□陳 懋

（海寧市斜橋中學，浙江海寧 314406）

物理思維是指采用物理學的思想和方法提出問題、分析問題和解決問題的科學思維.物理思維中心論是指在物理概念教學中，物理思維位于概念教學結(jié)構(gòu)圖的中心，分別與生活情境、物理概念、創(chuàng)新實驗、概念本質(zhì)四個部分發(fā)生關聯(lián)[1]，如圖1 所示.物理概念是觀察、實驗與理性思維的概括抽象的產(chǎn)物.學生對物理概念的認識，需要經(jīng)歷三個階段：感性的具體、理性的抽象、理性的具體.概念教學必須基于學生的習得經(jīng)驗，立足于學生的感性認識，從前概念出發(fā)，需要使?jié)饪s的意義充分稀釋還原，這種設計符合學生的認知次序.但在實際物理概念教學中，教師往往簡單直接地給出概念的定義，學生沒有經(jīng)歷概念建立的思維過程和科學方法訓練，因而嚴重影響學生對概念的理解.筆者以“壓強概念”教學片段為例，探討如何基于“物理思維中心論”的初中物理概念教學來培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng).

圖1 物理思維中心論

一、創(chuàng)設生活情境 明確概念的意義

物理學概念建構(gòu)的意義在于物理學引入和建構(gòu)這個概念的原因，即解決“為什么”的問題.著名教育學家杜威主張：教學是基于行動，不應該直截了當?shù)刈⑷胫R，而應引導兒童在活動中獲得經(jīng)驗從而習得知識[2].在概念教學中，教師創(chuàng)設能凸顯事物“共同屬性”和“本質(zhì)特征”的生活情境，引導學生將情境與物理概念進行聯(lián)系與轉(zhuǎn)換，選取所學的物理概念解決情境中出現(xiàn)的問題，喚醒學生的思維，并同化到學生的原有認知結(jié)構(gòu)中，明確概念建構(gòu)的物理意義.

例如我們已經(jīng)知道，力的作用效果有二：一是可以改變物體的形狀，二是可以改變物體的運動狀態(tài).請同學們用手指壓桌子上的氣球和海綿，觀察并描述發(fā)生了什么現(xiàn)象.學生活動后知道，壓力使物體的表面產(chǎn)生凹陷的效果.繼續(xù)提問：你還能列舉一些生活中類似“壓力使物體產(chǎn)生凹陷”的例子嗎？學生討論得出，人在沙灘或雪地上行走，腳對地面的壓力會在沙灘或雪地上留下腳印；人躺在沙發(fā)上，身體對沙發(fā)的壓力會使沙發(fā)產(chǎn)生凹陷.教師追問：汽車會使路面產(chǎn)生凹陷，如果汽車超載很多，會導致什么后果呢？教師投影汽車超載導致橋梁斷裂的圖片.學生知道，當壓力過大時會損害物體，甚至造成安全事故，因此我們很有必要學習這些知識，加強安全教育.在此過程中，學生明白壓力是一種普遍存在的效果力，壓力可以使物體產(chǎn)生凹陷.

教師設問：我們無法看到力，卻能從力產(chǎn)生的效果中感受到力的存在.那么，請你們思考，放在桌面上的書對桌面有壓力嗎？學生認為，有壓力，但沒有凹陷形變；也有學生認為，有凹陷形變，只是變形程度太小，用我們的眼睛無法直接觀察.此時，引導學生思考如何設計實驗進行檢驗.演示實驗，如圖2所示，用手指捏玻璃瓶，毛細管中的紅色液柱上升，手指松開，液面又下降回到初始位置.此時學生知道書對桌面產(chǎn)生壓力效果.在此過程中，學生明白，為使實驗效果明顯，可以采用轉(zhuǎn)換法或放大法等驗證方法.

