物理概念教學
物理概念研究
物理概念不僅是物理基礎知識的重要組成部分，而且也是構成物理規律，建立物理公式和完善物理理論的基礎和前提。所以，對物理概念的理解和認識是“物理概念教學”的出發點。我們先從一般概念的定義入手，進而研究物理概念、物理規律及其特點。
一、概念的理解
哲學範疇的“概念”，通常定義為：反映客觀事物本質屬性的思維形式。某事物的本質屬性是該事物區別於其他事物的特有的、基本的性質。“概念”反映了認識已經達到的水平，正如列寧指出的：“自然科學的結果是概念”。從教育心理學上講，“概念”是對事物本質屬性的認識，是在感覺和知覺基礎上產生的對事物的概括性認識。它是由語言、文字等符號所代表的客觀事物的關鍵屬性。所謂關鍵屬性，是指能夠區別此事物與彼事物的各種屬性，可以是本質屬性也可以是非本質的具體的屬性。與哲學意義上的概念相比較，這裏的概念都被視為客觀現實的主觀反映，是“人腦（物質的最高產物）的最高產物”（列寧語）。但是，同一事物，對兒童和成人，對小學生和大學生能夠理解的屬性是不盡相同的。這就是說，在教學過程中，學生建立的概念隻能隨著教學層次的提高而深化，與嚴格的哲學意義上的概念有所不同，教學過程中不同的階段，建立起的概念允許有不同程度的片麵性、含糊性和表麵性。
皮亞傑在《發生認識論原理》中指出：存在著一個為大家承認的一些認識理論所共有的公設，即假定：在所有認識水平上，都存在著一個在程度上知道自己的能力的主體，存在著對主體而言是作為客體而存在的客體；而首先是存在著在主體到客體、客體到主體之間起著中介作用的一些中介物（知覺或概念）。
概念是主體與客體的中介。所謂主體，是認識活動的主體，即具有思維活動的人；所謂客體，是認識活動的客體，即自然界和人類社會。皮亞傑將認識過程分為四個階段，即感知運演、前運演、具體運演、形式運演階段，則與之對應的概念為：隱概念、前概念、初概念、邏輯數學概念四個層次。
係統科學原理告訴我們，概念是係統的基本要素之一。而係統是認識活動中主體、客體、中介物構成的完整體係，係統決定著要素。因此，概念是多層次的，概念由淺入深有三個層次。第一層次，概念是兩種以上的事物的“共同特征的概念”，這就是兒童可以形成的“普通日常概念”；第二層次，概念是事物“具有的共同的關鍵屬性”，這就是兒童可以學習的“基礎學科概念”；第三層次，概念是事物的“本質屬性在人腦中的反映”，這就是達到高度抽象的“專業科學概念”。
概念具有內涵和外延兩個方麵。概念的外延是指具有該概念所反映的本質屬性的一切事物，“鳥”的外延是所有各種各樣的鳥。概念的內涵是概念所反映的事物的本質屬性的總和，鳥的概念的內涵包括鳥有羽毛和鳥是動物。概念的內涵和外延是緊密聯係、互相製約的。外延確定之後，內涵也隨之確定，反之亦然。
二、物理概念
物理概念是一般“概念”範疇的子集，它既具有一般“概念”的共性，又具有自身的特性。
1.物理概念的定義
現代西方哲學流派操作主義對物理學的發展有一定的影響。操作主義的代表人物，美國物理學家布裏奇曼認為：物理概念無非是一套操作，“概念與其相應的操作是同義語”，這裏的操作是指觀察、量度、實驗、演算的意思。按這種觀點，力不能定義為“物體間的相互作用”或“物體運動狀態改變的原因”。馬赫重新將質量定義為：兩個物體的質量
的意義，然後將質量和加速度的乘積定義為力，用公式F=ma表示，這樣力的概念就具有了操作的意義了。
皮亞傑對物理上的“操作主義”給予了恰如其分的有力批駁：
