物理概念教学论文模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇物理概念教学论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

物理给学生的感觉是比较高深的，所以很多时候他们畏惧学习物理，并非物理学科难度高，而是其本身存在一个错误的认识．但是如果学生在学习物理的过程中，有一些生活中的经验和认识(正确的前概念)与物理知识是相符的，他们就会对物理学科产生一种认同感．而教师就需要更多地发现学生正确的前概念，利用其正确的前概念来引发学生共鸣，消除其对物理学科的畏惧心理，使他们更加了解物理的本质．

2．鼓励学生体验学生正确的前概念

一旦遇到了物理课堂上的知识与现象，就会产生神奇的“化学反应”．所以我们在进行物理教学中，遇到难点、重点的内容，应该鼓励学生体验，充分激发学生正确的前概念，形成一种正迁移．

二、初中物理教学中如何改变学生错误的前概念

1．预测学生前概念学生生活在同一个社会，年龄相当，知识水平差异不大，所以他们的前概念大多都是类似的，而其错误的前概念也是相仿的．比如，大部分学生都认为轻的物体落地快、重的物体落地慢，认为力是维持物体运动的原因……这些前概念可能教师在学生时代也曾有过，所以可以大概预测到学生错误的前概念．对于学生可能具有的错误前概念，教师不能视而不见，那样的话学生可能会形成一种思维定式，难以相信科学，相信课本，如果他们不认真听讲，那么错误的前概念有可能会变成错误的认识，伴随学生一生．所以教师要准确预测学生错误的前概念．只有这样，才能设计一些思维的冲突，激发学生的好奇心，吸引学生的注意力．

2．利用认知冲突，激发学生的好奇心理

好奇心存在的必要条件就是对事物的不熟悉、不了解，或者是存在认知冲突．所以我们可以利用学生错误的前概念来形成一种认知冲突，让学生直观面对自身认识与科学原理之间的矛盾，在矛盾中产生对科学知识的渴求，激励他们改变认知结构，将所学的物理概念内化为自己的认知．比如，在学生的已有经验中，铁块是会沉于水中的，所以他们会想当然地认为铁块在其他液体中一样会沉底，这是学生学习物理之前固有的认识，也就是前概念．因为具有这样的前概念，所以学生在学习阿基米德原理的时候，想当然觉得在水银中铁块也会沉底．于是我演示实验的时候，学生都全神贯注，并且胸有成竹．但是当他们看到铁块在水银面上漂浮着的时候，十分诧异，觉得不可思议．于是他们产生了好奇的心理，注意力都集中到了课堂上．所以说，利用学生错误的前概念与新知识之间的冲突，可以激发学生的好奇心理，也可以加深学生的印象．

篇2

二、理解物理概念的内涵

只有理解了内能与很多因素有关，才能知道为什么“温度高的物体内能一定大”是错的，只有知道了热量是过程量，才能明白为什么“高温物体含有的热量多”是错的，只有知道明白热传递的实质，才能明白为什么“高温物体吧热量传给低温物体”是错的，因此精心设计了内能的大小与哪些因素有关教学内容，通过课件呈现大量的事实、数据和模拟动画等，为学生理解内能的内涵提供切实有效的帮助，体现教师的主导作用。最后的一道反馈题也具有较好的典型性、针对性。

三、了解物理概念的外延

学生如果没有理解内能的概念，单纯地从文字去理解很难回答这个问题，从教学效果来看，有相当一部分学生在内能概念的学习上显得很生涩，对概念无从谈起。如果老师引导学生从物理概念本身来分析，内能是指物体内部所有分子做无则运动的动能和分子势能的总和。这个概念的外延即泛指物体内的一切能量，那么它的外延明显就宽于热能。热能本质上指物体内部所有无规则运动的动能，热能属于内能范畴，但内能不光包括热能。从概念间的关系看，内能和热能亦是一种从属关系。引导学生认识了概念的外延，就加深了对概念本身的理解，更容易辨析其他相关的易混淆的概念了，问题自然迎刃而解。

四、了解概念与有关概念的联系与区别

概念与概念之间既有联系，又要通过比较，了解概念之间的区别，避免概念之间的混淆不清，这对于学生正确地理解概念，也是十分必要的．本节课内能与机械能，温度、热量、内能几个概念之间既有联系又有本质区别的概念，学生只有认清了它们之间的联系与区别，才能准确地理解以上的概念．教学中能引导学生进行思维加工，抽象概括出概念的本质属性，其中对比是一种有效的方法。例如上文所述，内能的概念可以概括成分子动能和分子势能两部分的能量，而机械能可以概括成宏观上的物体动能和势能的总和，本质上内能是微观层面，机械能是宏观层面；内能本质上是状态量，而热量是热传递过程中的过程量，所以不能说“具有多少热量”；温度是表示物体冷热程度的状态量，温度不能“传递”和“转移”，但两个不同状态间是可以比较温度高低，反映温度差的，存在了温度差，就会发生热传递，在这个传递过程中，吸收或放出热量。

篇3

比较法是根据一定的标准对某类现象在不同情况的不同表现进行比较的一种研究方法。比较的过程是使人在思想上确定事物（现象）之间异同关系的思维过程。凡是比较，都是在一定关系上根据一定的标准进行的。

由于比较法很适合于初中生学习物理知识，所以教材中很多概念，如速度、惯性、比热、密度、压强、等等，都是用比较法引出的，这种方法的作用应引起各位同仁的足够重视。本文就比较法在初中物理概念教学中的突出作用，谈一些粗浅的看法。

