物理概念与规律的教学过程

第四节　物理概念与规律的教学过程

一、物理概念教学的过程

物理概念教学过程的主要环节有“创设情境，引入概念”、“思维加工，形成概念”、“理解应用，深化概念”三个阶段。在各个阶段中要有明确的教学任务以及教师教的活动与学生学的活动。

（一）创设情境，引入概念

“创设情境，引入概念”是概念教学的第一阶段，一般有两种顺序方式：一是教师先陈述点明主题，简介为什么要引入相关概念，然后创设情境，引入概念。如“曲线运动”这一节课，教师先确定这个主题，确定要引入“曲线运动”的概念，使学生明确为什么要引入这个概念的缘由。这样把教学目的转化为学生的学习目的，引起学生学习兴趣与注意，激发学生求知欲望。之后教师再创设教学情境，或者让学生举例曲线运动的现象，再寻找反映各种曲线运动本质的共性。这是一种先聚焦、再发散引入概念的方式。它有利于学生更快列举出相关的现象，找到共性，抓住事物的本质，形成物理概念。二是教师先创设情境，展现某个典型的物理现象或一系列物理现象，然后让学生找出它们反映某一类本质的共性。如“单摆”这一节课，教师可以先展示一系列振动现象，然后探讨反映振动现象本质的共性，形成振动的概念。这是一种先发散、后聚焦引入概念的方式。这两种引入概念的方式都可以利用生活和自然现象、实验、知识网络等创设物理概念概念引入的教学情境。

1.生活现象与自然现象情境

生活现象与自然现象情境是指利用生活和自然现象建构一个教学情境，可以通过教师、学生口头表述、图片展示、视频播放等手段呈现。通过生动而且为学生熟知的现象来创设物理情境，学生会有身临其境的感受。这些生活现象情境所反映的某种物理本质属性的相关性越大，学生就越容易抽出其共性，形成概念。如在教学速度、摩擦力、惯性等概念时，都可以列举一些比较典型的物理现象，再让学生通过观察、分析、综合、抽象等，认识这些典型物理现象的某一本质属性，初步形成相关的物理概念。学生的头脑中都存在一些前概念，有些前概念有助于形成正确的科学概念，也有些前概念对形成正确的概念有阻碍的作用。如学生对生活中摩擦力的观察，往往会对摩擦力的方向有错误的观念。又如，学生在生活中常见到运动快的物体停下来需要更长的时间，学生就可能认为惯性大小与物体运动速度有关。这些错觉更需要教师创设情境，消除不利影响，实现认知的顺应过程。

2.实验情境

实验情境是指教师和学生利用演示实验或学生实验，建构一个问题情境，唤起学生的注意，并通过一组或几个相关实验归纳出物理概念。运用实验来展示有关的物理现象和过程，不仅使学生感受深刻，而且创设的情境越新颖生动，就越能引起学生的兴趣和主动思考。要创设一些结果出人意料之外的，与学生学习前概念或常识相违背的差异性实验（discrepant experiments）情境。这些实验展示的现象，与学生学习科学的潜概念发生矛盾，能引发学生强烈的认知冲突，使学生头脑中产生各种各样的疑惑。特别是有些物理概念所涉及的现象和过程并不是学生日常生活中常见的，这就更需要创设情境，如电容、自感、互感等概念。这类物理概念的引入往往非常需要借助演示实验或学生实验等建构情境。

3.知识的网络情境

物理课程中的前后、上下、新旧知识有非常密切的联系，这些联系也往往是物理教学时创设发现问题情境的素材。知识网络情境是指新概念往往与已学过的概念、规律之间存在着联系，抓住知识间的联系，从已有知识出发，通过逻辑演绎，把新概念自然地引导出来。教学中可以利用物理知识的联系来引导学生对相关知识进行分析推理，来发现问题并提出问题。如在加速度的教学时，要复习速度的概念，同时列举不同物体运动速度改变的快慢不同的事例，让学生探讨用怎么样的物理量来描述物体速度改变的快慢问题，引导学生认识到用单位时间的速度改变可以描述物体运动速度改变的快慢，这样就引出了加速度的概念。通过前后、上下、新旧知识之间的联系可以使学生认识到引入概念的可能性与必要性，把知识系统化和连贯化，便于理解、掌握和不断深化概念。

（二）思维加工，形成概念

“思维加工，形成概念”是概念教学的第二个阶段。在这个阶段，学生要对相关事物进行一系列的思维活动，把感性认识上升为理性认识，给概念下定义，理解概念的内涵及明确概念的外延，从而形成初步的概念。

1.抽象：揭示事物本质

学生要形成正确的物理概念，关键要让学生经历分析、综合、比较、抽象、概括的思维活动。其中最重要的思维活动是抽象，抽象是一种摒弃事物的非本质属性，抽取出事物的本质属性的思维方法。如加速度的概念教学，要引导学生思考用什么物理量来表征单位时间物体速度变化的问题。从表面上看，单位时间的速度变化好像与初速度和末速度都有关，其实它们并没有必然的联系。速度为零时，加速度有可能不为零；速度小时加速度可能是大的。教学中就要引导学生摒弃这些非本质的属性，突出单位时间速度的改变能用以衡量物体速度变化快慢的本质属性。再如，在“弹力”教学时，日常观察到的相互作用有推、拉、提、举、引、打、击等。教学要引导学生分析：这些作用的形式是不同的，但这些不同作用的形式，对“相互作用”概念来讲，都是一些非本质的属性。同时引导学生抽象：“物体与物体接触”、“形变”才是这些互相作用的本质属性。再把这些本质属性概括到同一类物体间的相互作用中去，引出“弹力”概念：发生弹性形变的物体由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用。以后再逐步扩展到非接触相互作用的情况。

