物理学科从概念的定义谈概念教学

1 概念的心理构成
　　概念的构成要素及其相互关系，即为概念的结构。关于概念的结构，在心理学上有特征论和原型论两种较有影响的学说。
　　特征论认为，概念是由定义特征和概念规则构成的，所谓定义特征是指概念的正例所具有的共同特征。概念的规则是指一些定义特征之间的关系或整合这些定义特征的规则，如肯定、否定、合取、析取等。根据概念的规则可以把概念分为肯定概念、否定概念、析取概念等。
　　特征论能够解释具有明确定义特征的概念，而许多概念却没有明确的定义特征，如"工作"，很难给它下一个精确的定义，可是谁都明白工作是什么，这是因为我们的大脑中有工作的原型。原型论认为，概念是由原型和类别成员代表性的程度这两个因素构成的。原型是某一概念的最佳代表性实例，它使我们以最简洁的方式迅速理解概念。实验表明，当人们听到一个概念时，在他们头脑里出现的不是该范畴所有成员都具有的共同的特征，而是该范畴的原型或最佳实例。例如当我们谈到"能"这个概念时，我们往往想到的是运动汽车的动能，空中物体具有的势能，而很少想到光能和风能，显然，原型以表象来编码。所谓类别成员代表性程度，即概念原型之外的其它成员被允许偏离原型的程度。如 "动能"、"势能"是"能"的原型，而光能和风能是代表性较少的偏远实例。此外，肯定"动能"比肯定"风能"的时间短。原型论认为：儿童对概念的获得就是由成人为之提供的原型实现的。
　　2 物理概念的定义方法
　　根据概念的心理构成，中学物理对概念的定义一般采用了两种办法：特征定义法和原型定义方法。
　　2.1 特征定义法
　　所谓特征定义法，就是应用演绎法来定义概念，即应用类概念加以本质特征的限定来定义属概念。中学物理中，不少概念的定义属于这一类。在应用演绎法定义概念时，用来限定属概念的本质特征应必要且充分。即既不要列举所有本质特征，也不可列入非本质特征，因为有些概念的本质特征是数量众多的。这就要求对概念的定义是一种高度的抽象。比如在力的内涵中，有力的瞬时效应、积累效应还有其它丰富的内容，因此把力抽象为"物体之间的相互作用"。总之，特征定义概念中的本质特征只要必要且充分即可，不必要，也不可能列出概念的全部内涵。
　　2.2 原型定义法
　　所谓原型定义法，就是利用原型来描述概念内涵的定义方法，即应用归纳描述本质属性的方法来定义概念，也可称为归纳法。中学物理中，大部分的概念属于这一类。在归纳法定义中用限定概念的本质特征的描述通常并不遵从必要且充分的准则，而是列举尽可能多的主要的本质特征，但不可混入非本质特征。比如：质量亏损的概念，教材采用的方法是举出中子和质子结合成氘核时，氘核的质量比中子和质子之和要小这一事例来定义。可以作为概念原型的对象一般有两种：一种是归属概念本身，是反映概念本质特征的具体范例。另一种是相近概念的原型，但它能借以说明新概念的定义特征，比如电势能概念，借助重力场中的重力势能来类比定义。
　　这两类定义方法中，第一种定义是比较成熟和稳定的。第二种是可以不断加工和完善的。其中，原型定义的概念在经过长期实践和学术界的争议、加工和完善后，概念的必要且充分的本质特征有可能相对集中并稳定下来，并取得共识，从而实现向特征定义转变。这两种定义都有各自的定义特征，但要注意的是，同一概念的两种定义的定义特征并不一定相同。
　　3 物理概念的有效教学策略
　　3.1 提供概念范例，丰富学生表象
　　原型论认为，当人们听到一个概念时，在他们头脑里出现的不是该范畴所有成员都具有的共同特征，而是该范畴的原型或最佳实例。由此可见，提供范例，丰富学生的表象是概念教学的第一步。范例与表象都是学生获取概念的重要条件和基础。范例从外部提供反馈信息，有助于学生掌握概念的定义特征；表象具有直观性与概括性的特征，是从具体感知到概念教学形成的过渡和桥梁。不管概念多复杂，进行概念教学的关键就是提供一组范例。概念是由原型和类别成员代表性的程度这两个因素构成的。所以，范例的定义特征越明显，学习越容易，无关特征越多，越明显，学习就越困难，因此在概念教学中，提供的范例应突出概念的定义特征。最好的范例就是那些定义特征很明显且学生最熟悉的原型。比如，"机械振动"概念教学，先通过实验或课件向学生展示振动的原型：树梢被风吹后而摆动；水平弹簧振子的振动；摆钟的摆动等等。通过观察、归纳得出机械振动的两个定义特征：平衡位置和往复运动。
　　3.2 正例和反例的综合运用