一、比较法为概念的引入提供了思维的支撑点

初中物理概念的引入往往用实验的方法，然后对实验的现象和结果加以比较进行的。比热概念的引入就是一个典型的例子。教材为了研究物体的吸热多少跟物质种类的关系，就将不同物质水和煤油的吸热现象进行比较；由于比较必需在同一标准下才能进行，就对实验的条件进行了控制，使水和煤油质量相等，初温相同，吸收的热量也相等，以实现“单因子”实验；这样，排除了质量和温度升高等方面的干扰，突出了吸热和物质种类的关系，通过水和煤油在同等条件下吸热情况的比较，为“比热”的引出提供了思维的支撑点。

又如：在“电磁感应”概念的教学中，教师先点明，在以下实验中，使用的灵敏电流计、导线、开关、磁场及磁场中运动的导体都是完全一样的，现在，按下述步骤进行演示：（1）电路闭和，当导体在磁场中不运动或平行于磁场线运动时，电流计指针不偏转，表明导体中不产生电流。（2）电路闭和，一部分导体在磁场中作切割磁场线运动，电流计指针偏转，表明导体中产生了电流。（3）在前步实验的基础上，分别取磁场线方向相同而改换导体运动方向，再取导体运动方向相同而改换磁场线方向，观察电流计指针偏转方向有何不同。（4）电路断开，导体在磁场中作切割磁感线运动，观察电流计指针是否偏转。在实验过程中，引导学生比较（1）、（2）两步的差同，就可以建立电磁感应这一现象的感性认识，比较（2）、（4）两步的差同，可以使这一感性认识深化，即明确感应电流产生的条件；比较（3）步实验的不同条件，不同现象，就可以理解决定感应电流方向的两个因素。最后，教师指出联系：左手定则。类似地，能否用什么方法来解决感应电流方向、磁场线方向、导体运动方向这三者的关系呢？于是引出右手定则，并通过例题让学生练习使用这一定则。这堂课，学生较牢固地掌握了电磁感应这一重要物理现象，并能用定则分析具体问题，更重要的是，他们又一次体会到比较法在物理概念中的重要作用。物理教材中有很多重要的演示实验和学生实验都是按比较法来编写的，如欧姆定律、电功、凸透镜成像等等。这既符合发现物理定律的规律，也符合人们认识事物的规律。我们在教学时，要有意识地传授这一思维方法，并提醒学生注意：有些现象中，条件的改变，只使这一现象发生量的变化，如欧姆定律中，电压、电阻的变化，只是使电流发生数值的变化；而有些现象因为一个条件的改变，将发生质的改变，如交、直流发电机模型，就因为铜环和半径的差异，导致外电路得到的电流在本质上有很大的差异。

二、比较法可使学生对概念的理解和掌握更加深刻

由于概念所反映的事物的本质特征往往隐蔽在非本质特征之中，概念和概念之间的联系和区别易使学生混淆，影响着学生对所学概念深刻、准确地把握。突出比较法，可使学生抓住概念的本质特征，对概念有更全面、更深刻的理解和把握。

例如，重力和压力，是学生极易混淆的概念，一些学生常将压力和重力间的某些特殊情况下的关系一般化，往往认为“压力的大小总等于重力的大小”甚至认为“压力就是重力”。为此，笔者在教学中，设置了能暴露和纠正学生这一错误的比较性例题如下，通过做题，将压力和重力进行比较，收到了明显效果。

例1：在下列各图中，物体A重15牛，力F=7牛，求物体对各接触面的压力各是多少？这样，通过该题中对各种情况下压力的求解，能够从定义、力的三要素角度对压力和重力进行比较，使它们间的区别和联系有一更深刻的揭示。可见，抓住概念的本质特征进行比较是使学生理解和把握概念的有效果方法。

三、比较法可使学生灵活运用概念，促使概念活化

一个物理概念的表达式中，包含了定义方式、物理意义、及单位等内涵。将表达式间进行横向比较，能促使学生记忆概念、活化概念和深化概念。例如，速度概念的表达式V=S/t和功率的表达式P=W/t相比较，它们都有反映了另一物理量变化快慢的共同特征；它们的单位都由另外两个物理量的单位复合而成。另外，象密度、电阻率、比热等概念，从公式上都可看出，对同一物质来说，它们的比值都一个“常数”，反映着物质本身的属性。这可消除诸如“电压为零时，导体的电阻为零”、“一杯水比热（密度）比半杯水的比热（密度）大”等之类的错误。

四、通过比较促进知识的正迁移

例如：把两只标有220V、40W和220V、100W字样的白炽电灯分别进行并联或串联后，接入220V的电路中，判断这两种情况哪个灯泡较亮？根据平时的经验都是100W的灯泡较亮一些，即使老师通过分析和讨论得出串联时40W较亮，并联时100W的较亮。但仍有一部分同学对分析感到不可靠，但如果我们通过可控实验来进行对比，学生就会信服了。

五、利用比较法可以防止知识的负迁移

在应用概念解决问题时，对物理现象不同方面的精细比较，为概念的正确应用提供了出发点，正确的概念应用建立在对不同物理现象比较的基础上。例如，用惯性概念解释图2所示，当突然拉动小车时，木块向后倒的现象时，思维的起点和关键，就是要通过比较拉动前后，小车状态的不同之处，揭示小车拉动前后，木块上部和下部的相同点和相异点。

学生在应用概念解决问题时，就在头脑的记忆中搜寻以前经历过的相类似问题，通过某些同方面的比较，拟定解题方案，这是学生在物理练习中思维广泛采用的一种比较方法。

如果学生在应用概念解决问题时，对新旧问题不仔细地进行比较，既看到它们间的相同，又看到它们间的相异点，采用“拿来主义”的态度，盲目代换，就会出现概念僵化，形成知识的负迁移。如：许多学生在判断图3所示，当小车突然向前移动时，瓶内液体中的气泡向什么方向移动的问题时，会照搬前面图2中小车突然向前时，木块向后倒的结论，得出气泡向后移动的错误结果。可见，对概念的灵活应用离不开比较思维。