圖2 微小凹陷放大實驗

本案例中，學生自主體驗，再列舉生活中的壓力作用效果過大造成事故，明確壓力的作用效果的現(xiàn)實意義；教師展開演示實驗，引導學生從作用效果入手，將看不見的凹陷形變轉(zhuǎn)化為看得見的液面升降，調(diào)動思維的積極性.在這個過程中，學生體驗“從生活走向物理”的課程理念，從物理思維視角感受引入物理概念的意義，學生掌握了比較、質(zhì)疑、轉(zhuǎn)換等思維方法.

二、設計創(chuàng)新實驗 體悟概念的本質(zhì)

概念的本質(zhì)屬性，即抽象概括出包括一切同類對象的本質(zhì)屬性，解決“是什么”的問題.物理教學不僅給學生傳授一些知識和技能，更應該培養(yǎng)學生的理性思維，對習以為常的生活現(xiàn)象進行質(zhì)疑、論證的習慣，對得心應手的經(jīng)驗進行批判，以及對科學探究的熱愛.在概念教學中，教師引導學生設計創(chuàng)新實驗，讓學生得到切身的體驗，通過抽象抓住事物的“本質(zhì)特征”，體悟概念的本質(zhì)屬性.

例如，關于壓力作用效果的影響因素，筆者展示狗和人在雪地上留下深淺不同腳印的照片，如圖3所示.設問：壓力的作用效果可能與什么有關？有學生認為人的壓力大，壓力的作用效果可能跟壓力的大小有關；也有學生認為人的重力大，壓力的作用效果可能跟重力的大小有關；也有學生認為，雖然狗有四只腳，受力面積還是小，壓力的作用效果跟受力面積的大小有關.教師追問：狗和人在雪地上行走留下腳印，此過程的研究對象是什么？那么壓力的作用效果是與壓力有關還是與重力的大小有關？學生經(jīng)過討論交流得出，雪是研究對象，人和狗受到重力，雪地受到的是壓力，而不是重力，所以壓力的效果可能與壓力大小有關.在此過程，糾正了學生錯誤的前概念.

圖3 雪地里狗和人的腳印

科學是基于實驗證據(jù)的，需要大膽猜測，小心求證.請自選實驗器材：砝碼、塑料尺、氣球、海綿、水，設計方案定性驗證你的假設，并畫出裝置圖.學生分小組討論后，最好的實驗方案如下.

如圖4 所示，將兩個相同的氣球充滿氣，第一次把一個氣球粘在木板上，上面放10 本課本，觀察氣球的凹陷形變程度；第二次把兩個氣球粘在木板上，上面放10本課本，觀察氣球的凹陷形變程度，學生發(fā)現(xiàn)第二次氣球凹陷不明顯，學生發(fā)現(xiàn)課本數(shù)量相同，氣球越多，氣球凹陷越不明顯；第三次還是一個氣球，只是上面放15本課本，觀察氣球的凹陷程度，學生發(fā)現(xiàn)氣球數(shù)量相同，課本數(shù)量越多，氣球凹陷越明顯.這個實驗說明壓力的作用效果與壓力大小和受力面積有關.

圖4 比較壓力作用效果

圖5 簡易壓強計

那么，壓力作用效果與壓力大小和受力面積關系如何呢？教師演示實驗，具體操作如下：如圖5所示，將礦泉水瓶底部去掉，蒙上橡皮膜，并固定在鐵架臺上（橡皮膜朝上），瓶口用橡膠管與U形管連接.實驗1：在橡皮膜上平放長方體木塊，依次疊放一塊、兩塊、三塊，觀察U形管中液面的高度差對應的格數(shù)，記錄數(shù)據(jù)在表1 中；實驗2：在橡皮膜上放同一塊木塊，依次平放、豎放、側(cè)放，觀察U 形管中液面的高度差對應的格數(shù)，記錄數(shù)據(jù)在表1中[3].引導學生分析歸納，實驗1中，受力面積相同，疊放木塊越多，壓力越大，壓力的作用效果越明顯；實驗2 中，壓力相同，平放受力面積最大，豎放受力面積最小，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯.