“可以肯定，在被發現之前客體也就存在著，客觀的結構本身也就存在著。但是客體和客觀結構不是在探索結束時才發現的，有如哥侖布航海發現美洲新大陸一樣，客體隻是通過被建構才被發現的，我們逐步地接近客體，但是沒有把握說終究會達到客體。”物理概念的定義服從於一般概念的定義，但它不同於一般心理學研究的普通概念，物理概念是特殊的“科學概念”。物理概念是反映物理現象、物理過程本質屬性的一種抽象，“是在大量觀察、實驗的基礎上，運用邏輯思維的方法，把一些事物本質的、共同的特征集中起來加以概括而形成的。”基於人類認識能力的無限性和認識水平的階段性，認識方法的多樣性，物理概念的定義是操作性、思辨性、模糊性和實踐性的辯證統一，物理概念在其發展中無限接近它所描述的客體。
給物理概念下定義，主要是考慮通過定義將概念所反映的客觀事物的物理性質或特征揭示出來，區別於其他概念。正如《物理學的進化》中所述：
“科學必須創造自己的語言和自己的概念，供它本身使用。科學的概念最初總是日常生活中的普通概念，但它們經過發展就完全不同。它們已經變換過了，並失去了普通語言中所帶有的含糊性質，從而獲得了嚴格的定義，這樣它們就應用於科學的思維。”
例如，建立“速度”矢量後，可用“速度”描述運動物體的運動快慢和運動方向，進而研究“速度改變”的原因，建立“加速度”概念，探索牛頓運動第二定律。
2.物理概念的內涵和外延
物理概念的內涵是反映在概念中的物理現象的本質屬性，是該事物區別於它事物的本質特征。例如，電勢是描述靜電場能的性質的物理量，其大小
同電勢能、電場強度概念不同，電勢能描述電荷在電場中所具有的勢能，用公式ε=uq來量度，其大小既與電場有關，又與引入電場中的電荷電量有關。電場強度反映了靜電場力的性質的物理量，用公式
電勢和電場強度都是從不同角度描述電場性質的物理量，其反映電場本質是不同的。
物理概念的外延則是指所反映的物理現象本質屬性的對象，即通常所說的運用條件和範圍。例如，電勢的概念隻適用於靜電場，而不能用於交變電
用於非檢驗電荷，公式中的W是把檢驗電荷從無窮遠處移到電場中某點電場力所做的功。由此可見，掌握物理概念的外延就是理解物理概念的適用條件，定義式的應用範圍和公式中各個物理符號的具體物理意義。
3.物理概念的分類
物理概念是物理現象和物理過程的共同屬性和本質特征在人腦中的反映，是對物理現象和物理過程的抽象化和概括化的思維形式。從認識論角度，物理概念分為：具體概念、抽象概念和特殊概念。
（1）具體概念，是以物理現象為基礎而概括、抽象出的概念。如力、速度、加速度、折射率等。對於具體概念的建立必須在大量的物理現象、物理事實、典型實驗的基礎上，通過思維活動揭示出本質特征。
（2）抽象概念，是以物理現象和物理過程的理性認識為基礎而建立的概念。如能、場、質點、絕對黑體、光的波粒二象性等等。這類物理概念建立必須實現由感性認識到理性認識的質的飛躍。
（3）特殊概念，是以科學推理的高度思維為依據而抽象出的概念。如時間、空間等概念。特殊概念的變革往往決定了科學理論的變革。牛頓的絕對時空觀決定了經典物理學的建立，而愛因斯坦的相對時空觀是相對論建立的基礎。
從質和量的辯證關係角度，物理概念可以分為：
（1）定性概念，定性地反映物理現象和物理過程本質屬性的概念。如機械運動、機械振動、幹涉、衍射、電磁波等等。對於定性概念，通過對一類物理現象的分析、綜合，抽象出其本質特征，用語言來加以定義。如“一個物體相對於其他物體的位置的變化叫做機械運動”。
（2）定量概念，定量地反映物理現象和過程本質屬性的概念。如速度、加速度、電場強度、電勢、磁感應強度、磁通量等等。我們把這類物理概念稱為物理量。物理量既反映出物理現象的質的特征，又從量的角度反映物理現象的性質。物理學是研究物理現象和物質結構的基本規律的一門科學，物理學具有嚴密的數學體係，因此，物理量是物理概念的重要組成部分，定量地描述物理規律離不開物理量。
4.物理概念的特性
物理概念既有一般科學概念的共性，又有自身的個性。概括起來，物理概念具有如下的特性。
（1）物理概念的客觀性。物理概念賴以產生的源泉是物理觀察和科學實驗，特別是那些具有普通意義的物理概念更離不開相應的物理實驗。同時，在實驗驗證和實際應用中，物理概念的內容和表達更加豐富和完善。