又如：在学习动滑轮之后，学生由于受“拉力是重物和动滑轮总重的一半”的影响，他们认为：只要用一个动滑轮，拉力一定是重物和动滑轮总重的一半。为了解决这个问题，可利用如图的练习进行比较，使学生懂得了结论的适用条件，有效的防止了知识的负迁移。

六、将物理概念与生活相比较

有些物理概念看似深奥难懂，若将其与一些生活常识相比较，则能起到化难为易的较果。如：由于“电压”和电场力做功的概念有关，一般初中课本中对电压都没有明确的定义，教材采用直接引入的方法，这对学生掌握这一概念是不利的，有不少学生学了“电压”这一课后，仍然模模糊糊，说不出它是什么，更不了解它的物理意义。所以说电压的概念，是初中学生感到最抽象、最难理解的概念，在初中阶段还无法讲清，对初中学生来说，接受起来有一定难度。这样，也会影响学生的学习兴趣。因此，我就采用这种方法。

用多媒体展示水流的形成，让学生观察实验，得出要使水能够流动必须要有水位差（水压），然后再设问：要使容器中的水长久地流动而不是瞬间流动应采取什么方法呢？这样一设问，学生纷纷讨论，气氛很活跃。最后，教师总结产生水流的条件是有水压，提供水压的装置是抽水机。这样，就为类比埋下了伏笔。

（1）元件的类比：把电流形成中的各个元件和水流形成的各个装置相类比。小灯泡犹如小涡轮，开关犹如阀门，电路犹如水路

（2）形成过程的类比：从水流的形成过渡到电流的形成。

（3）作用的类比：从水压的作用过渡到电压的作用，从抽水机的作用过渡到电源的作用。

篇4

一、以学生为主体，培养学生创新性解决问题的能力。

习题教学是初中物理教学中的一个重要环节，在通常观念中，习题教学中很难进行创新教育。以前的习题教学是单一模式----课上老师讲例题，课后学生搞题海战。因此，若能把创新教育运用到习题教学中去，优化习题教学方法，必将促进学生创新思维的形成，更好地推进创新教育的发展。

在实际教学中常常遇到这样的情况：老师埋怨学生做过多次也讲过多次的题目，仍然考不出来，老师把这一问题简单地归纳为学习不踏实。学生有时会觉得上课是听懂了的，课后却不会做。老师却把这归结为学生上课听不懂。这些认识是不全面的。物理学习本身不是看懂、读懂的，也不是听懂的，而是“悟懂”的。

因为这些学生平时做题只是机械性记住了过程，没有思考为什么这样做，时间长了，忘记了也就考不出。上课听懂的也只是过程，仅仅是知道步骤而已，每一个结论都不是学生想出来的，在头脑中没有任何深层次印象，上课教师没有让学生有足够的动脑时间，打出问题后，匆忙给出解题过程和答案，没有让学生自己去寻找解决问题的方法，从而提高分析为体的能力。长此下去，大部分同学可能就是“花了很多时间，但却学不好，讲过的会，没讲的不会，刚讲的会，时间长了就不会，甚至是早上讲，晚上就不会”，老师和学生都在不断地重复劳动。

我在教学实践中进行了探索，变老师讲例题为以学生为主体，探究式寻找问题答案，给学生留足动脑动手时间，老师只做必要的引导，排疑解难。例如我在《摩擦力、平衡力》一章的教学中安排了这样一堂习题课：“如何一题多变？”

1、简单问题引入：两个完全相同的物体A、B叠放在一起，受到10N的水平拉力F作用时可以在水平地面上做匀速直线运动（如图所示），那么物体A受到的摩擦力fA为N，物体B受到地面的摩擦力fB为N；若将物体A从B上拿来下来，再用细线与B连在一起后，再放在该地面上作匀速直线运动，那么需要的拉力F3应为N。

2、问题探究：

（1）若物体A单独放在与上题条件相同的地面上匀速直线滑行时所需的拉力为5N，则物体A所受的摩擦力为多大？

学生回答：因为物体A在水平地面上匀速直线滑行时受到平衡力作用，所以f1=F=5N。

教师再问：与A相同的物体B在水平地面上匀速直线滑行时所受摩擦力为多大？

学生回答：与A相同即：f2=F=5N.

教师再问：那么上述问题的第一空中fA又是多大？此时学生难以回答。教师再引导学生分析题中A与B一起向右作匀速直线运动，而A在水平方向上又未受到任何拉力，所以A是在水平方向上不受力的情况下作的匀速直线运动，根据牛顿第一运动定律可知fA=0N。

(2)若将A、B两物体叠放在相同的地面上，

要使它们能一起向右作匀速直线运动，则所需拉力F2应为多少？（如图所示）

学生回答：F2=2f1=2×5N=10N。

教师再问：这是为什么？

学生回答：这是因为此时B对地面的压力已是A、B两物体的重力之和，所以摩擦力就变为原来的两倍。

（3）若将A、B两物体用线连在一起放在水平地面上作匀速直线运动（如图所示）则所需要的拉力F3应为多大？

（4）拓展训练：

如图所示若不计滑轮自和转轴之间的摩擦，则当B物体受到水平向的拉力F4的作用时，B也恰好能作匀速直线运动，求拉力F4的大小。

学生回答：（1）先对A物体进行分析：因为A物体作匀速度直线运动，所以T=fB---A

（2）再对B物体进行分析：因为B物体也作匀速直线运动，所以

F4=fA----B+T+f地-----B=5N+5N+10N=20N

3、问题结论：（1）物体作匀速直线运动，只可能在物体不受外力或受平衡力的时候。（2）物体在有摩擦的水平地面上作匀速直线运动时，水平方向上受平衡力的作用；（3）物体在作滑动摩擦时，若接触表面的粗糙程度不变，则摩擦力的大小与物体间的压力成正比。

