试论物理概念和规律的学习与教学设计，本文主要内容关键词为：教学设计论文,试论论文,规律论文,物理论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文献[1]中指出教学任务分析是教学设计的核心环节，任务分析的目的是揭示学生学习特定学习内容时，所经历的内部过程，分析所需的内部条件，为规划教学事件、选择教学方法提供依据。本文首先阐述物理概念和规律的习得规律，并结合教学实例讨论物理概念和规律的教学设计问题。
一、物理概念和规律的学习
（一）物理概念和规律
物理概念和物理规律是中学物理最主要的教学内容，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。它表明研究对象（质点）的加速度与研究对象的质量和所受的合外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。
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。
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是通过直线运动、速度、时间、变化量等概念间的关系来界定的。
所以，物理概念和规律最基本的学习，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。
（二）物理概念和规律意义习得的基本方式
从信息加工心理学的角度，学习者通过运用归纳法、演绎法对识别出的信息进行加工，建立相关物理概念间的新联系，从而习得物理概念和规律，如文献[2]所述。
例如，在进行牛顿第二定律教学时，一种教学方式是：
首先，通过保持其他条件不变，改变小车受力大小，研究发现小车的加速度发生变化，从而得出“物体的加速度与受力有关”这一结论。
显然这一结论是运用共变法加工获得的。
然后，通过列表记录实验中加速度和受力大小的值，然后描点作图，连接后发现为一通过原点的直线，从而得出“加速度a与物体受力F成正比”。
要得出加速度a与物体受力F成正比，显然是要经过如下演绎逻辑加工获得。
（三）物理学习的基本途径
物理学习中，用于加工形成物理概念间联系的有效信息，其来源的途径不同，也可以说学习途径不同，物理概念和规律学习主要有两种途径。
其一，归纳模式，包括经验事实归纳、实验事实归纳。
其二，理论演绎模式。
不同学习途径经历的子环节不同，各环节需要解决的子问题不同，以下对实验事实归纳模式中学习过程为例进行讨论。
1.实验归纳途径经历的子环节
实验事实归纳学习中，一般经历“提出问题、猜想和假设、规划实验方案、设计实验、执行实验获取数据、处理数据获得结论、验证”等环节。
就一个具体的研究课题来说，由于学生缺乏直接解决经验，所以在每一要素的实现时，都可能会遭遇障碍，比如：
（1）如何从原始问题情景中抽象并用科学术语界定被研究的现象？
（2）如何确定被研究现象出现的场合，并遵循一定方法分析影响被研究现象的可能因素？
（3）在已知被研究现象及可能的相关因素条件下，遵循何种方法规划研究方案？
（4）在提供或没有提供实验仪器的场合，遵循何种方法来有依据地选择仪器并加以组合，用以研究因素间是否存在关系？
（5）在已有实验数据的条件下，遵循何种方法对数据进行合理的处理，并获得结论？
（6）遵循何种方法验证获得的结论的可靠性？等等。
2.子环节问题解决例析
问题解决是学习者运用策略或者说方法选择解决问题所需技能的过程，[3]每一子环节解决问题目标不同，也就需要不同的解决方法。
（1）“规划实验方案”环节
该环节子问题解决后，学生能够清晰地陈述规划好的实验方案。
经过“猜测和假设”环节，已确定被研究对象，以及可能的相关因素的条件下，学生可运用控制变量法等方法安排研究的顺序和方案：
控制变量法：物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题，而只改变其中的某一个因素，从而研究这个因素对事物影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。
也就是说，已知被研究现象A；可能影响因素有B、C、D等。
任务：如何安排活动，研究A与B、C、D等因素是否相关？
形成研究方案：研究B与A关系；保持C、D等因素不变，变化B，测量A是否改变？