（2）物理概念的抽象性。物理概念源於實踐，但卻高於實踐。它與具體的客體和過程有其密切聯係，但又超脫了具體的事物和過程。如力的概念，能的概念，場的概念。
（3）物理概念的可測性。絕大多數物理概念不僅具有質的規定性，而且具有量的可測性。如力、速度、質量、溫度、電阻率等等，物理量可用簡捷的數學公式來表達。
（4）物理概念的發展性。物理概念隨著人們掌握物理知識的不斷增加，研究物理問題的不斷深入不斷的變化和發展。例如：從質量概念來看：第一，物體所含物質的多少叫做物體的質量，這種提法通俗易懂。初中階段的學生容易接受。第二，質量是物體慣性大小的量度，這是
三，質量是物體產生引力和受引力場作用能力大小的量度。這是由萬有引力
質量。第四，質量是作為物體所蘊藏的能量的量度。這是從相對論的質能方程E=mc2提出的。物質的質量和能量之間存在著必然聯係——能量質量。
三物理量
物理量是能夠定量地反映客觀事物（物體、物質、物理現象、物理過程、物理事實）的物理性質或特征的物理概念。它是應研究物理問題的需要而引入的。如電場強度的引入，是研究電場性質時，電荷放在電場中受到電場對電荷的力的作用，為了反映電場的力的性質而引入一個物理量——電場強度。
定義一個物理量要符合下述兩個要求：定義的結果應該跟引用該量的目的一致起來；定義本身符合事物的客觀實際，即定義所得到的量值受客觀事物的屬性所製約，事物給定，其量值不變，事物不同，其量值不同。如電場強度的定義，為了不引起原電場性質的變化，引入“檢驗電荷”在電場中的某點，檢驗電荷受到的電場力F與其電量q的比值，是一個恒量，恒量的大
了電場本身的力的性質，描述了電場強弱程度，定義符合客觀實際，受場中位置製約。物理量的定義可用數學公式表達出來，這就叫物理量的定義式。
場的強弱，並借助於此公式進行有關的計算。但是，電場中某點的電場強度決定於什麼呢？這需要進一步探索電場強度的量度
式表明了點電荷形成電場，電場強度的大小與點電荷的電量成正比，與場中某點距點電荷的距離的平方成反比，即E的大小決定於點電荷電量Q和與
場中某兩點的電勢差和沿電力線方向的距離。理解電場強度的概念應當把定義式和量度式加以區別。
電場強度，跟電場力成正比，跟檢驗電荷的電量成反比，顯然是錯誤的，這屬於對物理概念的物理意義不清楚。對於給定的電場中的點，電場強度是不變的，跟檢驗電荷的電量和它所受的電場力的大小無關。這裏涉及到數學與物理的關係問題。數學是一門抽象的科學，而物理學是一門具體的科學。在數學裏，
係依然存在。物理則不同，物理公式中每一文字符號都有確定的意義。公式
力與電場強度和電荷的電量存在著函數關係了。
物理量若是矢量，定義式不僅決定了各物理量的數量關係，而且，還定
荷在該點所受的電場力的方向。而且，電場強度的單位由力的單位和電量的單位決定，所以，電場強度單位為“N／C”，若E=1N／C，物理意義為：將檢驗電荷電量為1庫放在場中某點受到的電場力恰為1牛。
四、物理規律
物理規律是自然界中物理客體本質屬性的內在聯係，是事物發展和變化趨勢的反映。同物理概念相比，物理規律是人們對物理客體的高層次認識，是理性認識階段的產物。是物理概念發展的必然結果，物理概念是物理規律建立的基礎和前提。物理規律不僅有助於物理概念的理解，而且往往引導人們發現客體的未知屬性，並形成新的物理概念。
物理規律的建立過程，歸納起來有兩種形式。一種是綜合方式，在實驗事實和數據的基礎上，通過加工總結、概括出物理規律，通常稱為物理定律。例如牛頓運動定律、能的轉化和守恒定律、楞次定律、光的折射定律等等。二是分析方式，即在已有的概念和定律的基礎上，運用數學工具推導出新的物理規律，通常稱為物理定理。如動量定理、動能定理、理想氣體狀態方程等。