要注意的是，科学抽象必须经过学生头脑的思考，如果不引导学生进行科学抽象，而由教师包办代替，甚至简单地搬出结论，并要学生记住。这样做的结果是学生的认识往往还是停留在感性阶段，或者感性的东西与理性的东西在他们的头脑中还是处于分离状态，认识并没有实现从感性到理性的飞跃。⁽¹⁾另外，要根据教学具体内容和其他教学实际，审慎地引用某一个或几个典型的事例。许多情况下引用的事例不是越多越好，关键是要引导学生对典型事例进行分析、综合、比较、抽象、概括，揭示事物的本质，然后将事物的本质属性概括到同一类事物中去。

2.定义：明确概念内涵

在引导学生进行抽象后找出事物的本质，要用简洁的语言和符号来表达事物的本质属性，这就是概念的定义。概念的定义揭示了概念的内涵。物理概念的定义法有以下多种方法。

①直接定义法。直接定义法以文字直接陈述为主。一般定义方法有：一是什么叫什么，如物体所含物质的多少叫质量。二是什么是什么。如力是物体对物体的作用；或者是什么称为什么，如具有质量的点称为质点等等。

②比值定义法。比值定义法定义的物理概念是一个比值。这类概念一般是利用某一比值的大小反映事物的特性。如用位移与发生这个位移所用时间的比值表示物体运动的快慢，这就是速度。速度用公式表示为

③乘积定义法。乘积定义法定义物理概念是几个物理量的积。如物体的重力势能等于它所受重力与所处高度的乘积，即E_p＝mgh。此外还有电功，W＝U It等。

④差值定义法。差值定义法定义物理概念是几个物理量的差。如位移（s＝x₂－x₁）、电势差（U_ab＝U_a－U_b）等。

⑤和值定义法。和值定义法定义物理概念是由几个物理量的和。如合力（F＝F₁＋F₂）、总功（W＝W1＋W2）等。

⑥极限思维定义法。极限思维定义法定义物理概念是由几个物理量的数学极限表达式。如瞬时速度、瞬时加速度。

⑦函数定义法。函数定义法定义物理概念是物理量以函数表达式呈现，如正弦交流电（i＝I_m sinωt）等。

给概念下定义要研究学生的思维障碍。如在圆周运动的教学中，线速度对于学生来说是一个新概念。线速度的定义是物体通过的弧长Δl与所用时间Δt的比值。在这之前学生所学的速度是从直线运动定义的，这样学生可能会产生思维障碍。事实上当弧长Δl足够小时，弧长就相当于直线。这时的线速度实际上相当于物体直线运动的瞬时速度。从直线运动向曲线运动扩展，需要新的物理概念：线速度。为了区别于直线运动的速度，在圆周运动物体的速度名称前面加一个“线”字，它也区别于圆周运动的角速度。

给概念下定义要适时。给一个物理概念下定义，应在学生对事物的本质属性有较充分了解或认识的基础上进行。过早给出概念的定义，对学生而言，这些概念是空洞的东西，他们不理解为什么要这样给概念下定义，因而不利于他们形成正确的概念。因此，给概念下定义必须在学生已具备形成概念所必需的清晰观念时才能提出，否则就会影响学生对概念的正确理解和掌握。

3.理解：领悟概念意义

引导学生领悟物理概念的意义，是学生形成正确物理概念非常重要的环节。教师要用多种方法和途径开展一些帮助学生理解物理概念的意义的活动。

首先，应引导学生对概念的定义用自己的话来表述，并让学生分析用自己的话表述的概念与书本概念定义的差异。如果学生能用自己的话正确表述出物理概念的定义，这说明他们初步理解了物理概念的意义，否则是没有真正理解概念。

其次，教师应引导学生理解定义中各个物理量或物理概念的关系。如电阻的概念，R＝U/I是在实验基础上导出的，教师可以要求学生说一说电阻概念中的电压、电流和电阻各个量之间的关系。如果学生以为电阻与电压成正比，与电流成反比，则说明他们没有理解电阻的概念。这时教师要提供一些问题让学生思考，引导学生正确理解电阻的物理意义。如可提出这样一个问题：“因为R＝U/I，如果U＝0，R是否也为零？”学生对问题思考后，如果理解了电阻概念，就会得出正确的结论。

最后，教师要提供一些相似的概念，让学生分析这些相似概念之间的区别与联系。有些物理概念，如初中的压力与压强、温度与热量、热量与内能等，高中的速度与加速度、电压与电动势、功和能、动量与动能等，看起来相似，其实意义不同。教师要引导学生分析相似物理概念的共同点和差异点，使学生在比较的过程中加深理解概念的物理意义。例如，动能和动量是学生容易混淆的两个概念。在教学中，除了向学生讲清这两个概念的相似之处外，更重要的是要让学生比较这两个概念之间的差异。这些差异正表示了这两个概念是从两个不同的侧面反映了同一个物理现象的不同的本质特征：和动能相联系的是外力的功，即动能的变化是外力的空间积累量，它决定物体反抗阻力能运动多远；和动量联系的是外力的冲量，即动量的变化是外力的时间积累量，它决定物体反抗阻力能运动多久。又如电势能与重力势能的比较。因为重力势能学生较为熟悉，可以借助重力势能来理解电势能。两者有相同点：一是重力和电场力做功都与移动的路径无关；二是它们所做功都可以用相应势能变化来进行量度。两者也有不同点：一是重力势能是物体只受到重力的作用而具有的能量，电势能是电荷受到电场力的作用而具有的能量。二是一定质量的物体相对某一零重力势能点，其在某一点所具有的重力势能是唯一的；但是等量大小的电荷在电场中某一点的电势能却因电荷性质不同电势能的大小也不同。学生通过上述比较的学习活动，可以加深对这两个概念的理解。有些物理概念用量的定义式和决定式表示，学生也常常混淆不清。这时教师要引导学生区分概念的定义式与决定式之间的关系，以明确它们的使用范围。如电场强度E的定义式是检验电荷在电场中某点所受到的力F与该检验电荷电量的比值，E＝F/q。而点电荷在空间某点形成的电场强度其决定式是由该点电荷的电量与点电荷到某点距离决定的，即点电荷在空间形成的电场强度是E＝kQ/r²。这是决定点电荷在空间某一位置电场强度大小的式子。像这类的物理量还有电阻、电容等。

