從量子技術(shù)的應(yīng)用看物理課堂教學(xué)中概念的建構(gòu)

【摘

要】中學(xué)物理教學(xué)的一大困難便是科學(xué)概念，如何對(duì)概念進(jìn)行解讀，如何從眾多概念中進(jìn)行歸納和分類，如何以概念從存在實(shí)體中找關(guān)系、條件與根據(jù)，考驗(yàn)的是教學(xué)的智慧。文章從量子技術(shù)的應(yīng)用談物理課堂教學(xué)中概念的建構(gòu)，以期為概念教學(xué)形成助力。【關(guān)鍵詞】量子力學(xué);哲學(xué);物理概念;建構(gòu);物理教學(xué);信息化一、物理概念的哲學(xué)思考物理學(xué)的每一次進(jìn)步都是從科學(xué)概念的革新開(kāi)始的，而哲學(xué)與生俱來(lái)的特性就是創(chuàng)造概念。隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們借助粒子加速器第一次在實(shí)驗(yàn)室里造出了物質(zhì)，這使得聚集能量造出全新的物質(zhì)粒子成為可能，這些新的發(fā)現(xiàn)也打破了人們關(guān)于物質(zhì)不可創(chuàng)造的論斷，大大拓展了我們對(duì)“物質(zhì)”概念的認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，在證偽“每一個(gè)事件必有原因”這一命題上，量子力學(xué)獲得了開(kāi)創(chuàng)性的進(jìn)展。測(cè)不準(zhǔn)原理巧妙地回答了凡事必有因這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲覀儽旧硪彩沁@個(gè)無(wú)限遞歸的因果鏈條中的一環(huán)，我們的觀察對(duì)象會(huì)因?yàn)槲覀兊挠^察而發(fā)生改變。而這一發(fā)現(xiàn)也因此改變了傳統(tǒng)理論對(duì)“因果”這一概念的機(jī)械性解釋?？梢哉f(shuō)，物理學(xué)和哲學(xué)，就像一個(gè)硬幣的正反面。兩者都是為了探尋某種規(guī)律，只不過(guò)哲學(xué)善于創(chuàng)造概念，物理善于求證概念，兩者相輔相成，互相沖擊滲透。人類思維的火花發(fā)軔于“概念”。量子力學(xué)，包括整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展，其實(shí)也都是從科學(xué)概念的建構(gòu)和發(fā)展開(kāi)始的……二、物理概念的建構(gòu)和物理教學(xué)（一）否定之前的經(jīng)驗(yàn)，建立新的科學(xué)概念物理思維最基本的單元是一個(gè)個(gè)物理概念，可見(jiàn)概念教學(xué)應(yīng)該是我們物理教學(xué)的關(guān)鍵，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、物理思想和哲學(xué)的思考，都有賴于科學(xué)概念的建構(gòu)和深入。物理概念是建立在大量觀察和科學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，把事物本質(zhì)的、共同的特征集中起來(lái)加以抽象概括出來(lái)的。大部分的物理概念來(lái)源于生活，也有一部分來(lái)源于數(shù)學(xué)定義，或者跟其他學(xué)科的關(guān)聯(lián)。當(dāng)然也有一部分來(lái)源于學(xué)生孩提時(shí)期就開(kāi)始在日常經(jīng)驗(yàn)中形成的前概念。比如：運(yùn)動(dòng)的物體速度越快受的力越大，受的力往哪一邊運(yùn)動(dòng)速度就往哪一邊，主動(dòng)者必須施力，被動(dòng)者只能受力。當(dāng)然這些概念都是錯(cuò)誤的，但是它已經(jīng)深深地植入人們的意識(shí)中，所以概念教學(xué)首先要破除前概念這個(gè)障礙。例如，在力的概念教學(xué)中，我們經(jīng)常碰到一個(gè)問(wèn)題——到底力是什么？查詢書本的定義：力是物體間的相互作用。那么究竟是個(gè)什么作用，好像話沒(méi)有說(shuō)完，總感覺(jué)如鯁在喉，意猶未盡。聯(lián)想到力的英文force也有強(qiáng)迫、迫使的意思，那么力迫使物體發(fā)生了怎么樣的改變？利用實(shí)驗(yàn)學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)力迫使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變。實(shí)踐表明，破除前概念如果只靠教師簡(jiǎn)單地講授，告訴學(xué)生原來(lái)的想法錯(cuò)了;或者簡(jiǎn)單地做實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生往往很難接受，也想不通，因?yàn)檫@些前概念恰恰來(lái)自他們以前的經(jīng)驗(yàn)。只有通過(guò)設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生獲得新的經(jīng)驗(yàn)，他們才會(huì)否定之前的經(jīng)驗(yàn)，并建立新的科學(xué)概念。