给学生一个立体的“物理”

物理概念是物理知识的“基石”，往往被视为物理学中“最简单”的东西；然而概念教学在整个中学物理教学中却有着举足轻重的地位，被称为进入物理学科的“通行证”；学生能否形成清晰而准确的物理概念，能否真正理解概念，直接影响到一章乃至整个物理的学习，概念又是建构物理大厦的“支柱”；同时，概念学习的过程还影响到学生的认识能力和思维能力的发展，是学生探索自然科学形成科学方法的“诺亚方舟”。

李政道教授在北大讲学时，强调“学习中一定要把基本的概念搞清、记牢”，“最重要的东西往往是最简单的”，新课程标准对概念教学同样提出了新的要求“应该重视学生经验，创设物理情境，使学生认清概念和规律所依据的物理事实”；“教学要思路清楚，使学生知道它们的来龙去脉，真正理解其中的道理，领会研究问题的方法”；“使学生学会运用物理知识解释现象，分析和解决实际问题，并在运用中巩固所学的知识，加深对概念和规律的理解，提高分析和解决实际问题的能力”。

1　丰富学生的感性认识

学生对物理概念的认识，来源于各种感性认识，只有当感性认识极为丰富，才能水到渠成，使学生对研究对象获得较为完整的感知，对于感性认识，学生一般是通过这四种途径获得的：一种途径是对原有生活中的物理现象的感性认识，如物质是以固态、液体、气态这三种形式存在的，这些认识学生在学习物理知识之前都已知晓，并已能正确判断，第二种途径是教师用常见的生活实例、实验引起学生观察与思考，如学生常常会说“铁比棉花重”，但说不清楚其中隐含的内在规律，老师启发学生通过实验，比较同体积不同物质的质量不相同，从而建立密度的初步概念，第三种途径是通过其它视听途径或阅读教材等获得的认识，如学生能通过听到声音，感知到声音的现象，但对声音产生的原因未必清楚，而通过一些途径的学习，再结合对声音现象的感知，就对声音产生的原因有较为清晰的认识了，对于有些概念的认识，还可利用借助画示意图、过程流程图等方法，来产生正确的认识，如力的三要素概念，通过力的图示的方法，就更为形象的表示了；物质三态间相互转变的六种物态变化，用过程流程图方法来表示，就更为一目了然了。

较为复杂的概念建立，可结合这四个途径中的几种方法来加深理解，如比热容、电磁感应等的概念的教学等等。

2　建立科学的物理表象

表象是人们过去对事物的反映在头脑中所留下的痕迹，当这些痕迹在人的活动中恢复或再现的时候，就成为表象，大量的实验研究表明，许多学生在日常生活中形成的物理表象往往是不完整的，有的甚至是错误的，这些片面的、孤立的、以个人为中心建立的，并形成了与物理知识不尽一致或相悖的观点，这就是前概念，如“重的物体比轻的物体下落得快”、“眼睛看见物体是由于眼睛有光射到物体上”等等错误认识，这些都是前概念，前概念具有广泛性、肤浅性、顽固性、隐蔽性，在学生头脑中根深蒂固，对正确概念的掌握带来极大困难。

建立科学的物理表象，消除前概念的影响可以采取下面的方法：一是要做好物理实验，仔细观察实验，及时揭示实验本质，如：在课堂教学过程中，做一下铁块和鸡毛在真空管中自由下落的实验，学生只要认真观察了这个实验，就会很容易改变其原有的“重的物体比轻的物体下落得中的错误认识，二是用学生已有的前概念去解释实验或实例中的现象，使大脑中的前概念与当前的现象产生无法调和的矛盾，从而感觉到必须要修正自己原有的观点，如只要让学生解释“为什么人眼晚上会看不见物体”时，学生就会对原有观点产生怀疑，经过“思想斗争”后，“拨乱反正”，就能够形成正确的概念了。

3　建构必要的概念体系

学生建立了初步概念，只是从某些方面对概念的认识，为了消除前概念影响，深刻地理解概念，还需要从各个层次、不同角度来认识概念，要全面理解概念，就必须建构必要的概念体系，概念是建构物理大厦的“支柱”。