另外，可以提供一些问题或练习，让学生运用概念解决问题或运用概念做练习，以帮助学生理解物理概念的意义。它将在下面“运用概念，巩固深化”中讨论。

（三）运用概念，巩固深化

在学生形成并领悟了物理概念以后，要通过运用概念做一些练习和解决一些问题，帮助学生巩固和深化所学的物理概念。为了帮助学生循序渐进地巩固和加深对概念的理解，练习要注意难度的层次性。如先让学生做简单的识记层次的练习，检查学生对所学概念的识记情况；然后让学生做一些简单的理解层次的练习，检查学生对所学概念的理解程度和错误；再进行较复杂的分析与应用类型的练习，强化学生对所学概念的进一步理解。要加强概念建立过程和方法的练习，如关于物体的加速度，下例说法正确的是：A.加速度越大，物体运动得越快；B.加速度越大，物体速度变化越大；C.加速度越大，物体速度变化越快；D.加速度为零时，物体的速度也为零。如果学生不明确加速度概念建立的过程与方法，很容易选错。教学中要利用练习使学生加强对加速度概念的理解，让学生进一步明确加速度是描述物体速度变化快慢的物理量，与物体运动速度大小并无直接关系。

物理概念教学极为重要的环节是引导学生应用物理概念解决问题。为此，教师必须有计划、有目的、有针对性地选择一些贴近学生生活和联系社会实际并具有典型性和灵活性的问题。典型性是指所选择的问题一定要突出概念的基本特征，并要结合学生学习中存在的难点和容易出现的错误。灵活性是指使学生能灵活地正确运用概念去分析、处理和解决有关实际问题。例如，在学习了惯性概念后，让学生分析为什么在公路上行驶的汽车要保持一定车距，为什么可以通过拍打衣服去除掉沾在衣服上的尘灰等问题。

运用物理概念解决实际问题的难度也要有一定的层次性。一开始，提供的问题的难度应当低一点，以后逐步适度加大问题的难度和复杂性。切不可不顾学生学习概念的特点和规律，让学生不切实际地解决一些高难度的问题。这样做只能挫伤学生学习的积极性，不利于物理概念的巩固与深化。

二、物理规律教学的过程

物理规律是反映物理概念之间的必然关系，物理规律教学实质上就是教师引导学生探究物理概念之间的必然关系的认知过程。它一般分“创设情境，提出问题”、“经历过程，探索规律”、“确切表述，理解规律”和“应用规律，巩固深化”四个阶段。

（一）创设情境，提出问题

物理规律的发现一般都是起始于问题。物理规律的教学与前人发现物理规律的过程有一定的相似性，提出问题也是物理规律教学的第一步。李政道说：“求学问，需学问；只学答，非学问。”事实上，任何学习愿望都是在一定的问题情境中产生的。让学生自主地发现和提出问题，学生不但会产生强烈的学习兴趣，激励起学习动力，而且能养成问题的意识和习惯，培养起科学怀疑和批判的思维能力。“教师有必要对一些探究的物理问题创设一些情境，让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题；或者创设一些任务，让学生在完成任务中运用科学思维，自己提炼出应探究的科学问题。”⁽²⁾问题情境的创设有多种多样的途径，如运用观察实验创设问题情境、运用生活生产实践创设问题情境、运用科学模拟创设问题情境等等。

学生学习物理规律与科学家研究物理规律是有区别的。中学生学习物理规律主要是通过学习前人发现的物理规律的过程，来掌握知识与技能，学习研究的过程与方法，培养情感态度与价值观。但是物理规律的教学可以采用科学模拟研究的方法。利用这种模拟物理学家研究来创设物理规律教学的问题情境，可以使学生以研究者的角色进入学习，学会科学地看问题、想问题，逐步了解物理学的探究过程和方法。⁽³⁾

例如在物理必修模块1的“活动建议”中，提出“通过实验研究质量相同、大小不同的物体在空气中下落的情况，从中了解空气对落体运动的影响”。在教学中可以创设出模拟研究的情境：对亚里士多德关于物体下落的观点进行讨论，并要求学生勇于质疑，大胆提出研究问题。学生可能会提出五花八门的有关物体下落的问题，引导学生讨论并把问题归结到“物体下落的情况与哪些因素有关”的研究课题上来，并引发学生对研究课题解决方法的讨论：物体下落情况的含义是什么？影响物体下落的因素可能是什么？可能的因素是空气、物体质量、物体大小、物体的材料、下落的地点……如何来研究这种多种因素影响的研究课题？通过讨论，引导学生利用“控制变量法”，即先把其他变量设为“恒定”，而研究“质量相同、大小不同的物体在空气中下落的情况”。

在许多传统的物理教学内容上，只要适当加以组织，都可以用科学模拟研究的方法来创设问题的情境。如关于“自感”的教学中，可用传统的两个演示实验来创设发现问题的情境：在其中一个实验中小灯泡“通而不亮”，而在另一个实验中小灯泡“断而不熄”。这样的现象会引起学生的好奇，产生“为什么会产生这种现象”的问题，并萌发去研究探索这个现象原因的兴趣。

应当指出，学生的模拟研究并不等同于严格意义的科学研究。两者虽有相似的地方，但学生的研究活动更多地体现为探究的兴趣与过程，保持和发展好奇心与求知欲，形成敢于质疑、勇于创新的科学态度。因此，利用科学模拟研究来创设问题的情境并进行物理规律的教学，要逐步把发现和提出问题的角色让给学生，教师不要包办。

