物理概念形成的教學程序研究
物理概念形成的教學，既是一個認識論問題，又是一個方法論問題；既是一個心理學問題，又是一個教育學問題。本節將在“物理概念形成”研究的基礎上，討論“物理概念形成的教學程序”，然後，具體研究“能”概念形成的教學程序問題。
一物理概念形成的教學程序
從認識論角度看，物理概念形成包括：“感知活動”、“係統結構”和“科學方法”；從科學方法論角度看，物理概念形成要掌握：“具體方法”、“邏輯方法”和“分析解決問題方法”；從心理學角度看，物理概念形成的思維過程是：“提出問題”、“討論問題”和“解決問題”；從教育學角度看，物理概念形成的教學實質是由“教材”、“教師”和“學生”構成係統信息輸入、信息輸出和信息反饋的過程。總之，物理概念形成的教學程序是一個複雜的、多因素的、係統的問題，它應包括“感知活動”、“建構係統結構”、“掌握方法”、“鞏固深化”和“評價反饋”五個基本環節，將各個環節的基本要素歸納入表7－4中。
表7－4
教學環節
基本內容
感知活動
提出問題導讀教材觀察實驗
建構結構
概念結構數學結構知識結構
掌握方法
具體方法邏輯方法分析解決問題方法
鞏固深化
概念發展方法應用能力轉化
評價反饋
課堂評價反饋課後評價反饋階段評價反饋
1.感知活動
感知活動是物理概念形成的教學程序基礎，它包括“提出問題”、“導讀教材”和“觀察實驗”。而這三個要素都必須圍繞以豐富學生的感性認識為前提。
例如，高中物理“簡諧振動”教學，見《高級中學課本（試驗本）·物理》（第一冊）（人民教育出版社1993年版），在列舉鍾擺的擺動、水上浮標的上下浮動、擔物行走時扁擔的顫動、樹梢在微風中的搖擺和演示“豎直方向的彈簧振子的振動”後，提出了“簡揩振動”的概念。
教材中提供了簡諧振動實例，教師應編寫好閱讀提綱，提綱應具備簡明性、層次性、思考性、啟發性，能體現教材的主要知識點，能幫助學生抓住重難點，通過閱讀教材，培養學生的自學能力。思考題可以設計為：（1）什麼叫機械振動？它的特征是什麼？試舉例說明哪些物體運動是機械振動？（2）彈簧振子怎樣構成？試分析水平方向的彈簧振子的振動過程中位移、速度、加速度、回複力的變化規律，並填寫入教材的表格中。（3）什麼叫簡諧振動？簡諧振動的產生條件是什麼？學生通過學習教材，形成簡諧振動（彈簧振子的振動）的靜態過程圖。
教師還應演示“彈簧振子的振動”實驗，並讓學生觀察“振子”往複運動一周的運動情況，使學生形成“彈簧振子的振動”的動態過程圖，便於分析出簡諧振動的運動特征。因此，課堂上的觀察實驗，有利於培養學生的觀察能力和分析問題的能力，有助於物理概念的形成。
2.建構結構
建構係統結構是物理概念形成的教學程序的關鍵。一個物理概念是否建立，是否完善，關鍵是此概念對應的係統結構是否形成，是否完整。係統結構包括“概念結構”、“數學結構”和“知識結構”。
例如，“簡諧振動”的“概念結構”是由簡諧振動的定義、簡諧振動的運動學特征、動力學特征、能量特征等構成；其“數學結構”包括回複力公
括了“周期、頻率、振幅”、“單擺運動規律”等。
3.掌握方法
掌握方法是物理概念形成的教學程序的手段，它包括“具體方法”、“邏輯方法”、“分析解決問題方法”。物理概念的形成涉及到了“物理方法”的掌握。“簡諧振動”概念教學涉及到實驗方法、觀察方法、單擺測重力加速度的方法、分析歸納方法、數學方法、近似處理方法等，教學中要充分重視這些方法的應用和掌握。
4.鞏固深化
鞏固深化是物理概念形成的教學程序的必要措施。它是指學生把所建立的概念和規律牢牢地保持在記憶裏，並不斷豐富概念的內容，發展物理概念的外延，並能順利應用知識解決物理問題和順利地接受新知識。它包括“概念發展”、“方法應用”和“能力轉化”。
概念發展是指隨著教學對象層次不同、知識水平不同，概念同化再增加，知識的深度逐漸深入，概念的抽象性、精確性也在不斷發展。方法應用是指教學過程中不斷應用概念形成的科學方法，去建立新概念和解決新問題。能力轉化是指鞏固深化中，學生知識掌握和方法應用的同時，培養各種能力。