研究C与A关系；保持B、D等因素不变，变化E，测量A是否改变？
研究D与A关系；保持B、C等因素不变，变化D，测量A是否改变？
作出上述安排，其中所遵循的方法即控制变量法。由此可见，控制变量法主要运用于规划实验方案环节，规划方案还可以运用演绎、类比等方法完成。
（2）设计实验环节
该环节子问题解决后，学生能够有依据地陈述实验装置构成及缘由。
设计物理实验可遵循如下的基本思路：[4]
①确定实验中的研究对象；②确定实验中研究物体的状态及要测量的物理量；③确定各状态出现的条件及各物理量测量的原理；④选择测量各物理量的实验仪器；⑤确定每次实验中物理量的变化方式；⑥确定实验仪器连接方式。
此即该环节子问题解决的通用策略。
在步骤③中如何确定测量物理量的原理，对具体研究课题来说又是一个问题解决，在解决此类问题时，也要运用一些适用的方法，如转化法、等效替代法等。如：
【案例】[5]牛顿第二定律研究（节选）
制定实验方案时的两个问题。
这个实验需要测量的物理量有三个：物体的加速度、物体所受的力、物体的质量。
第一，怎样测量（或比较）物体的加速度
如果物体做初速度为O的匀加速直线运动，那么，测量物体加速度最直接的办法就是用刻度尺测量位移并用秒表测量时间，然后由
算出。
其实，在这个实验中也可以不测加速度的具体数值，这是因为我们探究的是加速度与其他量之间的比例关系。因此，测量不同情况下（即不同受力时、不同质量时）物体加速度的比值，就可以了。
案例中教学环节需要解决的问题，目标：两个运动物体加速度的比值；条件：直线运动，两物体运动时间相同、分别受恒定力的作用；障碍：传统用打点计时器打出的纸带计算物体的加速度，测量、运算较复杂。解决思路：通过
，将加速度之比转化为求两物体运动距离之比。而距离测量相对比较方便。
在“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”一节教学中，由于“电阻大小无法直接测量，通过R—U/I，将电阻之比的测量转化为求电阻两端电压之比测量”，也是运用转化法。
以上两个案例可概括出解决此类问题的一般方法，即转化法。
转化法：如果待测物理量或物理量之比，测量较复杂，可通过适当的物理规律，将待求量转化为易测物理量或物理量之比来解决。
其他如，电学仪表中利用电流的变化与扭转力矩呈线性关系把待测量（电流、电压、电阻等）转化为指针偏角；利用液体体积在一定温度变化过程中与温度呈线性关系，液体温度计把温度测量转化为液柱的测量等都是运用转化法。
从以上讨论可以看出，转化法是应用于“设计物理实验”环节中确定物理量测量原理这一子环节的方法；同样等效替代法也多应用于设计实验环节。
在转化法运用的环节，关键是要找到待测量和易测量之间的关系，也就是说该问题的解决需要的技能是单一的，因此转化法应用的可能性取决于个体在特定领域中积累经验的多寡，是一种解决问题的弱方法。
将实验归纳途径各环节问题解决的过程、涉及策略及习得后外显表现小结，如表2。
二、物理概念和规律教学设计案例分析
从以上讨论中可知，通过实验事实归纳模式学习，学生可能会经历全部或部分子环节，在每一环节中运用一定方法解决子问题，表现出相应行为，如表2中第4列所示；教学就是教师遵循各环节中相应方法的引导，帮助学生选择解决子问题的技能，从而解决问题、习得所学知识的过程。教学方式主要有三种：
（1）教师遵循相应方法的结构，自己选择解决问题所需知识和技能，并解决问题；此为传授式教学；
（2）教师遵循相应方法的结构，引导学生获取解决问题所需知识和技能，逐步解决问题；此为启发式教学；
（3）教师提供问题情景，由学生自己遵循相应方法的结构，解决相应问题；此为探究式教学。
下面以曲线运动条件为例，对概念和规律教学设计做阐述。
（一）教学设计案例
【教学内容】
物体做曲线运动，需要有不与物体运动方向同线的合力。教学中的实验如下页图1所示。
【教学任务分析】
教学中的结论是运用差异法对信息进行加工获得的，结构如下页表3。
【教学活动安排】
依据差异法的结构，教师在教学中必然应包含如下教学环节：第一，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；第二，帮助学生从教师提供的教学实例中，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；第三，帮助学生形成结论。
