从量子技术的应用看物理课堂教学中概念的建构

【摘

要】中学物理教学的一大困难便是科学概念，如何对概念进行解读，如何从众多概念中进行归纳和分类，如何以概念从存在实体中找关系、条件与根据，考验的是教学的智慧。文章从量子技术的应用谈物理课堂教学中概念的建构，以期为概念教学形成助力。【关键词】量子力学;哲学;物理概念;建构;物理教学;信息化一、物理概念的哲学思考物理学的每一次进步都是从科学概念的革新开始的，而哲学与生俱来的特性就是创造概念。随着物理学的发展，人们借助粒子加速器第一次在实验室里造出了物质，这使得聚集能量造出全新的物质粒子成为可能，这些新的发现也打破了人们关于物质不可创造的论断，大大拓展了我们对“物质”概念的认识。事实上，在证伪“每一个事件必有原因”这一命题上，量子力学获得了开创性的进展。测不准原理巧妙地回答了凡事必有因这个问题，因为我们本身也是这个无限递归的因果链条中的一环，我们的观察对象会因为我们的观察而发生改变。而这一发现也因此改变了传统理论对“因果”这一概念的机械性解释。可以说，物理学和哲学，就像一个硬币的正反面。两者都是为了探寻某种规律，只不过哲学善于创造概念，物理善于求证概念，两者相辅相成，互相冲击渗透。人类思维的火花发轫于“概念”。量子力学，包括整个物理学的发展，其实也都是从科学概念的建构和发展开始的……二、物理概念的建构和物理教学（一）否定之前的经验，建立新的科学概念物理思维最基本的单元是一个个物理概念，可见概念教学应该是我们物理教学的关键，培养学生的创造性思维、物理思想和哲学的思考，都有赖于科学概念的建构和深入。物理概念是建立在大量观察和科学实践的基础上，把事物本质的、共同的特征集中起来加以抽象概括出来的。大部分的物理概念来源于生活，也有一部分来源于数学定义，或者跟其他学科的关联。当然也有一部分来源于学生孩提时期就开始在日常经验中形成的前概念。比如：运动的物体速度越快受的力越大，受的力往哪一边运动速度就往哪一边，主动者必须施力，被动者只能受力。当然这些概念都是错误的，但是它已经深深地植入人们的意识中，所以概念教学首先要破除前概念这个障碍。例如，在力的概念教学中，我们经常碰到一个问题——到底力是什么？查询书本的定义：力是物体间的相互作用。那么究竟是个什么作用，好像话没有说完，总感觉如鲠在喉，意犹未尽。联想到力的英文force也有强迫、迫使的意思，那么力迫使物体发生了怎么样的改变？利用实验学生很容易发现力迫使物体的运动状态发生了改变。实践表明，破除前概念如果只靠教师简单地讲授，告诉学生原来的想法错了;或者简单地做实验演示，学生往往很难接受，也想不通，因为这些前概念恰恰来自他们以前的经验。只有通过设计新的实验，让学生獲得新的经验，他们才会否定之前的经验，并建立新的科学概念。同时，由于学生掌握的生活经验、知识结构、年龄等有所不同，这对有效建构概念具有一定影响。（二）放手让学生经历探索，形成正确经验物理教学应该注意营造宽松民主的学习氛围。学生的概念建构过程，是一个将获得的新信息、新经验和原来已有的知识结构、经验结构进行激烈碰撞的过程，而不是把教师的讲授简单记忆储存的过程。就好比量子力学诞生之初，对原有理论体系的冲击碰撞，需经过不断发现和验证，去伪存真，进而发生全面深刻的概念革新，推动物理学的进步与发展。学生的认知过程从某种意义上说跟整个人类社会的认知过程有相通的地方，都是一个螺旋式上升的过程。教师可以按照建构主义理论，放手让学生自己经历探索的过程，形成新的正确的经验，以建构自己新的概念和知识结构。比如，教学“惯性概念”时，最常用的例子是：汽车刹车后不能马上停下来，竖直上抛的乒乓球在重力作用下继续向上运动等。事实上，这些例子中的物体都受到了阻力的作用，此时惯性主要表现在受到阻力作用而不能马上停下。再比如我们书本上的演示实验，用尺子敲走一叠棋子中的一颗，上面的棋子几乎不动，但是仔细观察可以发现上面的棋子发生了微小的位移。实际上这些例子中惯性主要体现在物体受力不能马上发生大幅度的位移。从以上例子中，我们可以引导学生自主发现一切物体的实际运动都是由受力和惯性共同决定的，进而鼓励学生用自己的方式来表述惯性。比如：惯性实际上是物体希望保持原来运动状态的一种理想，只有在不受外力的情况下，这种理想才能得以实现。