對於物理規律，首先，要弄清規律的建立過程，通過哪些實例、實驗和分析推理過程，揭示出了哪幾個物理量的關係。如牛頓第二定律的建立，應在演示實驗和學生實驗的基礎上歸納得出，它揭示力和物體運動狀態的改變之間的定量關係，反映了物體運動的加速度與所受合外力成正比，與物體質量成反比。力是決定物體加速度的外因，質量是決定物體加速度的內因。理解加速度與力之間的瞬時關係、方向關係。在此基礎上加深對加速度、力、質量概念的理解。
其次，理解物理規律的數學表達式的物理意義。定律的公式反映客觀規律，表明了各物理量之間實際存在著的函數關係，公式作適當的變換，反映
但通常可以把牛頓第二定律寫成F=ma。分析F=ma容易看出，當m一定時，a與F成正比；當F一定時，a與m成反比。除了用數學公式描述物理規律外，還可用數學圖像，對於m一定，可以建立a－F
再次，理解物理規律的適用範圍和成立條件。例如，牛頓第二定律，對於宏觀低速物體的運動是很準確成立的；但對於微觀世界，對於質點運動的速度可以與光速相比擬的情形，牛頓第二定律不適用了，得讓位於量子力學和相對論了。但是，量子力學和相對論不是否定了牛頓力學，而是在肯定基礎上的否定，新的理論使牛頓力學得到進一步的深化。另外，在高中階段，牛頓第二定律隻在慣性參照係中成立，對於非慣性係，牛頓第二定律要修正後才能應用。
物理概念形成
物理概念反映著人類對物理世界漫長而艱難的智力活動曆程，是人類智慧的結晶，它又使人們在紛繁複雜的物理世界中，把握事物的本質特征，成為物理思維的基本單位和有力工具。借助於這種簡約、概括的思維形式，人們找到了支配複雜的物理世界的簡單規律，建立起了假說、模型和測量方法體係，從而築起了宏偉的物理學理論大廈。所以，物理概念是物理理論的基石和精髓。沒有精確、嚴密、科學的物理概念，也就沒有定量的物理學。
物理概念形成包括兩種層次：其一，是科學家們創立物理概念的過程；其二，是學生建立物理概念的過程。從認識論角度看，兩種層次的物理概念形成都是對物理世界的認識過程，它們是一致的、統一的。既以感覺、知覺和表象為基礎，通過分析、綜合，抽象、概括等思維活動，從個別到一般，從具體到抽象，從知識到應用，逐步把握物理現象和物理過程的本質的認識過程。本節我們將從認識論、方法論、心理學、教學論等角度闡述物理概念形成的特征。
一、物理概念形成的認識論問題
將物理概念形成的“實踐論模式”、“發生認識論模式”、“科學認識論模式”綜合起來，得到物理概念形成的“係統關聯模式”。用數學函數符號表示為下列公式：
物理概念形成=f（感知活動，觀察實驗，經驗事實；邏輯數學結構；問題解決，科學方法，觀測證實）
把上式中各要素歸類可知，物理概念形成應包括三大要素，第一大要素是：物理概念形成的基礎，即“感知活動”；第二大要素是：物理概念形成的形式，即“邏輯數學結構”；第三大要素是：物理概念形成的方法，即“問題方法”。我們將這些要素歸納在下列表7－1中。
表7－1
要素
子要素
概念
基礎
感知活動、觀察實驗、經驗事實
隱概念、前概念、初概念
形式
概念結構、數學結構、知識結構
邏輯數學概念
方法
問題解決、科學方法、觀測證實
科學物理概念
下麵我們分別就物理概念形成的三大要素加以闡述。
1.物理概念形成的基礎
物理概念是對物理現象、物理過程的抽象而建立的。必須通過感知活動、觀察實驗、經驗事實一係列的實踐活動，才能獲得研究的物理問題的感性材料。
（1）感知活動。
是指學生在日常生活和生產勞動中獲得感性材料的過程。由於學生認識的局限性，難以從大量的實例中揭示物理現象的本質特征，或者物理現象的非本質特點掩蓋了本質特點，使學生獲得有關問題的錯誤觀點，形成“隱概念”、“前概念”和“初概念”。我們在物理概念形成中充分利用學生具備的感性知識這一巨大的寶貴財富，實現隱概念、前概念、初概念向物理概念的轉化。例如，力的合成中，學生根據日常生活經驗形成了“合力就等於兩個分力之和（代數和）”，“合力大小大於分力大小”等經驗知識，教學中要重視它們的轉化，根據力的平行四邊形法則，闡述清楚上述結論隻在一定的條件下成立。教學中可以先由實驗總結出平行四邊形法則，否定上述的結論，然後，再由力運算法則討論上述結論的合理性。