4、思维方式：从学生已熟知的知识开始分析，层层逼近，逐步拓展。

在整个探究式解决问题的过程中，老师仅仅起了向导作用，学生在运用所学的知识循序渐进中找到了问题的答案，轻松解决了一个难点问题，提高了学生创新性解决问题的能力，并且在老师的指导下，潜移默化促进良好思维习惯的形成，以学生为主体的这样一种探究性学习，让每个学生不是被动接受老师的结论，而是通过自己的努力去发现了结论进而得到了解决这一类问题的方法，

达到融会贯通，效果非常好。

二、通过实验操作来分析习题，构建手脑并用的活动情景。

认知心理学的研究表明，动作思维的操练直接制约着物理思维的发展。在进行抽象的物理过程的教学时，教师可以构建学生操作实验的活动情景，并以学生操作中获得的结论去理解习题中所遇到的难点，形成猜想----验证----应用的活动模式。

在初三电学入门教学时，学生对于“短路”问题理解不透，习题中经常出错。把短路问题穿插在较复杂的串、并联电路中，学生在遇到如此类型的习题就束手无策了。例如：在下面两幅图所示的电路中，灯泡均完好，当开关S断开时三灯全发光，那么当S闭合时三灯的状况又如何？

在未用实验操作验证时，学生认为：

中灯泡L3因被开关S短路而不发光，L1和L2可以发光。

中灯泡L2被开关S短路不能发光，L1和L3串联发光。

为什么会出现以上错误呢？归其原因是学生只从直观的电路图上观察哪个用电器被导线或开关并联，而未真正分析电流的路径。这时若用传统的习题教学法去讲解的话，多大数学生难以信服，认为这是老师强加给学生的结论。为此教师可借助于常用的电路示教板进行先实验操作后理论分析的办法。通过小灯泡在电路中是否发光这一直观现象，来解释以上两种电路中电流的流向及局部短路问题。在实验这一“铁”的事实面前学生很快弄清了“短路”这类习题的分析方法。为了进一步增强学生借助实验分析有关习题的兴趣，教师还专门设计了一些习题让学生在实验课上进行实验验证。

三、根据考试要求，自行编撰开放性习题。

开放性综合题是如今中考的热点，求解开放性问题需要我们在平日的生活中做个有心人，同时要注意活学活用物理知识。题目中若明若暗、含蓄不露的条件，它们常常是巧妙地隐藏在物理概念、物理现象、物理过程、公式的适用范围、答案的实际意义等的背后，很容易被忽略，从而误认为题目缺少条件，造成解题错误。因此挖掘物理习题中的隐含条件是解题的关键。下面是一道表格类型的开放性综合题，让我们一起来体验一下。

请参照电动自行车主要技术参数表回答下列问题：

(1)、一位体重为55kg的工人骑该电动自行车上班，按正常车速匀速行驶时，该车所受阻力约为人和车总重的（）

A、0.01倍；B、0.1倍；C、0.03倍；D、0.3倍

(2)、该车蓄电池充电时的能量是怎样转化的？

(3)、该车行驶时的能量是怎样转化的？

(4)、若该车一次充电4h，则充电的电量是多少库？一次可蓄能多少焦？相当于多少KWh的电能？

(5)、从理论上讲，该车充电一次可行驶多少km?

(6)、该车在正常使用一段时间后就会出现欠压灯发光，这就提车主必须

充电了，由此说明此时电压V。

(7)、电动车转向灯电路是用一只单刀双掷开关来控制的，开关S拨向左边，左前灯和左尾灯亮，开关S拨向右边，右前灯和右尾灯亮，开关S拨在中间时，前后灯均不亮（每灯正常工作时的电压均为36V）请按上述要求完成电路图。

篇5

那么，教师怎样才使学生真正掌握概念呢？

第一，必须让学生了解概念的物理意义。概念就是事物的特有属性在人们头脑中的反应，在教学中，应该让学生懂得事物的特有属性，比如，学生在形成机械运动的概念，可举一些这类现象，比如钟摆的摆动，水上浮标的浮动，蒸汽机活塞的往复运动，在微风中树梢的摆动等，让学生分析比较找出它们具有的共同特性。让学生领悟到它们都在某一中心位置的两侧往返运动，然后给他下一个确切的定义。再比如对质点概念的教学，学生往往不能真正理解质点的物理意义，认为不可能在一个只有质量而没有形状、大小的点。那么可以从书本上磁带盒的平动，扩展到天空中的飞机，大海上的轮船，从滑梯上滑下的小孩，因为它们都

在作平动，物体上各点的运动情况都一样，那么可忽略一些无关因素，用一点的运动情况就可以说明问题，而且这也是一种科学的抽象。所以，对概念的理解，首先必须让学生掌握它们的物理意义。

第二，要让学生懂得概念的适应范围，我们从所下的定义出发，引导学生进一步了解它的适应范围。比如，已知速度是表示物体的运动的快慢程度，就由此引伸，使学生了解到不论物体作什么形式的运动，不管是直线、抛物线，圆周运动或振动，都可以运用速度概念，这样，学生在接触线速度时就不会感到茫然了，也可以扩大学生对物理概念应用的眼界。

第三，不仅要让学生懂得物理概念的物理意义，以及适应范围，还要让学生了解不同概念之间的有关联系，进一步加深对本概念的研究与认识。例如，力的概念就在研究物体的相互作用之中形成的。质量的概念就是在研究作用于一切物体的大小不同的力与相对应的加速度比值恒定之中形成的。压强的概念也是在研究压力大小与受力面积的大小的比值中形成的。