例如“單擺運動”的研究，可以加深學生對“簡諧振動”概念的理解，建議教學中可以證明單擺運動是簡諧振動。而且，要求學生理解“單擺”是一種理想化物理模型，並體會到數學方法、近似處理方法的應用。從而培養學生分析解決物理問題的能力。教學中還可在“單擺”教學後，設置下麵的例3習題，以進一步鞏固深化“簡諧振動”概念。
例3如圖7－8所示，在豎直懸掛的彈簧下端，掛一重錘，向下拉一下重錘放開手，重錘應以原來靜止的位置為中心上下做往複運動。試證明重錘的運動為簡諧振動。
解答習題是一個創造性過程，而解題方法往往對應著科學方法。理想化方法、類比方法、外推法、極值法、近似法、估算法、猜測方法、分析綜合法、隔離與整體方法、數學方法等，在解習題中常常用到。例3中，首先，要讓學生用類比方法，把“豎直方向的彈簧振子”與“水平方向的彈簧振子”、“單擺”進行比較；其次，要求學生把物理問題數學化，設置必要的條件；再次，運用數學方法證明。
5.評價反饋
評價反饋是物理概念形成的教學程序的重要補充。評價是根據一定的標準對教育過程中所產生（或將產生）的思想、學業、行為和個性等方麵的變化（或變化的可能性）進行估價的過程。物理概念形成的教學評價是，根據教學目的，對學生學習成就上的變化作出估價的過程。反饋是學生在教學過程輸出信息並對教與學進行有效控製的過程。因此，評價是實現反饋的前提，反饋是評價的目的所在，隻有有效的評價，才能實現有效的反饋。
物理概念教學中，評價反饋是對學生的物理概念掌握情況和能力水平進行估價，從而調整、控製概念教學過程。但評價反饋並非是物理概念形成的最終環節，而是使物理概念形成上升到深刻的認識循環上去。評價反饋應在概念形成的各個環節中不斷實施，及時評價反饋，提高物理概念形成的教學效益。我們認為評價反饋分為以下幾種：
（1）課堂評價反饋。
要提高課堂概念教學質量，及時實現課堂評價反饋是一種有效的途徑。首先，概念教學要改變“滿堂灌”的教學方法，要善於啟發學生積極思考，觀察學生的各種語言的、動作的、情感的表現，抓住反饋信息及時調整教學進度、內容和方法；其次，課堂上要講練結合，通過學生練習和講評及時評價反饋；再次，加強師生之間的信息交流，通過討論、回答問題等實現評價反饋。
（2）課後評價反饋。
學生作業情況是課後評價反饋的主要途徑，教師認真分析、統計學生作業中的錯誤，對存在的主要問題及時評講，並要求學生自行改錯。對個別學生存在的問題，要及時進行個別輔導。
（3）階段評價反饋。
通過精心設計階段性測試試卷和學生問卷調查，對階段教學情況，進行調查、分析，有效實現評價反饋。但要防止頻頻考試、題海戰，使評價反饋陷入加重學生負擔的誤區。
二“能”概念形成的教學研究的重要性
“能”概念是物理學的基本概念，因此，物理教學中要把“能”概念形成研究作為重要內容。下麵，我們先從“能”概念的教學結構分析出發，探討“能”概念形成研究的重要性，進而闡述“能”概念形成中的幾個基本問題。
1.“能”概念的教學結構
教學的基本內容及其相互聯係，即教學結構。“能”概念的教學結構，即能的基本概念和基本規律，以及這些概念和規律的相互聯係。
分析教學結構的好處在於：
——有助於給予學生比較係統的知識。
——有助於分清主次、突出重點、抓住關鍵。
——有助於教師控製教學的深度和廣度。
——有助於啟發學生主動學習。
——有助於加深學生的記憶和應用。
綜上所述，分析教學結構是十分重要的。下麵，我們分析“能”概念的兩種層次的教學結構。
（1）初等水平的“能”概念結構。
圖7－9是初等水平的“能”概念結構，即初中物理中的“能”概念結構。它具有以下特點：第一，“能”知識結構完整，包括了物理學中研究各種形式的運動對應著的能，並闡述了能量轉化和守恒觀點。第二，“能”的概念建立是在“功”概念基礎上逐步形成的。第三，定量計算少，而定性討論多。教材建立了熱量的計算：Q=cm（t-t0），燃料燃燒產生熱量計算：Q=qm，焦爾定律公式：Q=I2Rt。第四，重點研究能源的開發和利用，使學生初步建立能量觀點，並能初步用能量觀點研究物理學問題、社會問題。
