狀態的概念等。

（4）過程特徵：有些概念是描述物理對象變化過程的，這些概念（物理量）的值與物理對象的變化過程有關。例如，功的概念、熱量的概念、衝量的概念等。

（5）相對特徵：有的物理現象是相對於某個事物而言的，描述它的本質的概念就具有「相對」特徵。例如，物體的運動與參照物有關，參照物不同就會得出不同的結論。例如，位移就是一個具有相對特徵的概念。此外，速度、功、動量、動能、勢能等也是具有相對特徵的概念。

（6）統計特徵：描述大量微觀粒子遵循統計規律運動所產生的宏觀現象的本質的概念，具有統計特徵。例如，氣體「壓強」概念是描述大量氣體分子頻繁地碰撞器壁產生的效果；安培力是磁場對大量運動電荷作用力的宏觀表現。此外，「物質波」、「電子云」等概念也是描述大量微觀粒子運動遵循統計規律所產生的宏觀現象的本質的。

4、與其它概念的關係

為了深入理解概念，除了要理解其物理意義外，還應找出概念與構成它的要素或與它相近的另一概念的異同點及聯繫，幫助學生掌握概念體系。

所謂概念體系是指由相鄰概念（如靜電場與重力場，電場線與磁感線，庫侖定律與萬有引力定律等）、相似概念（如質量與重量、動量與動能，電場強度與電場力，電壓與電動勢等）、相反概念（如力的合成與力的分解，正功與負功等）、並列概念（如電場強度與電勢）、從屬概念（如電場強度與點電荷電場強度等）組成的系列概念。

只有當學生弄清了這些易混概念的區別與聯繫，才能正確理解概念，防止錯用概念，提高運用概念的能力。

（四）物理概念的鞏固

1、理解概念的標準

檢查學生是否理解了概念，就看他們能否回答「概念是怎樣引出來的？怎樣形成或建立的？內涵和外延是什麼？與其它概念有何關係？」這樣幾個問題。

2、編撰適當例題

在概念上容易出錯的地方，編撰適當的例題，變化條件，多方設問。例如，為了鞏固「電場強度」這一概念，可編撰下列一組問題：

（l）為什麼說電場中的電場強度反映了電場本身的力的性質？

（2）在電場中的P點放一個2．0×10-8庫侖的點電荷，它受的電場力是4×10-10牛頓，P點的場強是多大？假定在P點改放一個8×10-8庫侖的點電荷，P點的場強是多大？如果在P點不放電荷；P點的場強是多大，為什麼？

（3）關於電場強度的概念，下列說法中正確的是：

A、由E=F／q可知，電場中某點處的電場強度跟放在該點的檢驗電荷所受的電場力成正比。

B、由E=F／q可知，電場中某點處的電荷所受電場力總是跟電荷電量成正比。

C、放入電場中某點處的電荷所受的電場力越大，則該點處的電場越強。

D、放入電場中某點處的單位電荷所受的電場力越大，則該點處的電場越強。

E、由公式E=F／q可知，E與Q成反比；由公式E=kq／r2可知，E與q成正比。可見這兩個公式是不相容的。

F、放入電場中某點的檢驗電荷的電量改變時，電場強度也隨之改變；將檢驗電荷拿走，該點的電場強度就是零。

這些問題很容易把學生對電場強度的模糊認識暴露出來。有的學生硬套公式E=F／q，有的學生則以為「q變F就變，E也隨著變；沒有q，F就不存在，場強也就消失了」。澄清了學生對概念的模糊認識，便會形成正確概念。

3、準確理解，熟練記憶

在理解概念的基礎上，熟記其中的道理。道理記住了，隨時都可以回憶起概念的來龍去脈，從而鞏固地掌握概念。

總之，學習一個概念，必須使學生了解它的來龍去脈，最後留在學生頭腦里的是一幅能夠反映現象之間密切聯繫的、完整的物理圖景，而不是乾巴巴、孤零零的幾句話。

三、物理概念的進化

由於人們是在有限時空範圍內認識無限變化發展的物理現象，所以人們對物理概念的認識也經歷一個由淺入深、由簡到繁、由表及裡的過程。換句話說，一個完整的概念往往是不能一次了解清楚的，講概念就要有一個發展過程。

例如，力的概念的發展，從亞里士多德時代到牛頓時代就經歷了兩千多年；「光」這個物理概念，就經歷了牛頓的粒子說、惠更斯的波動說、麥克斯韋的電磁說、愛因斯坦的量子說，直到揭示了光的波粒二象性的本質特徵，長達四個世紀。