（二）经历过程，探索规律

提出问题之后，如果教师直接解释或解答问题，并给出物理规律的表述，学生则没有经历探究规律的过程，对规律的认识只是表面化的识记，更没有得到科学探究能力的训练。这样的教学忽略“科学过程与方法”的教学，与传统的灌输式或填鸭式的教学相差无几。初中物理课程标准指出，要让学生“通过科学探究，使学生经历基本的科学探究过程，学习科学探究方法，发展初步的科学探究能力，形成尊重事实、探索真理的科学态度”⁽⁴⁾。高中物理课程标准指出，要让学生“经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律”⁽⁵⁾。物理教学不仅要求学生掌握规律本身，还要求学生经历规律的探索过程，学习探索规律的研究方法。因此，教师要重视科学过程的教学，也应该让学生部分经历或全部经历“提出问题”、“猜想与假设”、“制订计划与设计实验”、“进行实验与搜集证据”、“分析与论证”、“评估”、“交流与合作”等科学探究活动。要让学生在科学探究过程中学习建立规律的多种科学方法。在中学物理教学中，建立物理规律的主要方法是用实验归纳法和理论演绎法，或者是两种方法的综合运用。

1.实验归纳法

实验归纳法就是根据要探求的物理规律的问题，设计一个实验或一组实验，通过演示实验或学生实验，并采用归纳推理的方法得到物理规律的认识方法。具体的做法有：

①分析日常经验或实验现象并运用归纳推理得出结论。如电磁感应现象中的左、右手定则，牛顿第一定律，楞次定律等。

②根据大量实验数据和必要的数学工具，并运用归纳推理得到的结论。如胡克定律、万有引力定律等。

③通过实验研究几个物理量的关系时，先通过控制变量法研究其中两个物理量之间的关系，然后加以综合，得出多个物理量的关系。如欧姆定律、牛顿第二定律等。

教师引导学生采用实验归纳法得出物理规律，要根据学生的实际，让学生进行或部分进行设计实验、进行实验、处理实验数据、归纳推理得出规律、评价交流的活动。这样的教学不仅仅让学生学习物理规律，更重要的是让学生掌握研究物理问题的方法，体验物理学研究的过程。实验归纳法是从实验事实中寻找规律的认识方法，一般是不完全归纳法。要注意不完全归纳得出的结论需要进一步的检验。例如，观察到酒精、水银等大多数液体的热胀冷缩现象，并不能由此归纳推理得出任何液体在任何条件下都是热胀冷缩的。4℃到0℃之间的水恰好是热缩冷胀的。但实验归纳法是一种科学归纳法，它推理得出的结论，只要没有出现反例，就具有可信性。但是要注意，既然是归纳，实验设计应该是具有较高的普遍性，实验数据要多组，不能仅一个实验或一个实验数据就得到一条规律。这样不具有科学归纳的严谨性。

2.假说验证法

假说验证法是将某个物理问题的解决先提出假说，再进行实验或理论推理对假设进行验证的认识方法。在中学物理教学中，一般先由教师或学生提出问题，对问题的解决提出假设，然后由教师讲解或指导学生通过实验验证或理论推导，证明假设的正确性。其具体过程为：

①先介绍前人通过实验得出的结果，并以之作为问题的假说，再指导学生进行实验论证得出规律。如光电效应等规律教学。

②将已有的规律作为假说，然后用多种实验方法论证分析。例如在“力的合成”教学中，先让学生对“合力作用效果和几个分力共同作用效果相同，合力和分力遵循什么样的规律”的问题提出假设，让学生通过实验验证假设，最后得出合力大小与方向符合平行四边形法则。再如验证动量守恒定律、验证机械能守恒定律等。

任何规律在某种意义上都可以看成人们对相应问题的一种假设。中学物理教学就可以利用规律的这种性质进行教学，也就是先将要探求的规律视为假设，这种假设正确与否，就需要用各种方法进行检验。中学物理教学经常要用到假设验证法，也是由物理学研究的特点决定的。假设验证法是物理学研究常用的科学方法。例如，对解决问题的方式和答案提出假设，然后用理论或实验进行验证；对物理实验结果进行预测，然后用实验事实进行验证等等。

3.逻辑演绎法

逻辑演绎法是在已知的一般性的前提下，利用数学工具或逻辑推理法则推导出个别性的结论的认识方法。在中学物理教学中，许多物理规律可以引导学生通过演绎法推导出新的物理规律。其具体的教学方法有：

（1）通过数学演绎得出新的物理规律

如在“动能定理”的教学中，引导学生运用所学的知识，找出外力所做的功跟物体动能变化的关系。假设质量为m的物体在外力f作用下，速度由v₁，经过位移s后，速度达到v₂。根据牛顿第二定律和运动学规律，就可以推导出动能定理的数学表达式。另外还有动量定理以及气体状态方程等，都可以通过演绎推理得到。

（2）运用图象导出新物理规律

如图7-4-1，运用匀变速直线运动的速度图象的物理意义，阴影部分的面积表示物体运动的位移，可以导出s。此外还有热学中压强与体积p－V图象、闭合电路的欧姆定律等，都可以用这种方法进行教学。

（3）利用归谬法得到新的结论

归谬法是由某个论题推导或引申出荒谬的结论，从而证明论题不成立的推理方法。归谬法也是遵循演绎法推理过程，从某个一般性前提推演出个别性结论，但推出的结论与一般性前提矛盾，则可以证明这个一般性前提不正确。如伽利略对自由落体运动的研究。伽利略先根据亚里士多德的“一块大的石头下落速度要比一块小的石头下落速度快”的一般性前提，并假定大的石头下落速度为8，小的石头下落速度为4，并进行如下推理：当把两块石头捆在一起时，大的石头会被小的石头拖着而减慢，结果整个系统的下落速度应该小于大的石头下落的速度8。另一方面，两块石头捆在一起，总的重量比大的石头还要重，因此整个系统下落的速度要比8大。这样，在“重物比轻物下落得快”的前提下，推出了互相矛盾的结论。这样就说明了亚里士多德说法的错误。为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落得同样快。归谬法在物理学发展中常常得到应用，如对热质说、以太理论的否定等等。

