林少颜

摘   要：针对物理概念教学效果不理想的问题，以“单摆”教学为例，通过创设情境、提出概念模型、渗透科学方法、得出模型特征、着力科学探究、总结物理规律、应用生活实际、深化概念认识，提出物理概念建构教学策略，以期达到概念教学的完整性和有效性，进而提高物理概念教学的效果。

关键词：中学物理;物理概念;核心素养;教学策略;单摆

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2021）29-0034-04

一、物理概念教学的现状

概念是反映事物本质属性的思维产物，也是人脑在感觉、知觉和表象的基础上，对感性材料进行去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的思维加工和改造的产物。物理概念抽象难懂，因此物理概念教学往往是物理教学中的难点。在常规的授课中，物理教师经常直接抛出物理概念，并一带而过，或者对概念的辨析只停留在表层，学生只能被动接受难懂的物理概念，所以概念教学的效果很不理想。究其原因，是因为物理教师忽视物理概念的重要性，教学过程过于功利，轻视学生物理学科核心素养的培养导致的。

二、实施物理概念建构教学的策略

实施物理概念教学是帮助学生形成正确的物理观念，培养学生的科学思维、科学探究精神、科学态度与责任感的良好契机。物理概念建构教学即将模型建构的过程（抽象、表征、分析、认识）运用于物理概念的建立、特征分析和规律应用中。物理概念建构教学是实施核心素养教育的重要方式，笔者结合自身的教学实践及听评课交流活动，以“单摆”教学为例，就物理概念建构教学，谈谈自己的看法。

（一）创设真实的情境，亲身体验，提出概念模型

真实的情境来源于生活场景、周边素材、现成的实验装置、教具等。体验即为亲身经历。通过真实体验初步认识周边的事物，这种体验往往是浅层次的，与严谨的科学事实可能有一定的偏差，甚至会出现情感冲突。虽然如此，但体验过程还是必不可少的。因为概念的提出需基于真实的情境，只有让学生亲自体验，获取感性认识，才能进一步提出概念模型。

活动1 教师展示自制教具，即各种各样的类似单摆的模型。有麻绳连接小钢球、橡皮筋连接小钢球、细绳连接乒乓球、细绳连接小钢球等等。

师：当我们研究物理问题时，往往从最简单的问题入手，如果你要研究连着绳子的小球来回摆动的情况，你会选择哪个实验装置呢？为什么？

生：不选择麻绳连接的小球，因为麻绳的质量大，对研究小球摆动情况的影响也很大;也不选择橡皮筋连接的小球，因为小球在来回摆动的过程中，橡皮筋会伸长，这样的研究过程过于复杂;也不选择乒乓球，因为空气阻力对乒乓球的影响很大，这样一来乒乓球很快就会停止摆动。

經师生互动可得出：要选择连接细绳的小钢球为研究单摆的模型，因为其空气阻力小，细绳质量轻，绳子不可伸缩，影响因素少。

评析：在日常单摆概念的教学过程中，我们往往忽视了上述引导过程，一般直截了当地得出单摆模型——绳子要细绳，这样质量可忽略且不可伸缩，摆球的质量要大密度也要大，这样空气阻力小。而上述教学过程体现了单摆概念的建构过程，即教师不直接问单摆模型是什么样的，而是从研究物理问题的便利性、简易性出发，逐步引导学生得出单摆的概念。该过程充分体现出学生的主体地位，教师通过自制教具设置具有引导性的问题情境，学生甚至可以上台摆弄一下实验装置，有了充分的亲身体验，学生自然就能够轻松得出单摆模型，且不需要教师过度强调，单摆模型的建构就能深入人心。

（二）渗透科学方法，培养科学思维，得出简谐运动的特征

在物理教学中灵活应用科学方法，不仅可以有效促进学生的知识迁移，还可以将抽象的概念形象化，进而促进学生深度理解相关知识。当一个物理模型建立好后，接下来的任务就是研究该模型的特征，让这个物理模型“有血有肉”。该过程往往包含着丰富的科学方法，因此教师在该教学环节应重点渗透科学方法的教育，以培养并提升学生的科学思维品质。常见的研究物理问题的科学方法有：控制变量法、等效替代法、理想模型法、转化法、比值定义法、极限法、归纳法、类比法、近似法……

活动2 单摆做机械振动，同时也是圆周运动。曲线运动切向方向的力改变速度的大小，法向方向的力改变速度的方向。按照这个思路，如图1所示，分析单摆的受力情况。

师：回顾简谐运动的概念及特征。

生：简谐运动的振动图像是正弦图像，动力学特征满足回复力F=-kx.

师：我们可以从这两个途径，探究单摆运动是否是简谐运动：1.我们从单摆的动力学特征分析;2.单摆运动是机械振动，同时也是变速圆周运动，变速圆周运动应如何分析？

生：受力分析，切向法向分解力。法向方向的合力即为向心力改变速度的方向，切向方向的力改变速度的大小。切向方向的力F=mgsinθ.