同時(shí)，由于學(xué)生掌握的生活經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、年齡等有所不同，這對(duì)有效建構(gòu)概念具有一定影響。（二）放手讓學(xué)生經(jīng)歷探索，形成正確經(jīng)驗(yàn)物理教學(xué)應(yīng)該注意營(yíng)造寬松民主的學(xué)習(xí)氛圍。學(xué)生的概念建構(gòu)過(guò)程，是一個(gè)將獲得的新信息、新經(jīng)驗(yàn)和原來(lái)已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激烈碰撞的過(guò)程，而不是把教師的講授簡(jiǎn)單記憶儲(chǔ)存的過(guò)程。就好比量子力學(xué)誕生之初，對(duì)原有理論體系的沖擊碰撞，需經(jīng)過(guò)不斷發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證，去偽存真，進(jìn)而發(fā)生全面深刻的概念革新，推動(dòng)物理學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展。學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程從某種意義上說(shuō)跟整個(gè)人類社會(huì)的認(rèn)知過(guò)程有相通的地方，都是一個(gè)螺旋式上升的過(guò)程。教師可以按照建構(gòu)主義理論，放手讓學(xué)生自己經(jīng)歷探索的過(guò)程，形成新的正確的經(jīng)驗(yàn)，以建構(gòu)自己新的概念和知識(shí)結(jié)構(gòu)。比如，教學(xué)“慣性概念”時(shí)，最常用的例子是：汽車剎車后不能馬上停下來(lái)，豎直上拋的乒乓球在重力作用下繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)等。事實(shí)上，這些例子中的物體都受到了阻力的作用，此時(shí)慣性主要表現(xiàn)在受到阻力作用而不能馬上停下。再比如我們書本上的演示實(shí)驗(yàn)，用尺子敲走一疊棋子中的一顆，上面的棋子幾乎不動(dòng)，但是仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)上面的棋子發(fā)生了微小的位移。實(shí)際上這些例子中慣性主要體現(xiàn)在物體受力不能馬上發(fā)生大幅度的位移。從以上例子中，我們可以引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)一切物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)都是由受力和慣性共同決定的，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生用自己的方式來(lái)表述慣性。比如：慣性實(shí)際上是物體希望保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種理想，只有在不受外力的情況下，這種理想才能得以實(shí)現(xiàn)。如果學(xué)生能對(duì)慣性的概念理解到這一層次，對(duì)于其今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)離心運(yùn)動(dòng)，以及理解電磁學(xué)中的楞次定律和自感現(xiàn)象等類似慣性而不能瞬間突變的物理概念，將提供莫大的幫助。（三）鼓勵(lì)學(xué)生小組討論，構(gòu)建物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系在物理教學(xué)過(guò)程中，我們應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)小組討論構(gòu)建物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系。所謂“獨(dú)學(xué)而無(wú)友，則孤陋而寡聞”。概念建構(gòu)的過(guò)程是一個(gè)學(xué)生個(gè)體與外界信息不斷溝通，相互作用的過(guò)程;是一個(gè)從感性認(rèn)知上升到思維能動(dòng)飛躍的過(guò)程;是一個(gè)同學(xué)之間思想不斷碰撞，思維得以發(fā)展的過(guò)程。因此，充分的溝通和討論是必要的。當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中，教師的引導(dǎo)點(diǎn)撥也是必不可少的。比如在一節(jié)電學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)課堂上，我首先拆開(kāi)了一對(duì)電壓表和電流表，引導(dǎo)學(xué)生觀察電表內(nèi)部的構(gòu)造。隨后我提出一個(gè)問(wèn)題：電壓表、電流表以及電表不同擋位之間有什么內(nèi)在的聯(lián)系呢？很快各個(gè)學(xué)習(xí)小組紛紛提出自己的猜想。有的小組覺(jué)得各個(gè)電表本質(zhì)上就是表頭，只不過(guò)通過(guò)串聯(lián)分壓電阻或者并聯(lián)分流電阻，實(shí)現(xiàn)不同的功能和擋位;但是很快又有其他學(xué)習(xí)小組提出截然相反的看法：電表本質(zhì)上就是電阻，只不過(guò)有的電阻比較“土豪”，配置了顯示的儀器，變成“聰明電阻”，能夠報(bào)告自己的電壓或者電流。