图7-4-1　匀变速直线运动的速度图象

4.类比推理法

物理学的一些规律是用类比推理方法建立的。类比推理不同于归纳与演绎推理，它是一种个别到个别的推理方法：由不同事物间的某些相同点，推论它们在其他方面亦相同。库仑定律的发现起始于库仑借助于万有引力的规律进行类比推理，对电荷作用力的规律作了猜测，然后用实验进行验证。从光能够像机械波那样发生干涉、衍射，从而得出光是一种波动的结论，也是一种类比推理。狄拉克对正电子的预言、德布罗意对物质波的预言、卢瑟福提出原子结构的行星式原子模型假说等成功解释，无不与类比推理有关。类比推理在学习物理中也是不可缺少的。如由直线运动的位移与速度有关，推出圆周运动的角位移也应与角速度有关；由重力势能的大小与物体的质量有关，推出电势能也应与带电体所带电量有关等等都是类比推理的结果。当然类比推理初步得到的结论的正确性需要实验的进一步检验。

（三）确切表述，理解规律

在学生利用观察、实验、逻辑推理初步认识到相关的物理规律后，教师要引导学生用语言准确地表述出物理规律，它们涉及文字表述或定量的公式表达。物理规律的准确表述体现了物理规律的科学性与严谨性。物理规律的表述方式主要有以下几类：

1.物理规律的表述

（1）物理规律的条件式表述

由于任何物理规律都是在一定条件或状态下成立的，因此物理规律表达中一般都包含着条件。如理想气体方程的条件是“在一定质量的理想气体”中，气体体积、压强、温度三个物理量之间的关系；机械能守恒定律的条件是“物体只受重力或弹力作用下”，机械能才守恒；牛顿第一定律成立条件是“在不受任何外力作用下”，物体所具有保持静止或匀速直线运动的性质。

（2）物理规律的结果式表述

如果说物理规律的条件是前提，那么物理规律后一半内容就是在这样的条件下物理概念之间必然产生某种关系的结果。因此，物理规律可以写成“如果……，那么……”的语句。如理想气体方程的肯定表述：如果是一定质量的理想气体，那么压强与体积之积除以温度是一个常量；机械能守恒定律也可以表述为：如果物体只受重力或弹力的作用，那么物体的机械能保持不变。否定表述的规律如热力学第一定律：第一类永动机是不可能制成的。其内容也可以写成“如果热机的工作物质不从外界吸收热量，那么热机就不可能周而复始地向外放出热量或对外做功”。此外，否定表述还有热力学第二定律：第二类永动机是不可能制成的；热力学第三定律：绝对零度是不可能达到的。

（3）物理规律的定性表述

物理规律的定性表述主要以文字准确地表达规律的含义。定性表述的文字要准确，不能有歧义。如楞次定律内容：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律中的“阻碍”也不能用“阻止”替代。“阻碍”作用不能理解为“阻止”作用，阻碍的作用表现在：即原磁通量增大时，感应电流产生的磁通量方向与其相反；原磁通量减小时，感应电流产生的磁通量方向与其相同。再如牛顿第一定律的文字表述：任何物体在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这里的“外力”不能轻易用“力”替代。

（4）物理规律的定量表述

物理规律的定量表述不仅表现了物理概念之间的必然关系，而且这种必然关系可以用定量关系表述，它一般用物理公式表示。如法拉第电磁感应定律反映了电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比，用公式表示为E＝ΔΦ/Δt。胡克定律f＝kx反映了弹力与弹簧伸长长度之间的关系。若在弹性限度内，k一定，则弹力与弹簧伸长长度成正比例关系；F＝ma反映了力与质量、加速度之间的关系。

在定量表达式中的系数有特定的物理意义。

①系数反映物质的某一性质。如胡克定律f＝kx，式中的k称为弹簧的劲度系数。其单位是牛顿每米。它的物理意义反映弹簧的“软”、“硬”度。在弹性限度内同一弹簧，劲度系数是一个恒定的量。它是由弹簧本身性质决定的，与弹簧的形变量以及弹力大小无关。但是，我们可以根据弹力的大小和弹簧形变量测定劲度系数。类似还有电阻定律中，电阻率ρ是表征材料性质的一个物理量，它与材料的长度与截面积无关。

②系数是一个适当的常数。牛顿第二定律中F＝kma，通过单位的定义将系数简单化。比例系数k的选取有一定的任意性，只要是常数，它就能正确表示F与m、a之间的比例关系。如果选取k＝1，当物体的质量m＝1kg，在某力的作用下它获得加速度是a＝1m/s²时，则F＝ma＝1kg・m/s²。我们就把这个力叫做“一个单位的力”。也就是说，如果质量和加速度的单位分别用千克和米每二次方秒表示，力的单位就是千克米每二次方秒。

③系数是普适常量。如引力常量是自然界中少数几个最重要的物理常量之一。牛顿最先得出万有引力计算式，但是无法算出两个物体之间引力的大小，因为他没有测量出或计算出引力常量G的值。100多年之后，英国物理学家卡文迪许在实验室里通过巧妙地利用扭称装置第一次比较准确地得到了G的数值。物理学普适常量还有光速、普朗克常数等。

定量表述中，通过量纲方法来讨论物理公式中的比例系数可以使学生加深对物理规律公式的理解。

2.理解物理规律

要使学生真正理解物理规律，教学要重视以下几点：

（1）让学生经过规律的发现过程

如在牛顿第二定律的教学中，让学生通过实验探索加速度与力的关系以及加速度与质量的关系，得出在质量一定的条件下加速度与外力成正比、在外力一定的条件下加速度与质量成反比的结论。在此基础上，引导学生总结加速度、外力和质量的关系，归纳出牛顿第二定律。这样做能让学生知道建立规律的来龙去脉，有助于他们理解其物理意义，能防止学生不理解而死记硬背规律。