　　概念教学时通过范例归纳是必不可少的，尤其在教那些对学生而言是比较难的概念时，需要运用较多的范例。正例传递的信息最有利于概括，为了便于学生从例子中概括出共同的特征，需要同时呈现若干正例。反例传递的信息则最有利于辨别，适当运用，有助于加深对概念本质的认识。比如， "机械振动"概念教学中，在归纳出定义后，应马上向学生呈现反例。知问：乒乓球在球桌上的跳动是不是机械振动？这时可向学生说明，由于这一运动缺少"平衡位置"这一定义特征，所以并不是机械振动。
　　应注意的是，在运用范例说明概念时，需符合三条原则：①按由易到难的顺序呈现范例；②选择彼此各不相同的例子；③比较正例和反例。
　　3.3 明确概念的两种定义，正确区分定义式和决定式
　　物理概念的定量描述是通过数学公式来实现的，对于同一概念的不同定义法，其公式一般是不同的。一般地讲，特征定义是概念的本质，具有一般性。比如电场强度概念的特征定义为：描述电场力学特征的物理量，可用公式E=F/q来定义，结果与放入的试探电荷q无关。而公式E=k/Qr2只是点电荷Q这一电场原型的电场强度公式，可以说明电场中某点的电场强度的大小与试探电荷q无关。同样地，电阻原型定义公式R=ρ(l/S)能说明其特征定义。而公式R=U /I则说明对某电阻R与U、I无决定关系的一个范例。
　　3.4 讲清概念的物理意义，有机结合两种定义
　　学生掌握物理概念的过程，大致可分为领会、运用、完善、扩展四个阶段。因此，概念的教学应注意阶段性。在领会阶段，概念宜通过原型进行教学，到后阶段为使学生掌握概念的本质，又应明确概念的特征定义。由于原型定义概念对本质特征的描述通常并不遵从必要且充分的准则，可能存在一定的不足。因此，在运用原型定义进行概念教学时，一定要揭示概念的本质特征，以使学生对概念更深入的理解。又由于原型对表象的依赖，对于真正建立概念有消极作用，学生只有真正掌握理解了概念的特征定义，才能摆脱表象的依赖。这就是我们常要求学生掌握概念的物理意义。
　　对"功"这一概念，教材是利用力拉物块运动这一原型得出功的定义：W=Fscosα。由于原型中力作用点的位移和质点（物块）位移的一致性，不存在问题。但遇到两者不一致时，s的物理含义就指代不清：s是指质点的位移还是力作用点的位移。在长期的争论中，似乎都不能圆满解决，这正是原型定义概念的缺陷。若教学中，在运用原型进行概念教学过程中注意概念的物理意义，那么，学生就会明白：功的本质是能量转化的量度，做不做功关键是看有无能量的转化，且转化过程中能量守恒。对此，我们来看一下2006年高考全国卷Ⅰ第20题：
　　一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳，经Δt时间，身体伸直并刚好离开地面，速度为v。在此过程中，
　　A.地面对他的冲量为mv+mgΔt,地面对他做的功为1/2mv2。
　　B.地面对他的冲量为mv+mgΔt,地面对他做的功为零。
　　C.地面对他的冲量为mv，地面对他做的功为1/2mv2。
　　D.地面对他的冲量为mv-mgΔt,地面对他做的功为零。
　　如果从功的原型定义考虑，很难判断地面是否对人做功：若将s看做是力作用点的位移，地面没有对人做功，但把s看做是受力对象--人的位移，人的重心上升，地面对人做了功。但是，从功的特征定义考虑：地面对人没有做功。因为人的机械能虽然增加，但地面与人之间并末发生能量的转化，人的机械能增加是本身生物能转化而来的。
　　3.5 利用两种定义，消除错误概念
　　在概念学习中，学生很容易由日常生活经验而形成不科学的错误概念，而这种概念一旦形成，又难以消除或改变。比如，"工作"与"功"。有这样一个例子：人提着水桶不动，人有没有做功？对于这一类问题，可以采用的教学策略就是强调概念的定义特征，直接指出学生的错误所在，让学生直接面对错误，重建知识结构，赋予概念新的意义。从功的原型定义来讲，由于提着水桶不动，人对桶有力的作用，但在力的方向上没有位移，故不做功。从功的特征定义来讲，人虽然消耗了能量（感觉到"累"），但水桶并未增加能量，故也不做功。
　　3.6 利用概念间的关系进行教学
　　运用此策略的第一种方法是利用概念间的层级关系，概念系统最典型的等级表现是具有三个层次：上位概念、基本概念、下位概念。相对应的概念学习也有三种：下位学习、上位学习、并列结合学习。并列结合学习是物理概念学习中非常重要的方法之一。比如：在学习电场力做功与电势能变化关系时，由于它和重力做功与重力势能变化有相似的构成，所以在教学中可将它作为新概念的一个范例，将它们类比进行教学，学生较容易接受。
　　另一方法是绘制概念图。将学生学习过的概念组成概念图，把新概念置于其中，概念与概念之间的关系得以明确显示，概念被赋予了更多的含义，有利于学生运用已知概念来学习新的概念。