表1 壓力效果實驗記錄表

在本案例中，學生從人和狗的腳印深淺對比，提出猜想，暴露迷思概念；通過自主設計創(chuàng)新實驗，用氣球代替海綿，實驗現(xiàn)象更明顯，學生易于觀察，他們興趣盎然；教師開展創(chuàng)新實驗，從微小到放大，從定性到定量，進行理性分析，促進學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，學生豁然開朗.在這個過程中，學生從物理思維視角，體悟了概念的本質(zhì)屬性，學生掌握了假設、比較、概括、創(chuàng)新等思維方法，

三、分析事實現(xiàn)象 理解概念的定義

概念的定義內(nèi)涵，即概念所包括的所有對象共同的本質(zhì)屬性的綜合，解決“怎么樣”的問題.物理概念定義的方式主要有直接下定義、乘積定義法和比值定義法.學生理解了概念的定義本源，能深化概念應用，不容易出現(xiàn)那些似是而非的錯誤.在概念教學中，教師積極引導收集證據(jù)，分析事實現(xiàn)象，同中求異、異中求同，給概念下操作性定義，用外在的語言描述，理解概念的定義內(nèi)涵.

圖6 手指擠壓鉛筆

例如，對于壓力和壓力的作用效果比較，如圖6所示，你用兩只手的食指同時擠壓鉛筆的兩端，請問你的兩個手指感覺一樣嗎？為什么？有的學生認為右手受到的壓力大，所以右手感覺更疼痛；立即有學生提出質(zhì)疑，左右手受到的力大小是相等的，物體間力的作用是相互的，相互作用的兩個力大小相等，因為右手的受力面積較小，右手受到壓力效果更大，所以右手感到更疼痛.當然這個活動，要提醒學生用力不要過猛，平時注意尖銳物體，加強安全教育.教師追問：物體受到的壓力相同，而往往壓力的作用效果不同，說明了什么？學生討論交流，得出壓力和壓力效果是不同的.在此過程中，學生發(fā)現(xiàn)單純的壓力大小不能準確地表達壓力效果，即使壓力相同，但產(chǎn)生的效果也不同，因而需要建立一個新的物理量.

教師提問：科學研究是一個由表象到本質(zhì)，由感性到理性的過程.如何比較壓力的作用效果呢？學生討論發(fā)言，相同受力面積，比較壓力大小；相同壓力大小，比較受力面積.追問：如果壓力和受力面積都不同時，如何比較壓力的作用效果？教師提示，在前面的學習中有沒有能借鑒的方法？通過小組討論，可以用求比值定義的方法，類似于求速度、密度的方法.比較壓力作用效果有兩種方法，即F/s和s/F，即單位面積上受到的壓力或單位壓力上所占的面積，通常我們選擇前者，符合日常生活習慣.單位面積上受到的壓力越大，壓力的作用效果越明顯.科學上把物體單位面積上受到的壓力叫作壓強.

教師追問：壓力越大，壓強也越大，是否正確？為什么？學生發(fā)言，這種說法錯誤，雖然壓強由壓力和受力面積比值定義，但是壓強的大小與壓力大小和受力面積大小無直接關系，必須要有一定的前提條件，即受力面積一定，壓力越大，壓強越大.

本案例中，教師引導學生從生活經(jīng)驗中分析壓力效果和壓力的不同，明確引入壓強的物理意義；學生經(jīng)歷分析事實的過程，接著給壓強下操作性定義，明確壓強的定義，鞏固比值定義方法，辨析決定壓強大小的因素，知其然，又知其所以然.在這個過程中，學生從物理思維的視角，理解了概念的定義內(nèi)涵，學生掌握了比較、分析、下定義等思維方法.