教师对概念的教学，并不是要学生在黑板上抄定义，背定义，或者把物理概念的重点摆在要学生单纯做题目，如果是这样的话，就会使学生对相邻的一些概念模糊不清，从而感到物理枯燥无味，越学越难。所以有了上面三点的准备，教师对物理概念的教学可分为以下几个步骤：

首先，可以在已知内容的基础上提出新问题，激发学生的学习兴趣，可以用一些比较直观的实验或例子，比如在声源概念的教学时，我们可以设计一个实验，用音锤敲音叉的音股，学生确实听到了音叉发出的声音，但为了说明物体发声是由于物体的振动，可凭肉眼观察，现象并不很明显，那我们可以用一个轻质小球，靠近音叉，发现小球被弹开，这样就引起了学生的兴趣，并很快地掌握了声源的概念，再比如，对波的衍射，干涉概念的教学中，如能利用投影仪，把小波的衍射或干涉现象投影到银幕上，学生对亲眼目睹的现象产生了很大的兴趣，于是就能轻松地完成了本节课的教学内容，以及衍射和干涉的区别学生也很好地得到了理解。

其次，让学生自己在已有的感性知识的基础上，形成抽象的物理意义，这里可以让学生进行比较、分类等。比如，引入速度概念时所举的实例，各物体的形态千差万别，学生怎样比较呢？可以把它们都质点化，才可以比较它们的运动快慢。

篇6

比较法是根据一定的标准对某类现象在不同情况的不同表现进行比较的一种研究方法。比较的过程是使人在思想上确定事物（现象）之间异同关系的思维过程。凡是比较，都是在一定关系上根据一定的标准进行的。

由于比较法很适合于初中生学习物理知识，所以教材中很多概念，如速度、惯性、比热、密度、压强、等等，都是用比较法引出的，这种方法的作用应引起各位同仁的足够重视。本文就比较法在初中物理概念教学中的突出作用，谈一些粗浅的看法。

一、比较法为概念的引入提供了思维的支撑点

初中物理概念的引入往往用实验的方法，然后对实验的现象和结果加以比较进行的。比热概念的引入就是一个典型的例子。教材为了研究物体的吸热多少跟物质种类的关系，就将不同物质水和煤油的吸热现象进行比较；由于比较必需在同一标准下才能进行，就对实验的条件进行了控制，使水和煤油质量相等，初温相同，吸收的热量也相等，以实现“单因子”实验；这样，排除了质量和温度升高等方面的干扰，突出了吸热和物质种类的关系，通过水和煤油在同等条件下吸热情况的比较，为“比热”的引出提供了思维的支撑点。

又如：在“电磁感应”概念的教学中，教师先点明，在以下实验中，使用的灵敏电流计、导线、开关、磁场及磁场中运动的导体都是完全一样的，现在，按下述步骤进行演示：（1）电路闭和，当导体在磁场中不运动或平行于磁场线运动时，电流计指针不偏转，表明导体中不产生电流。（2）电路闭和，一部分导体在磁场中作切割磁场线运动，电流计指针偏转，表明导体中产生了电流。（3）在前步实验的基础上，分别取磁场线方向相同而改换导体运动方向，再取导体运动方向相同而改换磁场线方向，观察电流计指针偏转方向有何不同。（4）电路断开，导体在磁场中作切割磁感线运动，观察电流计指针是否偏转。在实验过程中，引导学生比较（1）、（2）两步的差同，就可以建立电磁感应这一现象的感性熟悉，比较（2）、（4）两步的差同，可以使这一感性熟悉深化，即明确感应电流产生的条件；比较（3）步实验的不同条件，不同现象，就可以理解决定感应电流方向的两个因素。最后，教师指出联系：左手定则。类似地，能否用什么方法来解决感应电流方向、磁场线方向、导体运动方向这三者的关系呢？于是引出右手定则，并通过例题让学生练习使用这一定则。这堂课，学生较牢固地把握了电磁感应这一重要物理现象，并能用定则分析具体问题，更重要的是，他们又一次体会到比较法在物理概念中的重要作用。物理教材中有很多重要的演示实验和学生实验都是按比较法来编写的，如欧姆定律、电功、凸透镜成像等等。这既符合发现物理定律的规律，也符合人们熟悉事物的规律。我们在教学时，要有意识地传授这一思维方法，并提醒学生注重：有些现象中，条件的改变，只使这一现象发生量的变化，如欧姆定律中，电压、电阻的变化，只是使电流发生数值的变化；而有些现象因为一个条件的改变，将发生质的改变，如交、直流发电机模型，就因为铜环和半径的差异，导致外电路得到的电流在本质上有很大的差异。

二、比较法可使学生对概念的理解和把握更加深刻

由于概念所反映的事物的本质特征往往隐蔽在非本质特征之中，概念和概念之间的联系和区别易使学生混淆，影响着学生对所学概念深刻、准确地把握。突出比较法，可使学生抓住概念的本质特征，对概念有更全面、更深刻的理解和把握。

例如，重力和压力，是学生极易混淆的概念，一些学生常将压力和重力间的某些非凡情况下的关系一般化，往往认为“压力的大小总等于重力的大小”甚至认为“压力就是重力”。为此，笔者在教学中，设置了能暴露和纠正学生这一错误的比较性例题如下，通过做题，将压力和重力进行比较，收到了明显效果。

例1：在下列各图中，物体A重15牛，力F=7牛，求物体对各接触面的压力各是多少？这样，通过该题中对各种情况下压力的求解，能够从定义、力的三要素角度对压力和重力进行比较，使它们间的区别和联系有一更深刻的揭示。可见，抓住概念的本质特征进行比较是使学生理解和把握概念的有效果方法。