（2）中等水平的“能”概念結構。
圖7－10是中等水平的“能”概念結構，即高中物理中的“能”概念結構。它具有如下的特點：第一“能”概念結構的完整性。物理學中“力”概念和“能量”概念是貫穿整個物理學的兩條主線，以這兩個概念為線索，把經典物理學構成了一個完美的係統結構。“能”概念對應著物質運動的不同形式，化學運動中具有化學能；生物運動中具有生物能。第二，“功”概念是“能”概念形成的基礎，功和能的關係揭示出了一係列的規律。如：動能定理；熱力學第一定律；焦耳定律；閉合電路的歐姆定律；光電效應方程；玻爾原子理論；愛因斯坦的質能方程。第三，“能量守恒與轉化定律”是自然界的普遍規律，它不僅運用於宏觀低速物體，而且適用於宏觀高速物體和微觀粒子。“能量”概念結構中“能的轉化和守恒定律”是一個重要內容。第四，“能量”觀點分析解決物理問題具有簡單、明確、方便等優點。教學中要培養學生從能量角度解決物理問題的能力。第五，定性討論和定量計算相結合。教學中通過功能關係、能量轉化和守恒定律的應用，培養學生應用數學知識解決物理問題的能力。
2.“能”概念形成的教學研究的重要性
“能”概念的特性；“能”概念建立的複雜性；“能”概念在中學物理中的重要地位，決定了“能”概念形成的教學研究對於指導物理教學具有重要的實踐意義。
（1）“能”概念的特性。
“能”概念是一個廣泛的物質特征的量度概念，人類社會發展變化過程中，離不開“能”。古代“彈弓”作為作戰和射獵的武器；“鑽木取火”從而實現了“火”的利用；現代“原子彈”、“氫彈”，這些都是與能概念緊密聯係的。
“能”概念具有以下的特性。
能的物質性。能是物質運動過程中做功本領大小的量度。能的存在離不開物質，並且離不開物質的運動形式。物質是不斷運動變化的，決定了能也是可以隨之轉化的。不同的物質運動形式對應著物質不同形式的能。物質的機械運動具有機械能；物質的熱運動具有內能；物質的電磁運動具有電磁能；物質的光運動具有光能；物質的化學運動具有化學能；物質的生物運動具有生物能。不管是生物體還是非生物體，不管是宏觀物體，還是微觀粒子，都具有能。
能的多樣性。物質的運動形式的多樣性決定了能的多樣性。例如，物質的機械運動，由於物體機械位置的變化對應動能、重力勢能和彈性勢能；物質的電磁運動對應的電磁能包括：電勢能，電場能，磁場能。由此可見，能概念是一個概念“集合”，具有某種運動形式的能隻是這個“集合”中的“子概念”。
能的轉化性。物質可以由一種運動形式變化到另一種運動形式，因此，對應著的能量也可以轉化，功是能量轉化的量度。正是能的轉化性決定了能才可以為人類所利用，才為人類的實踐活動提出了“能源開發”的宏偉課題。例如：水力發電、火力發電、核電站的建立等。
④能的守恒性。從守恒角度研究物理規律是重要的科學方法，使物理學發展變化中不斷揭示出：動量守恒、質量守恒、電荷守恒、核電荷數守恒、宇稱守恒等規律。能的守恒研究，把物理學從泥潭中拯救出來。對“永動機”的研究，曾花費科學家們大量的精力，能的轉化和守恒判定“第一類永動機不可能”和“第二類永動機不可能”。愛因斯坦寫道：
“普遍原理是用這樣一條定理來說明的：自然規律是這樣的，它們使（第一類和第二類）永動機的製造成為不可能。”
⑤能的社會性。能源問題是一個社會問題。能的轉化和利用滲透到人類社會的千家萬戶。我們一旦假設，“能”不能轉化和利用，那麼，我們周圍將出現多麼混亂的局麵，可以說人類將不能生存，更談不上發展。能源是社會經濟發展的命脈，一個國家和地區的經濟受到能源的製約。“能源開發”、“節約用能”、“能源危機”已經成為全球性的重要課題。“能”是社會安定的重要因素，“海灣戰爭”的實質就是“能源戰爭”，全球性範圍的能源競爭已經愈來愈突出。