师：回复力、平衡位置的概念是什么？单摆振动过程中的平衡位置是哪个？回复力是什么？

生：平衡位置在最低点时，回复力为F=mgsinθ.（平衡位置确定无疑，但回复力有些迟疑，切向方向的力并不是严格地指向平衡位置，而是有点偏差。）

师：如何最大程度地减小这种偏差？

生：单摆的摆角越小，切向方向就越接近回复力的方向。

师：既然如此，我们就研究单摆模型的小角度摆动情况。当角度θ很小时，切向方向上的力即为回复力，回复力F=mgsinθ。简谐运动的动力学公式与位移x有关，下面请同学们对其做进一步的推导。

生：引导学生得出sinθ≈θ=s/L≈x/L，即F=mgx/L，考虑F与x的方向相反，所以F=-mgx/L。由此可得出结论：单摆小角度振动时做的是简谐运动。

评析：在以上分析过程中渗透着研究物理问题的科学方法——近似法。在该教学过程中，教师不是直接告知学生我要近似处理，而是通过回顾回复力、平衡位置等概念，让学生分析单摆振动过程中的回复力、平衡位置是什么。在分析回复力时，学生产生了认知冲突，需要进行修正，由此得出了解决问题的办法——摆角θ要很小。在该过程中教师不直接提近似法，而是将近似法渗透其中。

活动3 教师引导学生回顾简谐运动的x-T图像是正弦函数的图像，然后展示单摆简谐运动图像演示仪，并介绍实验仪器。教师引导学生认真观察实验装置，并着重引导学生将时间轴与纸板的匀速直线运动等效起来。然后演示实验仪器，并通过摄像头将实验过程投影到电子屏幕上，然后将实验结果展示给学生，如图2所示，由此粗略得出单摆简谐运动的图像。

评析：该教学环节渗透着类比、等效替代等物理思想，通過类比视频播放的帧回放，学生很容易理解、接受时间轴与纸板的匀速直线运动是等效替代关系。

（三）着力科学探究，培养探究精神，探索单摆运动的周期规律

科学探究应渗透于整个物理教学过程中。学生经历了单摆模型的建构并分析了其运动特征后，对单摆模型的特点有了更为清晰的认识，再经过探究过程，就更有利于学生形成正确的物理观念，掌握正确的科学方法，形成科学思维，进而可为学生的终身学习和发展奠定基础。

活动4教师出示单摆模型，并让单摆小角度振动，然后提问单摆振动的快慢与什么因素有关。对此学生提出猜想并设计实验方案，教师改进实验方案。最后得出实验结论，并对实验结论进行交流、评估。

师：出示单摆模型，提出问题——单摆的振动快慢可以用什么来描述，单摆的振动周期跟什么因素有关。

生：学生摆弄单摆模型，提出猜想——单摆的振动周期可能跟摆球的质量m、摆绳的长度L、摆角θ等因素有关。

师：同学们根据自己提出的猜想，通过实验探究单摆周期与什么因素有关。为节约时间，可采取分组探究的方式。不同的小组，探究内容不同。

生：利用传统的实验装置（单摆、秒表等），分小组合作探究，并填写表1～3，由此得出结论：单摆周期与摆球的质量m、摆角θ无关，与摆长L有关。

活动5 师生配合，利用传感器测量多组单摆周期T、摆长L，并填入表4，拟合T²-L图像，定量探究单摆周期T与摆长L的关系，由此得出单摆周期公式。

评析：在该教学环节中，教师不直接给出结论，而是通过一步步地引导，让学生提出猜想，并通过分组实验，小组内交流讨论，让学生验证自己猜想的准确性，由此得出小组结论。然后再通过小组间交流，互换小组信息。在此过程中，学生既经历了充分的探究过程，又高效完成了探究任务。而对于周期与摆长定量关系的探究，则可选用验证的方式，即教师与几位学生配合演示，利用DIS传感器等设备及信息技术手段，提高课堂效率，进而得出定量关系。

（四）回归生活实际，应用概念规律，深化对概念的认识

在教学中，教师要引导学生结合具体情境构建物理模型，寻求应用物理知识解决实际问题的方案，并引导学生从“解题”转变为“解决问题”。

师：出示钟摆图片、动画或实物钟摆，引导学生观察并提出问题：“钟摆与我们今天所学的单摆有什么相同之处？钟摆的摆动特征有哪些？如何制作钟摆？”

生：课后交流讨论，下节课汇报。

评析：通过单摆在生活中的应用，物理模型的建构又回归到了生活实际中，形成了从真实情境（生活实际）到物理模型的建构再到生活应用的一个循环。该教学环节为本节课结束后的升华，教师不给出结论，而是抛出问题，由学生课后去探讨、研究，待下节课再把问题拿出来讨论，如此可让学生养成利用物理知识主动解决生活实际问题的习惯。

三、结论与反思

（一）模型建构的指向性

即在提出物理模型前，教师以问题为引领，创设与物理概念模型关联性高的问题情境。关联性越高、指向性就越强，指向性越强就越有利于学生在问题情境中潜移默化地完成物理概念的建构。

（二）科学思维方法渗透的有效性

有效的科学方法渗透是指当我们在处理物理问题时，因某种需要而需用到相应的方法，以达到化繁为简、解决问题或得出相应概念、结论的目的。而不是介绍科学方法，或直接告知套入使用。

（三）实验探究的多样性

完整的科学探究包含多个步骤，有时候探究内容很多，但由于课堂上各种条件的限制，所以我们需要有选择性、多样性地开展实验探究。例如分小组探究不同的内容，然后再进行小组间的交流;分组探究与演示探究相结合;传统实验与DIS传感器相结合;应用现代教育的技术手段等等。灵活应用多种探究方式，既能培养学生的科学探究精神，又能提高课堂教学效率。将实验探究应用于概念教学，在培养学生的科学探究核心素养等方面也有较大的教育功效。

（四）概念建构的完整性

基于核心素养的物理概念建构教学，应以生活中的具体事物为依托，由此创设问题情境，让学生亲身体验，并在问题的引领下形成初步的概念模型，然后再恰当应用科学方法探究得出该模型的特征，以此深化物理概念，并将其最后应用于生活实际中，由此可实现物理概念规律的应用回归到生活情境。基于核心素养的物理概念建构教学策略的框架如图3所示。

【责任编辑 韩梁彦】