三、比较法可使学生灵活运用概念，促使概念活化

一个物理概念的表达式中，包含了定义方式、物理意义、及单位等内涵。将表达式间进行横向比较，能促使学生记忆概念、活化概念和深化概念。例如，速度概念的表达式V=S/t和功率的表达式P=W/t相比较，它们都有反映了另一物理量变化快慢的共同特征；它们的单位都由另外两个物理量的单位复合而成。另外，象密度、电阻率、比热等概念，从公式上都可看出，对同一物质来说，它们的比值都一个“常数”，反映着物质本身的属性。这可消除诸如“电压为零时，导体的电阻为零”、“一杯水比热（密度）比半杯水的比热（密度）大”等之类的错误。

四、通过比较促进知识的正迁移

例如：把两只标有220V、40W和220V、100W字样的白炽电灯分别进行并联或串联后，接入220V的电路中，判定这两种情况哪个灯泡较亮？根据平时的经验都是100W的灯泡较亮一些，即使老师通过分析和讨论得出串联时40W较亮，并联时100W的较亮。但仍有一部分同学对分析感到不可靠，但假如我们通过可控实验来进行对比，学生就会信服了。

五、利用比较法可以防止知识的负迁移

在应用概念解决问题时，对物理现象不同方面的精细比较，为概念的正确应用提供了出发点，正确的概念应用建立在对不同物理现象比较的基础上。例如，用惯性概念解释图2所示，当忽然拉动小车时，木块向后倒的现象时，思维的起点和要害，就是要通过比较拉动前后，小车状态的不同之处，揭示小车拉动前后，木块上部和下部的相同点和相异点。

学生在应用概念解决问题时，就在头脑的记忆中搜寻以前经历过的相类似问题，通过某些同方面的比较，拟定解题方案，这是学生在物理练习中思维广泛采用的一种比较方法。

假如学生在应用概念解决问题时，对新旧问题不仔细地进行比较，既看到它们间的相同，又看到它们间的相异点，采用“拿来主义”的态度，盲目代换，就会出现概念僵化，形成知识的负迁移。如：许多学生在判定图3所示，当小车忽然向前移动时，瓶内液体中的气泡向什么方向移动的问题时，会照搬前面图2中小车忽然向前时，木块向后倒的结论，得出气泡向后移动的错误结果。可见，对概念的灵活应用离不开比较思维。

又如：在学习动滑轮之后，学生由于受“拉力是重物和动滑轮总重的一半”的影响，他们认为：只要用一个动滑轮，拉力一定是重物和动滑轮总重的一半。为了解决这个问题，可利用如图的练习进行比较，使学生懂得了结论的适用条件，有效的防止了知识的负迁移。

六、将物理概念与生活相比较

有些物理概念看似深奥难懂，若将其与一些生活常识相比较，则能起到化难为易的较果。如：由于“电压”和电场力做功的概念有关，一般初中课本中对电压都没有明确的定义，教材采用直接引入的方法，这对学生把握这一概念是不利的，有不少学生学了“电压”这一课后，仍然模模糊糊，说不出它是什么，更不了解它的物理意义。所以说电压的概念，是初中学生感到最抽象、最难理解的概念，在初中阶段还无法讲清，对初中学生来说，接受起来有一定难度。这样，也会影响学生的学习爱好。因此，我就采用这种方法。

用多媒体展示水流的形成，让学生观察实验，得出要使水能够流动必须要有水位差（水压），然后再设问：要使容器中的水长久地流动而不是瞬间流动应采取什么方法呢？这样一设问，学生纷纷讨论，气氛很活跃。最后，教师总结产生水流的条件是有水压，提供水压的装置是抽水机。这样，就为类比埋下了伏笔。

（1）元件的类比：把电流形成中的各个元件和水流形成的各个装置相类比。小灯泡如同小涡轮，开关如同阀门，电路如同水路

（2）形成过程的类比：从水流的形成过渡到电流的形成。

（3）作用的类比：从水压的作用过渡到电压的作用，从抽水机的作用过渡到电源的作用。

篇7

1 引言

在大学物理的教学过程中，一般在讲完第一章质点运动学后，即进入第二章质点动力学内容的讲述。而在质点动力学里重点讲述牛顿三大定律及其应用[1-2]。对于牛顿三大定律的应用部分，因为涉及矢量分析及其计算、微分及积分运算等高中物理基本不涉及的内容，故该部分相对来说内容比较好讲，课堂效果也比较好。但对于牛顿三大定律的阐述部分，因为在高中物理里就对此有比较系统的论述，故大部分学生感觉这一部分内容和高中物理一样，甚至有些老调重弹的感觉。因此，在大学物理课堂里讲述牛顿三大定律的时候，如果不对牛顿三大定律作一些拓展的话，那课堂效果将比较差。本教学论文将从绝对空间、相对论等近代物理知识点出发对牛顿第一定律的拓展作些相关研讨。根据本人的教学经验，这种简要的拓展对课堂效果是会起到良好作用的。它不仅可加深学生对牛顿第一定律的理解，而且也让学生简单了解了近代物理和经典物理的异同。特别是，通过这种简要的拓展，可激发学生对学习物理及探索自然界规律的兴趣。

2 牛顿第一定律的相关拓展

在高中物理里，物理教材一般会对牛顿第一定律的内容作如下描述：如果物体所受的合外力为零，则物体将保持其静止或匀速直线运动的状态不变[1-2]。需要注意的是，经过上个世纪无数物理学家的努力，以相对论和量子力学为基础的近代物理已建立起来。而近代物理表明，牛顿力学体系，即牛顿三大定律及万有引力定律都只是在低速、宏观、弱引力条件下成立的[1-2]。因此，考虑到大学物理里后面也会讲述近代物理的相关知识，故在大学物理里讲述牛顿三大定律时将其与近代物理相关知识联系起来的拓展是可行的。下面我们将重点对牛顿第一定律作一些拓展性的探讨。

