物理概念和规律的学习

物理概念和规律的学习第一页，共二十七页，2022年，8月28日一、物理概念和规律的界定1．物理概念的界定物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象。物理概念都是通过下定义方式、通过与其他概念间的关系来界定的；例如，在相等时间内，速度变化量相等的直线运动，叫做匀变速直线运动。可见，匀变速直线运动这一概念通过直线运动、速度、时间、变化量等概念间的关系来界定的。又如，力对物体所做的功，等于力的大小、位移大小、力和位移方向夹角的余弦三者的乘积。可见功这一概念是通过力、位移（大小方向）、夹角、乘积等概念间的关系来界定的。第二页，共二十七页，2022年，8月28日2．物理规律物理规律是物理现象、过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系的反映。物理规律通常分为物理定律、物理定理、物理原理等。物理现象和过程存在各种联系，在这些联系中，有的是本质的、必然的联系；有些是非本质的、偶然的联系。例如，一个物体只要受到一个不为零的合外力的作用，它就具有加速度，这就是物体有无加速度和合外力间存在的本质联系，但是从现象看来，一个物体是否具有不为零的加速度（指有无而不讨论大小），却又与这个物体的大小、轻重、质料、形状、所在地点及环境、单个外力的大小等等都有联系，实际上这些因素对一个物体是否具有不为零的加速度来说，只是分别起着片面的、不稳定的或者偶然的作用，因此统统是非本质的联系。

第三页，共二十七页，2022年，8月28日3．物理概念与规律的联系物理规律反映有关物理概念之间的必然联系。例如牛顿第二定律就是由质点、力、质量、加速度等概念组成的。研究对象是质点。它表明研究对象（质点）的加速度与研究对象的质量和它所受力之间的定量的因果联系。动能定理将功（过程量）与动能（状态量）联系起来；动量定理将冲量（过程量）与动量（状态量）联系起来；热力学第一定律把热量（过程量）、功（过程量）与内能（状态量）联系起来等。第四页，共二十七页，2022年，8月28日物理学中的概念绝大多数是通过下定义方式、用命题清晰界定的，实际也是通过与其他物理概念间的关系来界定的。物理概念和规律的学习，就是学生通过自己的思维活动建立相关物理概念间的联系。第五页，共二十七页，2022年，8月28日二、概念和规律学习的阶段（一）奥苏贝尔学习理论对概念和规律学习的描述奥苏贝尔有意义学习理论把概念和规律学习划分为两个类别：其一、概念、命题学习。概念和命题的学习在奥苏贝尔学习理论中属于有意义学习，实质是新知识和原有认知结构已有适当观念形成联系，这种联系是非人为的、实质性的。奥苏贝尔依据习得意义与否将学习分为：有意义学习和机械学习两类。机械学习的心理机制是联想，所以重复练习是影响机械学习和保持的主要因素；有意义学习的心理机制是同化，原有认知结构变量是影响新的学习与保持的主要因素。奥苏贝尔认为有意义学习就是通过自己的努力，将以语言、文字为载体所承载的人类意义转化为自己心理意义的过程。有意义学习的实质，就是符号代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当观念建立非人为和实质性的联系。有意义学习后的心理结构上的变化是－新知识和原有认知结构已有适当观念形成联系，这种联系是非人为的、实质性的。其二，概念和命题的运用：概念和命题的意义一旦习得，便可以在随后的学习和解决问题中运用。