很快同學(xué)們圍繞著哪個(gè)小組的看法更好展開(kāi)激烈的討論，不經(jīng)意間打破了關(guān)于電表和電阻之間認(rèn)識(shí)上的藩籬，同時(shí)也為后續(xù)電表改裝和多用電表的學(xué)習(xí)做了良好的準(zhǔn)備。三、物理概念教學(xué)在信息化條件下的新嘗試（一）組建了“線上實(shí)驗(yàn)室”線上教學(xué)在無(wú)形中給了我們利用信息化手段拓展物理概念教學(xué)的契機(jī)和實(shí)踐探索的機(jī)會(huì)。為了方便展示和拓展演示實(shí)驗(yàn)，我們組建了“線上實(shí)驗(yàn)室”發(fā)布實(shí)驗(yàn)視頻及其內(nèi)容講解，鼓勵(lì)學(xué)生把自己拍攝的實(shí)驗(yàn)視頻上傳，并定期開(kāi)展學(xué)習(xí)小組之間的互評(píng)和比賽，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。很多學(xué)生積極上傳自制的實(shí)驗(yàn)視頻，大大豐富了我們的實(shí)驗(yàn)資源，也延伸了我們的物理課堂，甚至還不時(shí)有意想不到的收獲和驚喜。比如，在進(jìn)行密度概念的教學(xué)時(shí)，我布置了“尋找生活中的密度”的課后作業(yè)，同學(xué)們紛紛上傳了自己觀察到的生活中的密度。結(jié)果有一個(gè)小組上傳的內(nèi)容中有一張是A4紙包裝上的70g/m2，很快就有同學(xué)指出包裝上的單位是不是印錯(cuò)了，應(yīng)該為kg/m3或者g/cm3。當(dāng)天下午就有另外一個(gè)小組的同學(xué)也上傳了自己家里面另外一個(gè)品牌的A4紙的圖片，顯示80g/m2。除了數(shù)值不一樣，單位是完全一樣的，這位同學(xué)在線上留言說(shuō)不同品牌的A4紙應(yīng)該不可能同時(shí)印錯(cuò)吧。見(jiàn)到這個(gè)情景我找來(lái)學(xué)科班長(zhǎng)，讓他先組織同學(xué)們自主學(xué)習(xí)并尋找答案。很快就有學(xué)習(xí)小組發(fā)現(xiàn)面密度的概念，還有些小組查找出不同規(guī)格的銅導(dǎo)線的線密度。后來(lái)在密度的章節(jié)復(fù)習(xí)課上，我讓物理學(xué)科班長(zhǎng)組織了一場(chǎng)專題討論，取得了很好的效果，同學(xué)們也認(rèn)識(shí)到書本上的密度概念其實(shí)相當(dāng)于體密度。通過(guò)信息化的教學(xué)手段，由解決學(xué)生的一個(gè)小疑問(wèn)出發(fā)，我們不僅拓展了學(xué)生的知識(shí)面，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)概念進(jìn)行深入的哲學(xué)思考，也很大程度上豐富了密度的概念教學(xué)。（二）總結(jié)線上教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，豐富傳統(tǒng)課堂教學(xué)我們除了組建“線上實(shí)驗(yàn)室”，還積極利用騰訊會(huì)議等信息化手段，組織學(xué)生開(kāi)展線上小組學(xué)習(xí)討論。在疫情結(jié)束后我們及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，豐富傳統(tǒng)課堂教學(xué)，把這些好的做法延續(xù)了下來(lái)，取得了很好的效果。例如，我在上完“焦耳定律”這一節(jié)后，有一個(gè)同學(xué)就在線上小組學(xué)習(xí)的時(shí)候提出為什么歐姆定律只能用于純電阻電路，很快引起了同學(xué)們的熱烈討論。雖然我們?cè)谡n堂上已經(jīng)從能量轉(zhuǎn)化的角度分析了電功和電熱的區(qū)別，指出在非純電阻電路中電功大于電熱，歐姆定律此時(shí)是不成立的，但是還有不少同學(xué)表示“不服”，仍然很“懷念”歐姆定律。顯然這一個(gè)提問(wèn)喚起了很多同學(xué)的共鳴，很快在大家你一言我一語(yǔ)的討論中，有一個(gè)同學(xué)提出歐姆定律在線性電路中成立，在非線性電路中只要引入阻抗這個(gè)概念，廣義的歐姆定律也成立。后來(lái)又有不少同學(xué)自己查詢資料，發(fā)現(xiàn)了容抗、感抗等概念。在這一場(chǎng)物理概念的激烈碰撞中，我與同學(xué)們利用課堂上生成的資源深入討論學(xué)習(xí)，既加深了學(xué)生對(duì)歐姆定律的理解，也引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電阻這一物理概念進(jìn)行深入的哲學(xué)思考。此外，我們?cè)谥v授氣壓這個(gè)概念之前，還嘗試?yán)镁€上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行空氣炮實(shí)驗(yàn)的海選，再由海選勝出的選手參加現(xiàn)場(chǎng)組織的空氣炮大賽。同學(xué)們熱情參與，人氣爆棚，取得了很好的成效，也為今后的創(chuàng)新物理概念教學(xué)進(jìn)行了有益的嘗試?？傊?，物理概念的建構(gòu)作為打通物理思維的一把鑰匙，體現(xiàn)了豐富的哲學(xué)