教学可按如下两种方式进行。
【教学方式一】
①师：老师来做一个实验，请同学们仔细观察。
做实验一，小球从斜面上滚下，如图1甲。
②师：在刚才的实验中小球做什么运动？
生：小球做直线运动，速度越来越慢。
③师：请画出小球的运动轨迹及小球受力示意图。
同学画出示意图，如图2甲。
④师：下面我再做一个实验，请同学们注意观察，告诉我小球做何运动。
教师做实验二，如图1乙。
⑤师：小球做什么运动？
生：小球在桌面上先做一段直线运动，然后沿转向磁铁运动。
⑥师：转向磁铁运动，那小球还是做直线运动吗？
生：不是，是做曲线运动。
⑦师：请同学们画出此次实验中小球的运动轨迹及小球受力示意图。（如图2）
⑧师：请同学们分析一下，在上面两次实验中，小球分别受几个力？
生甲：第一次实验中小球受重力、支持力、摩擦力、磁铁吸引力，重力和支持力平衡。
生乙：第二次实验中小球也是受重力、支持力、摩擦力、磁铁吸引力，重力和支持力平衡。
⑨师：那么在两次实验中，小球在受力形式上有何不同呢？
生：在实验一中，磁铁对小球的作用力是沿着小球原先运动方向的。
在实验二中，磁铁对小球的作用力是与小球原先运动方向有一个夹角，不同向。
⑩师：从小球受力与原先运动轨迹的关系上看，两次实验有何不同？
生：实验一中，小球受合力与小球原运动方向相同。
实验二中，小球所受合力与原运动方向不同线。
（11）师：实验一中小球做直线运动，实验二中小球做曲线运动，通过前面的分析，我们可以得出物体做曲线运动需要什么条件？
生：物体做曲线运动需要合力与原先运动方向不一致。
【教学方式二】
另一位教师的教学过程如下所示：
①师：我们来做一个演示实验，让静止小球从斜面上滚下，并将磁铁沿小球运动方向放置，我们可以看到小球在桌面上做直线运动，如图2甲。
②师：接下来，将小球从同样的斜面上滚下，将磁铁放置在小球运动方向的侧面，请同学们仔细观察。
做实验，如图2乙。
③师：刚才的实验，我们可以看到，当我放开手小球滚下后，在接近磁铁的地方，小球偏离了原先的运动方向，转向磁铁，做曲线运动。
两次实验中，一次做直线运动，一次做曲线运动，那么小球做曲线运动的条件为何呢？
④师：从两次实验中，小球都受到重力、支持力，这两个竖直方向的力相互平衡，还同时受到摩擦力和磁铁吸引力，但两次实验中磁铁对小球作用力的方向不同，一次沿小球运动方向，此时小球做直线运动，一次与小球运动方向不相同，此时小球做曲线运动，因此物体做曲线运动需要一个条件，即物体所受合力与原先运动方向不在同一直线上。
（二）教学设计案例讨论
（1）教学活动的过程都遵循了信息加工机制——差异法的结构。
在教学方式一中，教师引导学生分析并获得结果的变化情况
实验一中，小球做直线运动，步骤①、②。
实验二中，小球做曲线运动，步骤④、⑤、⑥。
在教学方式一中，教师引导学生分析并获得条件中的变化情况
分析两次实验中相同的条件，步骤⑧。
分析两次实验中差异的条件，步骤⑨、⑩。
在上述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。
在教学方式一中，步骤⑥。
在教学方式二中，教师自己分析两次实验中差异的结果，分析两次实验中相同的条件、差异的条件，并最终获得结论，显然，教师的教学也遵循差异法的结构。
教学中，信息加工遵循相应逻辑机制的要求，教学中教师对结论获得的前因后果交代清楚，学生都可以合理地得出相应的结论，教学体现出逻辑性，如果教学中教师没有遵循获得结论的逻辑过程，学生就不能合理地得出结论，因而就可能会对结论进行机械记忆，这样的教学往往就是“注入式”的教学。
（2）教学中信息加工主体不同。
教学方式一中，在教师引导下，由学生自己从实验情景中识别出条件和结果的变化情况，并运用相应的信息加工机制——逻辑推理建立相关概念间的联系，这种教学过程符合“启发式教学”——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，学生主动获得知识的这一基本要求，因而体现出一定的“启发性”。
教学方式二中，教师遵循信息加工机制的要求自己呈现必要信息并加工完成，即为传统的传授式教学。
因此，选择信息在师生间传递的不同方式，体现不同的教学方法。
（三）“规划实验方案”等环节设计