第六页，共二十七页，2022年，8月28日（二）布卢姆对分类中“领会”、“运用”所做的一些解释1．“运用”是指把所学知识应用于新情境的能力，它包括概念、原理、规律、方法、理论的运用。它与“领会”的区别在于是否涉及这一项知识以外的事物。“领会”仅限于本身条件、结论的理解。“运用”则需有背景材料，构成问题情境，而且是在没有说明问题解决模式的情况下，正确地运算、操作、使用等。2．运用某事物需要“领会”被运用的方法、理论、原理或抽象概念。无论奥苏贝尔还是布卢姆，均将“运用知识”和“领会知识的意义”视作两种不同类型的学习或者学习层次而加以区分。布卢姆认为“运用”定理、概念和方法的前提是“领会”，也就是奥苏贝尔所称的习得命题的意义；“运用”是通过在新情景解决新问题而体现的，问题主要是运用该定理就可以解决的。第七页，共二十七页，2022年，8月28日（三）物理概念和规律学习的阶段第一阶段：物理概念和规律意义的学习。学习后学生可以用自己的语言陈述内容并举出符合概念和规律的实例-外显表现为“能说”。进行的学习是意义学习，学习后的外显行为是能用自己的语言陈述，并举例。第二阶段：物理概念和规律的“运用”。学习后学生能需要的场合正确运用该概念或规律解决问题。比如，通常我们说学生习得了“牛顿第二定理”，学生的外显行为有两方面：学生能够用自己的语言陈述“牛顿第二定理”的内容，并举出符合牛顿第二定理的实例；学生能够运用牛顿第二定理解决简单的问题（即主要运用该定理就可以解决的问题），出现的用牛顿第二定律解决问题的行为（内部思维活动），这一行为是受定理本身支配的，加涅称为这种行为为规则支配行为。第八页，共二十七页，2022年，8月28日三、物理概念和规律意义的习得方式（一）探索因果联系的归纳法1．求同策略：是通过考察被破究现象出现的若干场合确定在各个场合先行情况中是否只有另外一个情况是共同的，如果是，那么这个共同情况与被研究的现象之间有因果联系。2．差异策略：是通过考察被研究的现象出现和不出现的两个场合，确定在这两个场合中是否只有另外一个情况不同，如果是，那么这个不同情况与被研究现象之间有因果联系。场合 先行情况 被研究现象 1 A、B、C a

2 A、D、E a 3 A、F、G a 所以，A是a有关场合 先行情况 被研究现象

1 A、B、C、D a

2 B、C、D 所以，A与a有关第九页，共二十七页，2022年，8月28日3．共变策略：是通过考察被研究现象发生变化的若干场合中，确定是否只有一个情况发生相应变化，如果是，那么这个发生了相应变化的情况与被研究现象之间存在联系。其结构可以如下表示：

4．剩余法：如果某一复合现象是由另一复合原因所引起的，那么把其中确认有因果联系的部分减去，则剩下的部分也必然有因果联系。剩余法可用下述公式来表示：已知复合现象F(A、B、C)是被研究现象K(a、b、c)的原因已知，B是b的原因

C是c的原因所以，A是a的原因(或部分原因)5．求同求异并用法：考察两组事例，一组是由被研究现象出现的若干场合组成的，称为正事例组；一组是由被研究现象不出现的若干场合组成的，称为负事例组。如果在正事例组的各场合中只有一个共同的情况并且它在负事例组的各场合中又都不存在，那么，这个情况就是被研究现象的原因。场合 先行情况 被研究现象

1 A1、B、C a1

2 A2、B、C a2

3 A3、B、C a3

所以，A与a有关第十页，共二十七页，2022年，8月28日（二）案例分析物理概念和规律是通过物理概念间本质必然联系界定。学生学习物理概念和规律，第一步就是学生通过自己的思维活动形成上述概念间的联系。学生主要运用逻辑推理方式形成联系，主要的逻辑推理有归纳推理中的穆勒五法、演绎推理中的假言推理。1.求同法案例一要得出的结论：力是产生加速度的原因。推理结构场合

结果

条件

1列车速度增大（有加速度）受牵引力2列车速度减少（有加速度）受阻力3炮弹运动速度的方向不断发生变化（有加速度）受重力所以，力是物体产生加速度的原因。第十一页，共二十七页，2022年，8月28日2.差异法案例二，获得的结论是：物体发出声音与物体振动有关。获得结构如图，获得沸腾需要吸收热量、声音可借助空气传播、相对运动产生感生电流、通电导线周围存在磁场、物体做曲线运动需要物体所受合力与它的速度方向不在同一直线上、乐音需要物体做周期性振动等等结论均可使用差异法获得。场合

结果

条件

1发出声音小球跳动——说明音叉振动2没有声音小球不跳动——说明音叉没有振动所以，物体发出声音与物体振动有关第十二页，共二十七页，2022年，8月28日3.共变法案例三获得的结论是：导电物质的电阻大小跟导线长度有关、导电物质的电阻大小跟导线横截面积有关、导电物质的电阻大小跟材料种类有关。推理结构（以“导电物质的电阻大小跟导线长度有关”为例）共变策略是物理教学中最常使用的归纳方法，研究a与F、a与m的关系；研究P与V、P与T、V与T的关系；研究F向与v、F向与r的关系；研究压强P与压力F、受力面积的关系、研究影响蒸发快慢的因素等等。共变策略是物理研究方法中控制变量法的逻辑基础。场合