3.1　了解概念的内涵与外延

概念的内涵即概念所反映的物理现象或过程所特有的本质属性，概念的外延即概念的运用条件和适用范围，概念教学的关键是使学生了解概念的内涵和外延，定义是明确慨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人手，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”及“物体间的作用”，认识什么是“物体”、什么是“物体间的作用”，其中对“作用”的理解是关键，此即知力的内涵，而力的概念所反映的物体只要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，都属于力，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，如：受力的物体，失重的物体，太空中的物体等等，换言之，这些物体都具有惯性，这是构建概念体系的初步阶段。

3.2　理解概念的结构及量纲

概念的结构指构成概念的要素，例如，“密度”概念的结构是由质量与体积概念构成，“动量”概念的结构是质量与速度概念构成等等。

概念教学要把概念与构成它的要素区分清楚，密度既不是质量，也不是体积，是两者的比值，质量、体积及大小是所有物体共有的，而这一比值所揭示的量是物质特有的，反映的是物质的一个属性，这是物理学概念引入的方法之一，速度、压强、电流、比热容等概念的引入方法与密度概念相类似，而密度的量纲就由质量和体积量纲并由这两者量纲的比值决定。对动量概念的引入除了运用了上述方法外，还要理解动量是矢量，也是一个状态量，这也是物理学中引入概念的一种方法，而概念的引入又是为研究物理规律服务的，只有当学生理解了动量引入的原因：物体动量的变化反映的是这个变化过程中力对时间的累积量，即冲量，把动量的概念在动量定理中得到应用时，才能真正理解动量概念，这是构建概念体系、理解概念的必要过程。

3.3　辨析概念的特征

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。

如质量是物体本身的属性，同一物体当形状、位置、温度等发生变化使质量不变；密度是物质本身的属性，每种物质都有密度且各不相同。

又如惯性是物体本身的属性，重力加速度、电场强度、磁感应强度是“场”物质本身的属性，比热容、电荷、电阻等是物质某些特性的反映。

应该注意的是，虽然物质的固有属性与外界因素无关，但还要用外界的一些因素去定义或量度这些属性的“量”的大小或强弱程度，例如，电场中某点电场强度是用试验电荷在该点受到的电场力与该点电荷的电荷量之比来定义或量度，而该点的场强不论你是否放置试验电荷都是客观存在的，因为物质的某些特征只能在与周围其他事物的发生联系、相互作用才能显示出来，所以物质的某些特征要用外界因素来描述、定义或量度。

(2)矢量特征：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具有矢量特征，如力、速度、动量、电场强度等。

(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不变，例如，速度足描述物体某一时刻运动状态的；压强、体积、温度是描述气体某一时刻状态的概念。

(4)过程特征：有些概念是描述物理对象变化过程的，这些概念的值与物理对象的变化过程有关，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参考对象而言的，描述它的本质的概念就具有“相对”特征，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，此外，速度、动能、势能等也是具有相对特征的概念。

能正确划分、辨别物理概念这些特征，对理解和掌握概念尤为重要，这是构建概念体系的深化环节。

3.4　全面把握概念体系

每一个物理概念都不是孤立的，而是由概念的定义、概念的物理意义、概念的测量、概念的计算、概念的应用等要素组成，掌握这些要素以及与之有关的规律对理解概念大有益处，如：对力的概念的理解，我们可以从力的定义、力的三要素、力的测量、力的分解合成、力的运算法则等来认识；也可以从力的作用效果，使物体产生形变或运动状态发生改变来认识；还可以从对重力、弹力、摩擦力的认识来全面理解力的概念；更进一步的对力的概念的理解是认识了力的作用在时间上的累积量，冲量的概念以及力的作用在空间上的累积量，功的概念等以后，有了这些力的应用的拓展，就把对力的概念的理解推到了新的高度，这是构建概念体系的升华阶段。