（2）觀察實驗。
觀察實驗是指在物理概念形成教學中，有計劃、有目的地為物理概念的建立提供科學的感性認識。它是學生由感性認識上升到理性認識的基礎。觀察實驗可以分為定性實驗和定量實驗，探索性實驗和驗證性實驗，演示實驗和學生實驗。教學中，教師要根據物理概念形成的需要，精心設計實驗，同一概念教學，往往涉及到各種類型的實驗。例如，共點力的合成教學中，為建立合力和分力概念，首先設計定性實驗：用兩根互成角度的橡皮條懸掛重物。然後，設計定量的演示實驗，最後，由學生親自動手操作實驗。經過這幾個實驗，學生很容易建立合力、分力的概念，並總結出力的合成遵循的平行四邊形法則。
（3）經驗事實。
經驗事實是指前人在研究物理問題或從事生產實踐中的典型的物理現象和物理實驗。對物理概念形成具有突出現象本質的特點，但是，學生又不很熟悉，課堂上無法進行實驗觀察。在教學中充分利用教材和教師的講授，闡述經驗事實，從而使學生獲得感性材料。例如，力的分解教學中，教材首先舉例：
“拖拉機拉犁耕地，劉犁的拉力F是斜向上方的，這個力產生兩個效果：使犁克服泥土的阻力前進，同時把犁上提，這兩個效果相當於兩個力的產生的：一個水平的力F1使犁前進，一個豎直向上的力F2把犁上提。”
通過此例，闡述清楚根據力的作用效果來進行力的分解。
2.物理概念形成的形式
物理概念形成的最終表現，就是建立“邏輯數學結構”，它包括“概念結構”、“數學結構”和“知識結構”。布魯納在《認識論》一文中說：知識是我們經驗中的規律性以意義和結構而組成的一個模式。知識體係的組織意味著經驗的簡約與聯係的構造。
對於學科結構的作用，布魯納認為：
第一，掌握了學科結構，就可以更容易的理解學科的內容和本質；第二，有助於對知識的記憶和再生，以聯係去把握知識；第三，有助於知識的遷移；第四，有助於激起興趣和引起思維。
“概念結構”、“數學結構”、“知識結構”三個要素，互相聯係，互為補充，層層深化，從而構成物理概念形成的“係統結構”：
（1）概念結構。
物理概念結構是由若幹要素構成。在感知活動的基礎上，通過應用科學方法進行思維活動，揭示出物理概念的若幹要素，形成科學的物理概念。
首先，揭示概念本質特征，實現觀念上的突破。例如，講授向心力概念時，一般都做線係小球在水平麵上做勻速圓周運動實驗，並以月球繞地球運動為例，使學生獲得印象：向心力是指向圓心的。但是，施向心力的物體卻不一定位於圓心，也不一定是單個物體施加的。所以，應著重揭示向心力的本質：它不是什麼新類型的力，而是彈力、摩擦力、重力等中的一個，或者幾個力的合力。
其次，明確概念的定義。概念的定義可啟發學生用恰當、簡潔的文字準確地表達概念的本質屬性，對於物理量還應給出定義式，明確定義式中各符號的意義和各量的單位。例如，速度概念定義為：速度是運動物體的位移跟
位是由位移和時間的單位導出的。
第三，理解概念的物理意義。在定義概念後，討論概念的內涵和外延，用途和適用範圍，定義式和量度式的區別，從不同角度對概念進行深化和擴展。例如，高中物理“簡諧振動”定義為：“物體在跟位移成正比的並且總是指向平衡位置的力作用下的振動為簡諧振動。”定義是完整準確的，但對“簡諧振動”這個概念的很多特征並未明顯反映出來。因此，必須有後繼討論。第一步，結合牛頓第二定律分析出簡諧振動是變加速運動；第二步，研究一個周期內做簡諧振動的物體的位移、速度、加速度、動能、勢能、機械能的變化規律；第三步，討論簡諧振動的圖線，用簡潔、直觀、形象的數學形式表達其特征；第四步，分析單擺運動規律，揭示單擺運動是近似的簡諧振動。