结果

条件

1灯泡较暗——说明电阻较大导线A接入导线较长2灯泡较亮——说明电阻较小导线B接入导线较短所以，导电物质的电阻大小跟导线长度有关。第十三页，共二十七页，2022年，8月28日4.演绎推理案例四需要得出的结论是：单摆的振动是简谐振动推理结构（运用演绎策略中的肯定前件式而获得的）进一步分析，在获得F=-(mg/l)x，需要依次完成以下基本步骤1．确定小球是做振动；2．确定小球平衡位置；3．确定单摆小球回复力方向；4．确定小球所受力；5．确定小球的回复力-分解小球所受力分解出切向力，并计算；6．确定单摆小球偏离竖直方向的角度与小球偏离平衡位置的距离x、单摆长l间的关系；7．确定小球做简谐振动。如果振子受到的回复力满足F=-kx，则振子做简谐振动单摆振动回复力F=-(mg/l)x，(mg/l)可用常数k表示所以，单摆的振动(<5o)是简谐振动第十四页，共二十七页，2022年，8月28日第一步，确定单摆小球做振动，所需推理为演绎推理，如下第三步，确定单摆小球回复力方向学生在获得“单摆小球做简谐振动”这一结论时，需要完成一系列的演绎推理。实际教学中，物理概念和规律的获得一般需要运用多个推理才能完成，相关案例可看教材如果物体在某一中心位置两侧做往复运动，则物体做机械运动单摆小球做往复运动所以，单摆小球是做振动如果是振动物体受到的回复力，则该力与物体位移同线、方向相反，使物体返回平衡位置单摆小球做沿圆弧运动所以，单摆小球的回复力应沿圆弧，并指向平衡位置O-即沿圆弧切线方向第十五页，共二十七页，2022年，8月28日四、物理概念和规律的教学一、归纳推理与相应的教学结构1.求同法相应的教学过程和结构如果学习者能够使用求同策略，必然需要学习者能够1.1从若干场合中识别出被研究现象（结果）1.2从上述场合中识别出其中有很多变化因素，但是存在一个共同因素。如果是使用求同策略获得的物理结论，教师在教学中必然应包含如下教学环节(1)帮助学生从若干教学实例中识别出被研究现象（结果）；(2)帮助学生从上述教学实例中识别出其中有很多变化因素，但是存在一个共同因素；(3)帮助学生形成结论结论。第十六页，共二十七页，2022年，8月28日（二）差异策略的教学结构依据差异法的逻辑结构（差异法的逻辑结构见第四章第一节相关内容），可知，如果学习者能够使用差异策略，必然需要学习者能够1．从两个场合中的一个场合中识别出被研究现象（结果），而另一个场合中结果不出现。2．从结果出现的场合中识别出一个因素，而该因素在结果不出现的场合中也不存在。如果是使用差异策略获得的物理结论，教师在教学中必然应包含如下教学环节：(1)帮助学生从教学实例中识别出其中一个场合中存在被研究现象（结果），而另一个场合中结果不出现；(2)帮助学生从上述教学实例中，在结果出现的场合中识别出一个因素，而该因素在结果不出现的场合中也不存在；(3)帮助学生形成结论结论。第十七页，共二十七页，2022年，8月28日（三）共变策略和相应的教学结构依据共变法的逻辑结构，可知如果学习者能够使用共变策略，必然需要学习者能够1．从场合中识别出被研究现象（结果）发生程度变化；2．从场合中识别出有许多因素没有发生变化，但有一个因素也发生程度上的变化。如果是使用共变策略获得的物理结论，教师在教学中必然应包含如下教学环节：(1)帮助学生从教学实例的场合中识别出被研究现象（结果）发生程度上的变化；(2)帮助学生从上述场合中识别出有许多因素没有发生变化，但有一个因素也发生程度上的变化；(3)帮助学生形成结论结论。第十八页，共二十七页，2022年，8月28日案例分析1.案例需要得出的结论：液体内部向各个方向均有压强；液体内部同一深度，压强大小相等；液体内部压强与深度有关，越深，压强越大；及压强计的工作原理—（U形连通器两管液面高度差与金属探头上薄膜受到压强有关，且压强越大，高度差越大）。2.教学过程分析获得结论：U形连通器两管液面高度差与金属探头上薄膜受到压强有关，且压强越大，高度差越大）获得结论使用共变法，教学中，必须的教学过程应包括：