事實上，任何一個物理概念的形成都經歷了一個動態的、歷史的階段，都有一個從感性到理性、從低級到高級、從粗糙到嚴格的產生、發展和演變的過程。講物理概念，應從歷史發展過程來講，講怎樣反覆糾正錯誤的概念，現在的概念是什麼，使學生懂得所學的東西、將來是要有發展的，不是死的。這樣就把概念講活了。否則，學生就以為物理概念是天經地義的、絕對不能破壞的，從而形成一種僵化的思想。事實不是這樣，物理學永遠是在不斷前進、不斷發展的。比如我們學習物體的導電性能時，把物體分為絕緣體和導體，後來出現了半導體，它應該屬於哪一類呢？一種僵化的思想就不能適應這些問題。

用變化的、發展的觀點，結合物理概念發展史講解物理概念，既符合人類認識規律，又有著故事趣味性，自然會加深學生對物理概念的理解，同時還有助於消除學生對物理概念來源的「神秘感」。

沒有任何一個物理概念、定律可以被視為終極真理，人們在有限時空範圍內獲得的物理知識只能是近似的、相對的真理、物理學大廈只能完善，卻永遠不會封頂。

四應該注意的幾個問題

（一）用多種方法，形成物理概念

從認識論的角度來看，物理學家探索物理的方法與物理教學的方法基本上是一致的。不過前者是物理學家尋覓直接經驗，後者是學生在教材、教師的安排、引導下有目的地學習間接知識。所以物理教學不可能像物理學家創立概念、發現定律那樣親身經歷、事事實驗。這就是說，一些比較抽象的物理概念的形成，就可能因無法通過實驗，而只能採用其它方法。

l、類比方法：如用水流類比電流，用水壓類比電壓，用電場類比磁場等。

2、比較思維：如比較電場與重力場，從而講清電場概念。

3、演繹推理：如根據磁場對電流的作用力公式推導出洛侖茲力公式等等。

4、比喻方法：如用地勢降落的陡度比喻電勢降落的陡度，使「電勢降落的陡度」這一概念一目了然。

5、溫故知新：因為概念是現象本質屬性的反映，而一切現象都是相互聯繫著的，概念之間亦必然反映了這種聯繫，所以抓住概念之間的內在聯繫，由舊概念會闡明新概念，是認識新概念的重要方法。如講電容這一概念時，首先要弄清電量和電壓的概念；講波必須先學好振動；講電功概念，須充分利用學生已有的機械功、電壓、電量、電流強度、能的轉化和守恆定律等概念和知識……

6、理想化思維：在物理學中，實際研究對象和它所處的環境一般比較複雜，決定的因素和受約束的條件很多，如果不分主次輕重地考慮一切因素和條件，那麼必然會使問題複雜化而無法研究。為了方便研究，暫時拋開次要的或非本質的因素，割斷事物的某些聯繫，保留實際對象的某些主要性質和主要條件，加以概括，這種形成概念的方法，就稱為理想化思維。例如，研究自由落體運動，我們突出了物體的質量和地球對它的引力，忽略了物體的幾何形狀、空氣的阻力和周圍物體對它的引力，並且不考慮可能出現的偶然因素，從而將實際物體理想化、抽象化為一個有質量的幾何點，形成「質點」和「自由落體運動」的概念。

物理學中所研究的對象一般都是理想化的物理模型。研究物理學如果不採用適當的物理模型，那麼就很難理解物理現象的本質，一個物理模型勝過無數個事實。

（二）講清概念的關鍵意義

對每個物理概念，要注意從物理現象中抽象出共同屬性的東西，所謂某個概念的關鍵意義就是指這個。例如，靜摩擦力這個概念是從大量的「相互接觸的兩個物體在外力作用下有相對運動趨勢（各以對方為參照物）而又保持相對靜止」這樣的運動形式抽象出「靜摩擦力總是阻礙物體發生相對運動」這一共同屬性的，此即靜摩擦力的關鍵意義。

（三）對概念定義中的關鍵「字」、「詞」要咬文嚼字

例如，楞次定律：「感生電流的方向，總是要使感生電流的磁場，阻礙引起感生電流的磁通量的變化」。第一句話指出定律的用途是判斷「感生電流方向」；第二句中的「總是」，其含義是「一定如此」；第三句中的「阻礙」，既不是「阻止」，也不是「產生相反方向的磁通量」，而是「引起感生電流的磁通量減少時，感生電流的磁場方向與原磁場方向相同，阻礙它減少；引起感生電流的磁通量增加時，感生電流的磁場方向與原磁場方向相反，阻礙它增加」。同時要注意「引起感生電流的磁通量是變化的感生電流的磁場總是阻礙這個變化的」。