（2）引导学生对规律表述的关键词和物理量进行推敲

如对牛顿第二定律的表述“物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同”中的“加速度”、“合力”、“正比”、“反比”、“方向”等术语的推敲，使学生明确牛顿第二定律反映了物体运动的加速度与物体的质量、物体所受的合力之间的定量关系，也表明物体所受的合力与加速度之间的因果关系和瞬时对应关系。对物理规律表述进行分析和推敲，可以帮助学生深刻理解物理规律。

（3）明确物理规律适用条件

物理规律适用条件的教学是物理规律教学极为重要的环节。物理规律一般都是在一定条件下、在一定范围内建立起来的，因此它们都有其适用条件和范围。如牛顿运动定律、动量守恒定律、机械能守恒定律、库仑定律等，只有满足适用条件该规律才是正确的，超出适用范围，就不再是正确的了。如在动量守恒定律的教学时，要通过各种教学活动让学生明确动量守恒定律的适用条件：①系统不受外力或受到的合外力为零的情况。②系统受到的外力比内力小很多以至可以忽略外力的影响。③系统整体上不满足动量守恒的条件，但在某一特定方向上，系统不受外力或所受外力远小于内力，则系统沿这一方向的分动量守恒。

（4）引导学生对相关物理规律进行分析与比较，明确它们的区别联系

这样做一方面可以将新学的物理规律与已学过相关物理规律进行比较，建立联系，从而形成理论体系。如学完牛顿三大定律后，可以让学生对三个运动定律进行比较。在牛顿三大定律之间的关系中，第一定律不是第二定律在加速度为零时的特殊情况。牛顿第一定律所反映的物体具有的本质属性——惯性，是第二定律所不能反映的。热力学定律中，第一定律与第二定律也有相互关系，如低温物体的热量可以传到高温物体。这并不违背热力学第一定律，但是低温物体的热量不能自发地传向高温物体。热传递需要满足热力学第二定律，热量才能进行转移。加强对相关物理规律的比较与系统化，学生才能更全面地掌握物理规律体系及它们的内涵。

（5）让学生物理规律的文字表述、数学公式和图象互译，加深理解物理规律的意义

如在“波的图象”的教学中，让学生清楚理解图象的物理意义：x轴表示波的传播方向，波在此方向上做匀速直线运动；y轴表示各质点在某时刻偏离平衡位置的位移，各质点以平衡位置为中心做简谐运动。如光电效应方程E_k＝hυ－W，用数学式表达了光电子动能E_k与入射光频率υ之间的关系。图7-4-2就形象地反映了光电子的初动能与入射光强度无关，只随着入射光频率增大而增大的线性关系。而且从7-4-2图象中，可以直接看出产生光电效应需要有一个最低频率，即极限频率υ₀。

图7-4-2　光电子的初动能与入射光频率的线性关系

（四）应用规律，巩固深化

在学生充分理解了物理规律内涵和适用条件的基础上，要引导学生运用物理规律的知识解释自然界和生活的一些现象，分析和解决有关的实际问题。在提高学生运用物理知识分析和解决实际问题的能力的同时，进一步巩固和深化所学的物理规律的知识。

1.通过习题运用规律

通过安排一些典型的例题和习题，帮助学生全面地理解物理规律，培养学生运用规律解决实际问题的能力。在这一过程中，教师可以通过典型例子进行示范，使学生结合对实际问题进行讨论，深化、活化对物理规律的理解，并逐步领会分析、处理和解决问题的思维方法。如牛顿第二定律的应用可以分为三个方面：一是已知力F，求加速度a；二是已知加速度a，求力F；三是由m＝F/a来解释惯性与质量的关系。针对上述三种情况，可以各设计一系列典型例题，从而达到培养学生运用物理规律解决实际问题的能力。在习题练习时，不能简单地套用公式，需要理解规律的内涵和外延。有时通过物理规律所求得方程的解不一定是该物理问题的解。教师必须引导学生对物理习题的数学结论进行检验和讨论，从而得出符合物理意义的正确答案。

2.应用规律解决生产生活中问题

物理规律是人们对物理事物在一定条件下的正确认识，在人们的生活和生产中有广泛的应用。物理规律的教学要引导学生应用规律的学习活动。如学习了动量定理后，可以让学生解释以下两类典型问题：（1）从同一高度处落到海绵和水泥地面的鸡蛋，哪个更容易碎？为什么？（2）把重物压在纸带上，第一次用一个水平力将纸带从重物下缓慢抽出，第二次用另一个水平力将纸带迅速抽出，试分析哪种情况下重物的动量变化大？学生在应用动量定律分析和解释这两个问题中的现象时，要灵活运用动量定律。对第一个问题的解决，学生要用“当鸡蛋的动量变化一定时，鸡蛋着地时所受的外力与撞击时间成反比”的知识来解释它。对第二个问题的解决，学生要用“当纸带所受的外力一定时，重物的动量变化与运动的时间成正比”的知识来解释它。

重视物理规律应用的教学，一方面可以使学生加深对物理规律的整体认识，另一方面能使学生认识到物理知识的应用价值，对激发学生学习物理的兴趣和求知欲，培养学生应用物理知识分析和解决实际问题的能力，有积极的作用。

［附］物理概念与规律教学案例二则

案例1：速度改变快慢的描述——加速度（人教版高中物理必修1）

【教学目标】

1.知识与技能

（1）理解加速度是表示速度变化快慢的物理量；

（2）会用速度的变化量与所用时间的比值求加速度的大小；

（3）理解加速度是矢量，会判别加速度的方向；

（4）能区分加速度与速度、速度的变化、速度的变化率之间区别；

（5）会用匀变速直线运动的v－t图象求加速度。

2.过程与方法

（1）观察物理现象并抽象出加速度的概念；

（2）会用比值法定义加速度；

（3）经历有关加速度方向的讨论和对话；

（4）会用加速度的知识分析和解决实际问题。

3.情感态度与价值观

（1）知道加速度来源于生活实际，体会物理概念的知识价值；

（2）勇于参与加速度方向的讨论、对话，有参与学习和学习成功的体验感。

【教学重点】加速度概念的建立及理解。

【教学难点】加速度方向的确定。

【教学方法】师生对话、讨论、阅读、练习相结合的综合方法。

【教学用具】自制多媒体课件。

【教学过程】

一、创设情景，提出问题

学生观看视频。情景1：火车出站、行驶和进站过程的视频。情景2：观察汽车起步与紧急刹车过程的视频。情景3：观察飞机起飞、飞行与降落过程的视频。

教师：火车、汽车、飞机行驶速度，哪个变化得快？哪个变化得慢？能否用一个物理量来描述物体速度变化的快慢？

学生思考、议论。

二、引导探索，建立概念

教师：某小型汽车从静止加速到100km/h用了15s时间；火车从静止加速到150km/h用了120s时间；飞机从静止加速到300km/h用了30s时间。请问三种交通工具速度变化大小依次是怎样？