四、解釋生活現(xiàn)象 完善概念的運用

物理概念的實踐運用，在概念指導下去解決問題，解決“做什么”的問題.對學生而言，只有會應用、能遷移的知識才是屬于自己的.初中學生的認知發(fā)展水平基本還處于前運算和具體運算階段，他們的抽象思維還離不開具體思維的支撐.同時，學生對概念的實踐運用，往往受錯誤前概念的干擾.在概念教學中，針對學生的前概念，通過問題引導，讓學生運用概念解釋生活現(xiàn)象，學以致用，激發(fā)認知沖突，培養(yǎng)多角度思考問題的習慣，完善概念的實踐運用.

例如，對如何增大壓強和減小壓強，教師設問：在日常生活中，人們采用什么方法來改變壓強大小呢？要求學生根據(jù)壓強公式分析討論，學生積極發(fā)言，增大壓力、減小受力面積可以增大壓強，反之，減小壓力、增大受力面積，則可以減小壓強.有時采用一種方法，有時兩種方法同時采用.

教師提供如圖7 所示四幅圖，設問：讀圖，每幅圖中采取哪種措施來增大和減小壓強？學生先讀圖，找出關鍵因素和目的，再表達.圖7a，刀有薄薄的刀刃，通過減小受力面積，增大壓強；圖7b，足球鞋底做了鞋釘，通過減小受力面積，增大壓強；圖7c，坐沙發(fā)比坐木凳感覺舒服，通過增大受力面積，減小壓強；圖7d，坦克裝有寬寬的履帶，增大受力面積，減小壓強.

圖7 改變壓強的方法

最后，教師追問：日常生活中，有時需要增大壓強，有時要減小壓強，你知道還有哪些場合增大壓強，哪些場合減小壓強？學生舉例，比如鐵軌鋪在枕木上，減小壓強；書包有寬寬的背帶，減小壓強；注射器的針尖很細，增大壓強.在此過程中，學生用科學家眼光看待生活，促進理性思維的發(fā)展.

又如，從壓強的角度分析生物對環(huán)境的適應現(xiàn)象.教師講述：動物的進化會使它們的身體結(jié)構(gòu)和功能更適應環(huán)境.駱駝的趾長得特別寬大，而啄木鳥的喙長得又尖又長.你知道這樣的身體結(jié)構(gòu)對駱駝和啄木鳥的生活有什么好處嗎？你還知道別的動物也有類似的身體結(jié)構(gòu)嗎？請舉例說明.學生交流發(fā)言，駱駝趾長得特別寬大，增大受力面積，減小對沙子的壓強，適合在沙漠上行走，而啄木鳥的喙長得又尖又長，減小受力面積，增大對樹木的壓強，適合在樹木中覓食.學生還列舉狗的犬齒特別尖等現(xiàn)象.至此，學生突然有一種一覽眾山小的感覺.

本案例中，教師引導學生分析推理，先抽象改變壓強的方法，結(jié)合生活實例進行分析，然后列舉生活實例，最后從壓強角度解釋生物進化中身體的結(jié)構(gòu)與功能相適應，享受到理性思維的樂趣，感受科學的神奇與美妙，獲得無比的愉悅感.在這個過程中，學生從物理思維的視角，體驗從“物理回歸生活”的課程理念，完善概念的實踐運用，經(jīng)歷抽象、比較、創(chuàng)造等思維活動.

總之，對學生而言，物理概念往往感覺“聽講就懂，看書就會，做題就錯”；對教師而言，學生的大腦就像一個黑箱，物理概念總是反反復復錯誤，學生的錯誤前概念總是“死灰復燃”，教學效果不佳.究其原因，學生的思維仍然是淺層的、低階的.物理思維中心論為我們的概念教學找到出發(fā)點和歸屬點，即生活是教學的起點，也是教學的終點，同時也為我們找到教學的著力點——物理思維，即從物理思維視角建立物理概念，設計創(chuàng)新實驗，理解概念本質(zhì) .