總之，對概念的定義要進行逐字逐句的講解，重要的「字」、「詞」要認真推敲，使學生對概念有明確的認識。

（四）注意物理概念的科學性和邏輯性

如前所述，物理概念是發展的、進化的，不可能一次講清。因而，教學中不必死摳概念的嚴密性，只要突出其本質的一面就可以了。但不苛求概念的嚴密性，與要注意概念的科學性和邏輯性並不矛盾。常常發現學生把「電勢的高低」說成「電勢的大小」；把光的反射定律中的「反射角等於人射角」說成「入射角等於反射角」等等，要隨時注意糾正。

（五）注意物理概念同語文、數學的聯繫

物理與語文有聯繫，要善於用語文知識來說明物理概念。例如，能量轉化與守恆定律的表述文字很長，但只要運用語文知識抓住這句話的主體「總的能量保持不變」，就不難理解句子中的「不會創生」「不會消滅」等都是用來說明主體的。

物理與數學有密切的聯繫。一方面應當理解數學是物理的工具，但另一方面要注意，不能把物理概念數學化，不能把概念的物理意義淹沒在數學公式中。例如，的物理意義是電場力F與檢驗電荷的電量q成正比，比值E表示電場中某點的電場強度，不能根據這個公式認為電場強度E與電場力對成正比，與電荷的電量q成反比。

（六）切忌從定義出發講概念

物理概念是具體物理現象的概括、抽象，概念教學必須通過實際材料或列舉實例來進行。即使是抽象的物理概念，教學時也應當將有關的現象展示出來。切忌從定義出發講概念，因為這樣學生獲得的概念不是從感性認識上升出來的理性認識，而是空洞的詞句，會造成學生對定義的死記硬背。

（七）從「系統」觀點出發進行概念教學

「系統」觀點就是聯繫起來整體考察的觀點。搞好物理概念教學的含義，不僅僅是講清概念本身的定義，還應搞好物理定律、原理、公式的總和的教學。只有把概念形成的教學與定律、公式的教學有機結合起來，才能使學生比較全面、深刻地理解概念，獲得運用概念分析、解決問題的能力。因為物理定律是物理概念之間的內在聯繫，所以只有很好地領會了物理定律，才能加深對物理概念的多角度理解。

例如，對於功的概念，只有在學生學習了功能關係或動能定理之後，才能明白為什麼要用力與位移的乘積來定義功，否則功能關係或動能定理是不會成立的；也只有當學生學習了機械能守恆定律、熱力學第一定律，能量守恆定律之後，才能真正領會功的本質：功是能量傳遞或轉化的一種量度，一切做功過程都是能量的傳遞或轉化過程。

（八）運用啟發式教學原則

無論教師講課採用什麼方法，都必須運用啟發式的教學原則。所謂啟發式就是教師的講要帶動學生的想，促使學生思考。只有學生通過自己的思考弄懂的、不是死記硬背的概念，才能印象深刻、記憶牢固。

學生的知識，主要靠他們動手感知、動腦思維獲得。教師的作用在於指導學生用科學的態度和方法去探求知識。「一個差的教師奉送真理，一個好的教師則教人發現真理」。「不要教死的知識，要授之以方法，打開學生的思路，培養他們的自學能力，獨立思考去掌握各門學科的規律。」

（九）發現和剖析學生頭腦中存在的「先驗概念」

所謂先驗概念，是指學生在學習某一物理概念之前，腦子裡已對這一概念形成的偏見。如果認為學生在學習某一物理概念之前頭腦中是一片空白，那顯然是不符合事實的。例如，亞里士多德關於力是維持物體運動原因的觀點，雖早在17世紀已被伽利略和牛頓等人否定，但直到今天我們在課堂上講「運動和力」的概念時，這種錯誤觀點在學生頭腦中仍屢見不鮮。因此，進行物理概念教學要注意發現和剖析學生頭腦中存在的先驗概念。從而使學生領悟到新概念是正確的，先驗概念是錯誤的。這對於學生形成正確的物理概念有很大幫助，能起到印象深刻、記憶牢固的作用。

（十）師生共鳴

教學是科學，也是藝術。教學的藝術性，首先是教師在教態上要給學生以親切感和行為美，創造一個融洽的教學氣氛，引起學生共鳴，使學生心情舒暢、思維活躍，毫無保留地將自己頭腦中的先驗概念傾吐出來，成為教師啟發誘導的材料。教師與學生平等地探討物理概念，好像「有緣千里來相會」，定會為概念教學的成功奠定基礎。

選自《課程·教材·教法》1993年第3期

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