学生：飞机变化最大300km/s，其次火车150km/s，汽车最小100km/s。

教师：这是否能反映出三者速度变化的快慢呢？

学生：不能。

教师：用什么样的一个量可以衡量三者速度变化的快慢呢？

在学生议论领悟到可以用单位时间的速度变化来衡量速度变化的快慢时，教师提示请同学们分别计算三种交通工具速度与时间比值大小。

学生：飞机2. 8m/s²、火车0. 35m/s²、汽车1.85m/s²。

教师：可见飞机起飞速度变化最快，火车最慢。表示速度变化大小与时间的比值是一个什么样的物理量呢？请同学们阅读课本P26的关于加速度的阐述，并思考：加速度的物理意义是什么？数值大小等于什么？加速度的单位是什么？

PPT展示：加速度是速度的改变量与发生这一变化所用时间的比值。

加速度的表达式为：

式中，v₂、v₁分别表示物体运动的末速度和初速度，Δt是质点的速度从v₁变化到v₂所需的时间。

学生讨论并回答：

加速度的物理意义。加速度是表示速度改变快慢的物理量；其大小在数值上等于单位时间内速度的改变；在国际单位制中，加速度的单位是米每二次方秒，符号是m/s²。

教师：速度有平均速度与瞬时速度，加速度是否一样也有平均加速度与瞬时加速度之分？

学生讨论并回答：平均加速度是一段时间内加速度的平均值。而瞬时加速度是物体在某一时刻或某一地点的加速度。

教师：有一汽车在3s内速度由2. 5m/s增加到10m/s；另一汽车在3s内速度由10m/s减速小到2. 5m/s，则它们的加速度大小分别是多大？

学生利用加速度公式计算得出：两者加速度大小都是a＝2. 5m/s²。

教师：两者加速度大小相同，但是一辆汽车做加速运动，另一辆汽车做减速运动，仅有加速度大小能不能描述物体的速度变化情况？

学生领悟：还需要判别加速度的方向，加速度也是一个矢量。

教师：那么，怎么样来判别加速度的方向呢？

PPT展示问题：当汽车加速起步时，有一加速度，汽车的速度越来越快；而汽车刹车时也有一加速度，汽车速度越来越小。加速度方向与物体运动速度方向有怎样关系呢？（汽车作直线运动，并选择初始速度方向为正方向）

学生讨论并回答出：

（1）若v₂＞v₁，速度增大，如图7-附-1表示的方向与速度改变量的方向相同，也与初速度方向相同，为正值。

图7-附-1　方向与速度改变量的方向相同，与初速度方向也相同

（2）若v₂＜v₁，速度减少，如图7-附-2表示的方向与速度改变量的方向相同，但与初速度方向相反，为负值。

图7-附-2　方向与速度改变量的方向相同，与初速度方向相反

学生归纳结论：在直线运动中，加速度a的方向与速度改变量Δv的方向相同。即如果速度增加，加速度方向与初速度方向相同；如果速度减小，加速度方向与初速度方向相反。

教师：若v₂＝v₁，即物体做匀速直线运动，则加速度大小与方向又如何？

学生：速度大小、方向都不改变，速度改变量Δv为零，故加速度也为零。匀速直线运动是加速度为零的运动。

PPT展示问题：图7-附-3直线m、n与图7-附-4直线所描述的图象情况，请判断哪条直线所描述的物体做加速运动，哪条直线所描述的物体做减速运动？为什么？

图7-附-3　直线向上倾斜，物体加速度为正

学生讨论并领悟：图7-附-3中，直线m、n描述的物体做加速运动，图7-附-4直线描述的物体做减速运动。图7-附-3物体速度随着时间逐渐增大，直线向上倾斜。图7-附-4物体速度随着时间逐渐减小，直线向下倾斜。

图7-附-4　直线向下倾斜，物体速度随时间减小

学生归纳结论：通过v－t图象直线的倾斜，可以判断加速度的方向。直线向上倾斜，物体的加速度为正，即与物体的初速度方向相同。直线向下倾斜，加速度为负，负号表示加速度方向与初速度方向相反。