“获得信息、处理信息”环节是所有教学都必须完成的，其余环节实际教学中往往并不需学生完整经历，如前面教学案例中，教学主要聚焦于“获取信息、处理信息”环节，并未引导学生经历“规划实验方案”、“设计实验”、“确定实验步骤”等环节，也就是说学生并不了解“如何选择实验仪器及实验步骤如何”，当然这些环节教学中也可做显性化处理，如下。
【任务分析】
Ⅰ.据前分析，本研究结论是运用归纳法中的差异法实现的，结构如下：
因此，在“规划实验方案”环节可遵循差异法的结构来完成；
Ⅱ.在“设计实验”环节具有设计实验的通用策略，如前一中所述，可遵循此思路引导实现。
【教学规划】
Ⅰ.“规划实验方案”环节
采用启发式教学：
（1）提供差异法研究的案例；步骤②。
（2）引导学生领悟案例研究的基本结构；步骤②。
（3）引导学生依据研究的基本结构规划本次研究的方案，步骤③、④。
Ⅱ.“设计实验”环节
采用启发式，教师依据通用策略的基本步骤，结合提供的实验器材，逐一引导学生完成实验的步骤，并将实验步骤清晰化。
【教学过程】
规划实验方案
①师：我们今天要研究的是：做曲线运动的物体需要满足的条件。物体做轨迹不同的运动，主要取决于物体的……
生：主要与物体受力的特征有关。
②师：在初中的学习中，我们也多次研究过类似的问题，比如蒸发快慢的因素、二力平衡的条件、声音产生的条件等。
如下页图3是初中研究二力平衡时的实验，共做了两次实验，一次纸板在位置1，纸板静止，纸板受左右两方向的等大的拉力，另一次在位置2，放手后纸板转动了，说明在位置2时，纸板受力不平衡，分析可知，与位置1相比，纸板受力等大、反向的条件未变，只是二力方向不在同一直线上，由上述实验事实，可得二力平衡需要二力同线这一条件。
③师：根据上面这一实验方案，本节课要研究曲线运动的条件，应如何安排呢？
生：应有一次物体做曲线运动。
生：还要有一次不做曲线运动，也就是做直线运动。
④师：实验中要设置两种运动轨迹不同，那应分析什么？
生：要分析两种情况下，物体受力有什么不同特点。
生：最好应保持只改变一种条件。
⑤师：也就是说在本次实验中，应有一次物体做曲线运动，一次物体做直线运动（不做曲线运动），然后分析两次实验中，物体受力特征有何不同。
设计实验，确定实验步骤
①师：前面我们规划了实验的方案，现在我们提供给大家的有一个小斜轨、一个钢球、一个条形磁铁，实验就在大家的桌面上来完成，请同学们考虑如何实验？
生：可让小钢球从斜轨上滚下来，在桌面上运动起来。
②师：如果不做任何影响，小球应做何运动？
生：应做直线运动。
③师：那如何让小球做曲线运动呢？
生：可拿条形磁铁去吸小球。
④师：吸也就是对小球施加力，如何放置磁铁？
生：要放置在侧面。
⑤师：侧面是相对什么位置对象来说的？
生：小球原先运行的轨迹方向。
⑥师：在曲线运动时，对小球施加了磁铁对小球的力；在直线运动，要保持条件等同，也应对小球施加磁铁的力，如何完成？
生：可将磁铁放在运动小球的后面或正前方。
⑦师：若要便于分析物体的受力情况，最好应该……
生：可画出两次实验中，小球的受力示意图以及运动轨迹。
⑧师：刚才同学们作了很好的思考，下面，我请同学将本次实验的步骤小结一下。
生：本次研究要做两次实验。
（1）将小球沿斜轨滚下，在桌面上做运动；在小球滚动轨迹的侧面，放置条形磁铁，使小球做曲线运动；画出实验小球受力示意图及运动轨迹。
（2）将小球沿斜轨滚下，在桌面上运动；将磁铁放置在小球运动正前方或正后方，使小球做直线运动；画出实验中小球受力示意图及运动轨迹。
（3）结合两次实验示意图及运动轨迹，分析曲线运动的条件。
（教师应将要点板书）
由上讨论可知，物理新概念和规律可以通过不同的途径来学习，主要途径有归纳模式和演绎模式，每一途径中经历过程中所解决的子问题不同，需要策略不同，教学应作具体分析：
Ⅰ.分析物理概念和规律建立所运用信息加工的逻辑机制，揭示学生习得该结论所必须识别出的信息；分析上述必要信息获得途径，揭示途径经历的子过程及子问题解决的策略；
Ⅱ.确定学生学习时所需经历的子过程，并依据子过程的策略规划教学事件和活动；通过选择信息在师生间的传递方式，来选择适当的教学方法，信息加工的逻辑分析方法对教学实例的选择、教学实例呈现方法的选择，可参看文献[6]。
建立在现代学习理论基础上的教学设计强调依据学习者的学习规律来安排教学活动、选择教学方法和媒体、对教学目标实现与否进行测量；学习的规律清楚了，与之对应的、有效的教学就明确了，应以学习规律来论述教学的规律，努力实践“学有定律，教有优法”的理想。