4　建立科学的思想方法

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，作为物理理论基石的物理概念的建立同样离不开思想方法，这就要求在物理概念的建立过程中，引导学生运用分析、综合、比较、抽象、概括、科学推理、类比、等效等物理思想方法，抓住事物的共同属性和本质特征，帮助学生形成正确的物理概念，并建立科学的思想方法，以下例举三种思想方法。

4.1　理想化的思想方法

理想化的思想方法是忽略了所研究物理事物的次要因素，抓住影响事物的主要矛盾，揭示物理事物的本质属性，理想化方法是物理学中最基本、最重要的思想方法，物理学中的一切理想模型，如光线、质点、刚体、弹簧振子、理想气体等概念的建立；一切物理现象的理想化处理，如光的直线传播、自由落体、简谐振动等都是理想化思想方法的应用，这种方法的应用给我们研究带来极大便利。

4.2　类比的思想方法

运用类比的思想方法，可以借助已有的物理概念，建立新的物理概念，这种思想方法在物理概念的建立中运用很广泛，如用水流类比电流，用水压类比电压，用电场类比磁场等，来建立电流、电压、磁场的概念；水波、声波、光波、无线电波、德布罗意波等各种波动，尽管涉及不同的领域，甚至具有不同的物理本质，但由于这些概念之间存在着相似性和可类比性，使得我们建立了一些普适的物理概念，如波长、频率、周期等。

4.3　数形结合的思想方法对位移、速度、加速度三个运动学概念的理解，只有当学生对数学方法能熟练运用时才能深刻理解，如只有对数学的微元法能进行运用时才能理解瞬时速度的概念；只有对等效方法理解后，才能理解平均速度的概念；而对物体作匀速直线运动、匀变速直线运动的研究要运用数学的研究方法，如用表格法、图象法等数形结合的研究方法，只有这些思想方法能熟练运用时，才能更深刻理解概念。

4.4　科学方法的产生

物理概念形成的过程，实质上是提出问题、分析问题、解决问题的过程；概念体系完善的过程，也是科学方法产生的过程；每当物理研究有新的突破或新的进展时，往往伴随着新的思想方法的产生或数学研究的突破，所以概念也是探索自然科学形成科学方法的“诺亚方舟”，事实正是如此，随着物理概念体系的建立和不断完善，就有伴随与之对应的科学方法的诞生，如在科学发展的历程中，就有“力是维持物体运动的原因”和“力是改变物体运动状态的原因”之争，形成了亚里士多德“观察、直觉经验、简单推理”研究方法和伽利略“科学推理和理想实验”的科学研究方法，正是伽利略运用了科学的研究方法，才得出了“外力的作用改变了速度”这一经典论断，从而建立了经典物理学中两个重要的概念：力和加速度，伽利略是“科学史上第一个进行思想实验的科学家、第一位采用数学方法的科学家”，正是由于伽利略建立的科学方法，才使物理学的发展进入了新的高度。

学生学习物理概念的过程，同样是学生科学方法产生的过程，一般认为，学生在概念学习中科学方法的产生可以划分为三个层次，第一个层次叫做具体方法，它是研究具体物理问题时产生和应用的科学方法，如观察方法、仪器的使用方法和实验的操作方法等等，第二个层次叫做逻辑方法，即运用逻辑推理进行思考分析的科学方法，如通过“抽象一慨括法”得到力的概念，通过“判断一类比法”得到电场强度慨念等，第三个层次是分析解决问题所运用的方法，即概念、判断和推理的科学方法，如运用“抽象一理想化模型”得出质点概念，运用“推理一观察实验法”得出自由落体概念等。

一个物理新概念的建立，必将有与之对应的科学方法的产生，同样，学生在学习新概念的过程中，必将会形成自己的学习方法、研究方法，随着概念体系的不断完善，逐渐形成科学的研究方法体系，教师要把握概念建立过程中蕴含的科学方法，引导、启发和提炼学生运用科学方法解决实际问题的能力，并使之反作用于对概念的学习，这样才能达到建构概念体系，形成科学方法，产生有意义学习的目的。