教师：图7-附-3中直线m的加速度与直线n的加速度哪个大？

学生：直线m比直线n倾斜大，故直线m所代表的物体比直线n所代表的物体加速度大。

教师：若v－t图象中是一条平行于时间轴的直线，则其加速度大小又是如何？

学生：物体做匀速直线运动，加速度大小为零。

教师：在v－t图象中可以通过计算加速度的大小。

师生共同总结：可以用两种方法判断加速度方向。方法一是矢量法，方法二是v－t图象法。

三、及时小结，巩固提高

教师：请同学们讨论速度v、速度改变量Δv和加速度a的关系，并填写下列表格。

通过以下问题引导学生自主总结本节课所学习的内容：

1.什么叫加速度？它的定义式、物理意义、单位各是什么？

2.加速度与速度之间有什么关系？

3.怎样理解加速度的正负号？

4.根据v－t图象怎样求加速度？

四、课堂练习，深化理解

请学生在课堂上完成P29上“问题与练习”的1、2、3题。教师巡回检查，随时指导。如果有共同问题，教师则作必要的讲解。

布置课外作业（略）

案例2：磁生电（浙江教育出版社，义务教育课程标准实验教科书［科学］8年级下）

【教学目标】

1.知识与技能

（1）知道电磁感应、感应电流概念；

（2）知道产生电磁感应的条件；

（3）会使用线圈以及常见的磁铁完成简单实验。

2.过程与方法

（1）能选择实验器材设计电磁感应实验；

（2）能操作实验，观察、记录结果；

（3）能从实验现象中推理得到电磁感应的条件。

3.情感、态度与价值观

（1）体验实验发现规律的乐趣，养成探究的良好习惯；

（2）感受法拉第热爱科学、献身科学的精神。

【教学重点】引导学生进行实验，分析论证得出电磁感应产生条件

【教学难点】怎样进行实验，怎样把电磁感应的条件与磁感线联系起来

【实验器材】大小螺线管、铁心、电池、电流计、条形、蹄形磁铁、线圈、滑动变阻器、电键等

【教学方法】实验探究教学方法

【教学过程】

一、创设情境，提出问题

教师：（重做奥斯特实验）请同学们观察后回答，这个实验揭示了一个什么现象？

学生：它说明电流周围能产生磁场。

教师：奥斯特实验揭示了电和磁之间的联系，说明电可以生磁。那么，可不可以反过来进行思考，磁能否生电呢？怎样才能使磁生电呢？

二、实验探究，发现规律

1.设计实验

板书：〈一、实验目的：探索磁能否生电，怎样使磁生电〉

教师：能否根据实验桌上已有的器材，自己设计实验并让磁场产生电流？

投影以下问题供学生思考与讨论：

①怎样利用桌上器材得到磁场？

②怎样判断导线或线圈中有没有电流？

③自行选择器材设计实验，并记录自己在实验中的发现。

④根据实验现象，总结怎样才会产生感应电流。

学生：根据研究的对象，需要有磁体和导线；检验电路中是否有电流需要有电流表；控制电路必须有开关。

提示学生：①蹄形磁铁的N、S极和磁感线的方向在哪个方向？②按课本图所示装置安装实验器材。③实验时怎样把导体放在磁场里观察是否产生电流？导体是平放，竖放还是斜放？导体在磁场中是静止，还是运动？怎样运动？引导学生依次对这几种情况逐一进行实验，探索在什么条件下导体在磁场中产生电流。

2.学生实验

学生组装实验器材，并进行实验，教师在学生实验过程中巡回指导。

3.交流评价

学生做完实验后，小组间进行交流与评价：先由学生报告自己的发现，并提出一种情况让其他小组同学来纠正或做补充再由教师整理。

学生讨论与交流得出：当闭合电路的一部分导体在磁场中左右或斜着运动时，会产生感应电流。

三、准确表述，理解规律

教师：为什么导体在磁场中左右、斜着运动时能产生感应电流呢？如何找出其中规律性的东西？

教师提示（在学生充分议论基础上）：它与磁感线会不会有什么联系？

学生讨论分析：左右、斜着运动时切割磁感线。上下运动或静止时不切割磁感线，所以不产生感应电流。

教师：通过此实验可以得出什么结论？

学生归纳、概括后，教师板书：〈二、实验表明：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流。这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。〉

板书课题：〈第一节电磁感应〉

教师：电磁感应现象是英国的物理学家法拉第发现的。他经过十年坚持不懈的努力，才发现了这一现象。这种热爱科学、坚持探索真理的可贵精神，值得我们学习。这一现象的发现进一步揭示了电和磁之间的联系，导致了发电机的发明，开辟了电的时代，所以电磁感应现象的发现具有划时代的意义。

讨论1：法拉第刚刚开始研究“磁生电”时，把闭合电路静止地放在磁场中期待电路中出现电流，但没有发现电流。请你说明这样的实验为什么不能产生感应电流。

学生讨论后，明确电磁感应实验产生感应电流的条件“闭合电路”、“切割磁感线”。

引申：如果电路不闭合，情况又会怎样呢？（留课后思考）

讨论2：电磁感应中产生了感应电流，说明有电能了。这个电能是怎样来的？

引导学生讨论：在电磁感应现象中，导体作切割磁感线运动，是什么力做了功呢？它消耗了什么能？得到了什么能？在电磁感应现象中是什么能与什么能之间的转化？

板书：〈三、在电磁感应现象中，机械能转化为电能〉

四、应用规律，巩固深化

1.引导学生小结：本节课你怎样做实验，探究了哪几个问题？

2.电磁感应在生活中有许多应用。有一种手摇发电的电筒（如图7-附-5所示），请同学们观察它的构造，尝试使用它，思考其中的能量关系（事先提供若干支手摇发电的电筒）

3.阅读课本P119“交流发电机的工作原理”

4.课本上的练习1、2、2、4题。

图7-附-5　手摇发电的电筒

思考题

1.为什么说概念和规律的教学在中学物理教学中具有十分重要的作用？

2.除了要遵循中学物理教学的基本原则之外，物理概念和规律的教学还要达到哪些教学要求？

3.结合初中或高中物理教科书一节课，说明中学物理概念教学的基本过程。

4.领悟物理概念的意义是学生形成正确物理概念非常重要的环节。教师要用哪些方法和途径开展一些帮助学生理解物理概念的意义的活动？

5.结合初中或高中物理教科书一节课，说明中学物理规律教学的基本过程。

6.在物理规律的教学中，要开展哪些教学活动以帮助学生理解物理规律？

【注释】

(1)许国梁.中学物理教学法.北京：高等教育出版社，1994：129.

(2)教育部.高中物理课程标准（实验）.北京：人民教育出版社，2003：49.

(3)朱铁成.物理教学发现问题的情境的创设.课程教材教法，2005，（9）：67.

(4)教育部.初中物理课程标准（实验）.北京：北京师范大学出版社，2001：2.

(5)教育部.高中物理课程标准（实验）.北京：人民教育出版社，2003：9.