如果学生能对惯性的概念理解到这一层次，对于其今后进一步学习离心运动，以及理解电磁学中的楞次定律和自感现象等类似惯性而不能瞬间突变的物理概念，将提供莫大的帮助。（三）鼓励学生小组讨论，构建物理概念之间的内在联系在物理教学过程中，我们应该鼓励学生通过小组讨论构建物理概念之间的内在联系。所谓“独学而无友，则孤陋而寡闻”。概念建构的过程是一个学生个体与外界信息不断沟通，相互作用的过程;是一个从感性认知上升到思维能动飞跃的过程;是一个同学之间思想不断碰撞，思维得以发展的过程。因此，充分的沟通和讨论是必要的。当然，在这个过程中，教师的引导点拨也是必不可少的。比如在一节电学测量的实验课堂上，我首先拆开了一对电压表和电流表，引导学生观察电表内部的构造。随后我提出一个问题：电压表、电流表以及电表不同挡位之间有什么内在的联系呢？很快各个学习小组纷纷提出自己的猜想。有的小组觉得各个电表本质上就是表头，只不过通过串联分压电阻或者并联分流电阻，实现不同的功能和挡位;但是很快又有其他学习小组提出截然相反的看法：电表本质上就是电阻，只不过有的电阻比较“土豪”，配置了显示的仪器，变成“聪明电阻”，能够报告自己的电压或者电流。很快同学们围绕着哪个小组的看法更好展开激烈的讨论，不经意间打破了关于电表和电阻之间认识上的藩篱，同时也为后续电表改装和多用电表的学习做了良好的准备。三、物理概念教学在信息化条件下的新尝试（一）组建了“线上实验室”线上教学在无形中给了我们利用信息化手段拓展物理概念教学的契机和实践探索的机会。为了方便展示和拓展演示实验，我们组建了“线上实验室”发布实验视频及其内容讲解，鼓励学生把自己拍摄的实验视频上传，并定期开展学习小组之间的互评和比赛，调动了学生的积极性。很多学生积极上传自制的实验视频，大大丰富了我们的实验资源，也延伸了我们的物理课堂，甚至还不时有意想不到的收获和惊喜。比如，在进行密度概念的教学时，我布置了“寻找生活中的密度”的课后作业，同学们纷纷上传了自己观察到的生活中的密度。结果有一个小组上传的内容中有一张是A4纸包装上的70g/m2，很快就有同学指出包装上的单位是不是印错了，应该为kg/m3或者g/cm3。当天下午就有另外一个小组的同学也上传了自己家里面另外一个品牌的A4纸的图片，显示80g/m2。除了数值不一样，单位是完全一样的，这位同学在线上留言说不同品牌的A4纸应该不可能同时印错吧。见到这个情景我找来学科班长，让他先组织同学们自主学习并寻找答案。很快就有学习小组发现面密度的概念，还有些小组查找出不同规格的铜导线的线密度。后来在密度的章节复习课上，我让物理学科班长组织了一场专题讨论，取得了很好的效果，同学们也认识到书本上的密度概念其实相当于体密度。通过信息化的教学手段，由解决学生的一个小疑问出发，我们不仅拓展了学生的知识面，引导学生对概念进行深入的哲学思考，也很大程度上丰富了密度的概念教学。（二）总结线上教学经验，丰富传统课堂教学我们除了组建“线上实验室”，还积极利用腾讯会议等信息化手段，组织学生开展线上小组学习讨论。在疫情结束后我们及时总结经验，丰富传统课堂教学，把这些好的做法延续了下来，取得了很好的效果。例如，我在上完“焦耳定律”这一节后，有一个同学就在线上小组学习的时候提出为什么欧姆定律只能用于纯电阻电路，很快引起了同学们的热烈讨論。虽然我们在课堂上已经从能量转化的角度分析了电功和电热的区别，指出在非纯电阻电路中电功大于电热，欧姆定律此时是不成立的，但是还有不少同学表示“不服”，仍然很“怀念”欧姆定律。显然这一个提问唤起了很多同学的共鸣，很快在大家你一言我一语的讨论中，有一个同学提出欧姆定律在线性电路中成立，在非线性电路中只要引入阻抗这个概念，广义的欧姆定律也成立。后来又有不少同学自己查询资料，发现了容抗、感抗等概念。在这一场物理概念的激烈碰撞中，我与同学们利用课堂上生成的资源深入讨论学习，既加深了学生对欧姆定律的理解，也引导学生对电阻这一物理概念进行深入的哲学思考。此外，我们在讲授气压这个概念之前，还尝试利用线上实验室进行空气炮实验的海选，再由海选胜出的选手参加现场组织的空气炮大赛。同学们热情参与，人气爆棚，取得了很好的成效，也为今后的创新物理概念教学进行了有益的尝试。总之，物理概念的建构作为打通物理思维的一把钥匙，体现了丰富的哲学