对于牛顿第一定律的相关拓展，一般可以先从力与物体的运动状态之间的关系来阐述。在历史上，古希腊的亚里斯多德是第一个对力和物体的运动状态之间的关系进行思考并做出结论的人。他从一些简单的事实如手推车现象中得出力是维持物体运动状态的原因。因为，人推车后即给车力的时候，车就可运动起来即可具有运动状态；而人放手不推车后即不给车力的时候，车将静止下来即将不具有运动状态。因此，在车运动和静止两种状态中，人给车的力是至关重要。简单来说，没力就没有运动，因此力是维持物体运动状态的原因。对于该论点，在接下来的将近两千年时间里直到伽利略的出现，人们一直认为它是正确的。从严格意义来说，伽利略的出现才是科学的真正诞生，因为是伽利略将科学实验带入了哲学思辨里。从而使得科学变成一门实验的科学，进而将科学从哲学里分离出来。在著名的斜面实验里，伽利略发现：当小球在很光滑的毛皮滑行时，抬起毛皮的两边，并固定小球在其中一边下滑时的初始高度而降低另一边毛皮的高度时，小球在毛皮滑行的距离虽然变长，但在另一边毛皮小球能滑到的最高高度却和该边固定的初始高度一致。由这一实验现象启发，如果降低另一边毛皮的高度至零，则小球将永远运动下去。明显，一直运动的小球在水平方向上没有受到力的作用，也就是小球能一直维持运动但却并没有受到力的作用，因此力并不是维持物体运动状态的原因。进一步，伽利略认为力是改变物体运动状态的原因。而物体不受力时，物体具有维持运动或静止状态的惯性，也即惯性定律。因此，牛顿第一定律实际上与伽利略的惯性定律一致，故牛顿定律也常被称为惯性定律。

对于力与物体运动状态的关系的讨论，有些高中作为牛顿第一定律的拓展也做了相关阐述。因此，在大学物理课堂里做上面这些阐述有可能是不够的。实际上，在牛顿第一定律里，还可与近代物理相关知识联系起来作进一步简单的拓展。因为，物体的运动与静止状态是相对的。比如，相对于地面是静止的物体，相对于运动的汽车而言就是运动的。因此，在牛顿第一定律描述里，物体不受力时将保持匀速直线运动状态或静止状态时，实际上隐含着参考系。而我们通常将保持匀速直线运动状态或静止状态的物体称为惯性参考系。而惯性参考系背后实际上又隐含着绝对空间的概念。牛顿本人对此非常清楚，因为他清楚知道他的牛顿第二定律只适用于惯性参考系。因此，牛顿为了很好的定义惯性参考系，他在他的划时代巨著《自然哲学的数学原理》里提出了绝对空间的概念。他认为绝对空间是存在的，而且和绝对时间一样是均匀分布的。而惯性参考系则是相对于绝对空间静止或匀速直线运动的参考系。至此，牛顿第一定律从逻辑来看似乎是完美无缺的。但绝对空间是否存在呢？牛顿本人对此也作了简单的理性思考，如牛顿水桶实验等来验证绝对空间的存在。但是，在近代物理里随着相对论的提出，我们知道绝对空间和绝对时间都是不存在的，即空间和时间都是相对的。在享受创建狭义相对论成功所带来的喜悦的同时，爱因斯坦很清醒的认识到在他的狭义相对论里存在一个严重的困难，即：因为抛弃了绝对空间，惯性系将无法定义[3]。而狭义相对论里的两条基本原理，即光速不变原理和相对性原理也都是在惯性系里定义的。

3 结语

在本教学研究论文里，我们对大学物理课堂里如何讲述牛顿第一定律做了相关的拓展性研讨。本研讨主要基于力与物体运动状态的关系、惯性定律、惯性参考系、绝对空间及相对论等脉络来进行展开。因此，本拓展不仅可展示牛顿第一定律背后丰富的哲学、人文历史、逻辑等内涵，也可展示其背后丰富的物理内涵。需要注意的是，虽然相对论已经取得了巨大的成功，但人类的思考与探索还依然前行。此外，在大学物理课堂里对牛顿第二定律、第三定律作相关性拓展讲述也是值得教学研讨的课题。本教学论文的研讨也算是对此课题的抛砖引玉，希望能对同行有所帮助，从而对大学物理的课堂教学起到绵薄之力。

参考文献：

篇8

一.继续进行高、初中新课程标准及有关文件学习,继续学习现代教育教学理论,学习研究高、初中新物理教材.继续更新教育观念,推进素质教育.

1.继续进行现代教育教学理论学习,更新教育教学观念,确立现代教育理念,确立科学的全面的人才观,把握好物理学科在育人中的地位和作用,增强实施新课程教学的自觉性和责任感.

2.密切结合课堂教学实际,学习高中物理新课程标准和初中物理课程标准以及修订部分,结合初、高中新课标教材的修改做好培训工作,各片、各校物理组教研活动中联系教学实际,进行学习交流,按新的理念和要求开展各项教研活动.

3.注意学习和交流外地教育教学改革、课堂教学改革、自主学习、研究性学习的成功经验,继续对初中和高中研究性学习和自主学习进行探索和实践.

4.学习、研究和探索符合素质教育和新课程标准的物理评价体系和作业体系.在高、初中进行新的教学评价实践.

5.学习经典的教育学、心理学,研究目前初高中学生的心智特点和成长规律,探索对学生个体的学业和发展方向进行的指导经验.