（1）引导学生分析实验中的条件，帮助学生识别或体验出实验中变化的条件-探头薄膜受到压强（2.1中，步骤②～③，此处教师用较明确的语言引领学生关注）；（2）引导学生分析实验中结果的变化，帮助学生识别出实验中压强计两管液面高度差发生变化（2.1中，步骤①～④，学生回答）；（3）引导学生获得结论（2.1中，步骤⑤）。实验条件结果1手不按—薄膜不受压强两管液面相平2手用较小的力量按—薄膜受较小压强两管液面出现高度差3手用较大的力量按—薄膜受较大压强两管液面出现较大高度差所以，U形连通器两管液面高度差与金属探头上薄膜受到压强有关，且压强越大，高度差越大）第十九页，共二十七页，2022年，8月28日二、演绎策略和相应的教学结构1．演绎策略有些物理概念和规律需要运用演绎推理来获得。演绎推理一般均可表示为三段论形式，即推理由大前提、小前提、结论构成。2．演绎策略相应的教学结构显然对于演绎推理，在进行推理时，大前提必为已知，否则无法进行推理。这样一来，运用演绎策略的方式有两种：方式1给出小前提，推出相应的结论。方式2明确所要推出的结论，寻找相应的小前提。第二十页，共二十七页，2022年，8月28日案例分析在教学案例二中，④~⑤问答，学生能够正确回答需要完成一个演绎推理。⑦问答，学生能够正确回答“还应受竖直向上的力”，实际需要完成一个演绎推理。如果物体静止，物体必受平衡力作用瓶子仅受重力，则瓶子受力不平衡所以，瓶子仅受重力，瓶子不能保持静止物体保持静止，物体受平衡力作用瓶子保持静止瓶子受平衡力作用一对平衡力，则两个力的方向必相反瓶子在竖直方向受平衡力瓶子在竖直方向上受力相反瓶子所受重力方向竖直向下与重力平衡的力方向必竖直向上第二十一页，共二十七页，2022年，8月28日五、物理教学的逻辑性和启发式教学一、启发式教学与讲授式教学讲授法教学是指教师通过语言连贯系统地向学生传授知识的方法。启发式教学就是教师努力激发学生的求知欲和学习兴趣，引导学生积极开展思维活动，主动获得知识的教学方式。第二十二页，共二十七页，2022年，8月28日二、教学实例一分析1．获得的结论相同：二力平衡需要二力同线2．获得物理结论所用的推理策略相同场合先行条件结果实验一两个力满足等大、反向、同物、同线小车静止--二力平衡实验二两个力满足等大、反向、同物小车运动--二力不平衡所以，二力平衡需要二力同线这个条件。第二十三页，共二十七页，2022年，8月28日3.教学方式不同(1)方式1中，教师引导学生分析并获得结果的变化情况实验1中小车静止，二力平衡，步骤②实验2中小车转动-不静止，二力不平衡，步骤⑥教师引导学生分析并获得条件中的变化情况

步骤⑧实验一，小车受的两个力方向在一条线上实验二，小车受的两个力方向不在一条线在这些正确运用差异法的条件学生分析获得以后，教师引导学生得出结论步骤⑨即在教师引导下，由学生分析获得完成推理需要的条件，并完成推理(2)方式2中，教师在教学中清楚地向学生呈现两种实验过程，并自己分析出其中一次实验中结果（受力平衡）出现，另一次实验中结果（受力平衡）不出现――即受力不平衡，并且还分析清楚，两次实验的条件中有一些相同，但两次实验的条件中有一个因素不同（受力同线与否），在上述分析基础上合理地得出结论。

第二十四页，共二十七页，2022年，8月28日3．启发式教学、传授式教学、注入式教学通过上面的分析，我们可以看出上面两个教学实例中，其教学过程具有相同的方面：(1)

教学方法采用的都是讲授法(2)教学活动的过程都遵循了差异策略的逻辑过程，这样在教学中就能够体现出很强的逻辑性。教师没有遵循该逻辑过程，则教学将为“注入式”教学不同的方面：教学中完成这个逻辑过程的主体是不同的(1)教学实例一中，逻辑过程是在教师的引导下由学生自己来完成，这种教学过程符合“启发式教学”