6.组织好初高中老师赴省、市参加新课程和新教材的培训,利用网络和各种活动进行推介和交流,扩大培训效益.

二.做好常规教研工作,提高课堂教学效益,发挥物理学科教育功能

1.深入到初、高中各年级课堂,了解教与学的真实情况,协助老师掌握学情,了解学生学习的困难和需求,为学生设计好学习“台阶”,从教学细节入手,提高“常态课”的课堂教学效益.

2.学习和研读新物理教材,剖析教学过程,贯彻落实《物理课堂教学建议》.提高片教研活动和学校物理各项教研活动的活动质量,通过各种形式进行新教材、新教法的交流.

3.在起始年级进行物理概念教学和渗透物理方法教学的研究,进行学生学法指导,发掘实验教学和科学探究在素质教育中的功能.

4.组建高中新的高一和高二备课中心组、组建高三物理教学指导小组并切实有效开展活动.制定和实施初高中各年级阶段教学目标,及时发现教学中的新问题和对突破教学难点进行探索,取得的经验向各校推广.

5.改革常规的教研活动模式,在初中进行“小班化教学”授课研究,高中继续进行常态课教学研究.

6.继续进行送课下乡活动,促进物理教学的城区校际交流和城乡交流，协助有关初、高中学校办好展示课、对外公开课,在高中进行市优秀课的展示活动.

7.组织好高三物理复习教学的各项教学研究活动,研究提高不同学校和不同类型学生复习教学质量的办法,协助省华中和市一中完成重点中学物理研讨会分摊任务,及时传达重点中学物理会议精神,交流方方面面信息.

三.继续进行课题研究,在新的教学实践中发现新的课题

1.继续推进初中研训物理子课题的研究活动,帮助学校的物理课题研究正常实施.

2.继续进行初中和高中研究性学习进行探索和实践,继续开展初、高中科普知识讲座.

3.继续维护好物理课改网,结合教学进程,进行初、高中教学资料素材的收集和整理,使网站内容更贴切物理教学.

四.加强师资队伍建设,结合教学实践,提高师资教育教学能力

1.发挥不同年龄层次的教师的优势,同时注重不断学习,充实有助于物理教学的各种知识和技能,以适应新的教育形势需要.

2.对青年教师,结合《物理课堂教学建议》的学习和实施,从教学细节入手,钻研物理课程标准和新教材,练好教学基本功,养成良好的教育教学工作习惯,引导他们研究提高课堂教学效益和培养学生创新意识和实践能力的具体做法,引导他们研究学生学情,对学生进行学法指导.

3.对新参加工作的青年教师,开展师徒结对活动,进行跟踪听课,通过多种途径帮助他们熟悉疏通教材,把握好教学的重点、难点,解决教学中遇到的实际问题,多为他们提供观摩学习的机会.

4.组织参加市举行初中和高中中青年教师基本功竞赛.

5.组织青年教师参加课题研究,撰写教育教学论文.

6.注意发挥各校教研组、年级备课组的作用,在教学教研活动中以老带新,以新促老,形成良好的教学教研风气.

7.对部分青年教师教学情况进行抽测.对部分初、高中学生学习状况进行抽测和进行问卷调查.

篇9

中图分类号：G633.8 

文献标识码：A 

文章编号：1006-3315（2015）11-020-001 

物理概念的形成和掌握是中学物理的基础知识中最基本的内容，而物理概念的形成和规律的掌握又是一个十分复杂的过程。下面笔者就针对在物理概念的教学中如何培养中学生的思维能力来谈谈自己的观点。 

一、物理概念的定义 

物理概念是某一事物、现象的本质在人的大脑中的反映，它是在大量观察、实验的基础上，通过分析、比较、综合、归纳、区别出现象与本质，把事物的本质特征集中加以概括而建立的。如我们观察到下列一些现象：卫星绕着地球旋转，马拉松运动员完成比赛，挖掘机机械手臂的运动等。尽管这些现象的具体形象不同，但我们可以从它们的共性去考虑，就会发现其共同特征，即一个物体相对另一个物体的位置随时间变化。于是，我们把这个从一系列具体现象中提炼出来，得出反映着这一系列具体现象本质特征的抽象，叫做机械运动。 

二、物理概念的分类 

1.反映物质属性的概念 

这类概念的特点是较难从其表面定义上获得深入理解。如惯性、质量、能量、波粒二象性等。教学中应由浅入深地，使学生通过循序渐进的教学过程来加深对概念的理解。比如说能量相关知识贯穿整个初中物理，是非常抽象的物理知识，因此教师会从能量的外延人手，先让学生认识各种形式的能量，给学生建立起能量具有多种形式的表象，进入高中之后逐渐给学生建立起各种形式的能量可以相互转化的思想，最后再总结得出能的转化与守恒定律。这样通过由浅入深的循序渐进教学过程，才能使学生从各个不同的方面加深对这一概念的理解。 

2.反映物质及其性质的 

这类概念的特点是，在定义上，一般都是以两个物理量的比值来表示，但它们的大小又不依赖于这些相关联的量的大小，如：速度、加速度等。 

3.一些描述物理现象的名称 

这类概念的特点是：就其概念本身并不难理解，难理解的是这些物理现象产生的规律，如圆周运动，静电感应等。教学中教师应当创造条件，使学生在了解大量的物理现象后，认真观察物理实验的基础上，分析现象。 

三、物理概念教学中如何培养思维能力 

1.物理概念的引入 

物理概念的引入有多种方式，教师在教学中可以自由选择。在讲授和实际生活关联较大的运动时，可以用故事的形式引入，这样能激发学生的学习兴趣和强烈的求知欲。不仅如此，还需从生活实践中获得感性材料，引入物理概念。 

物理学是一门以实验为主的学科，在中学物理概念教学中，根据教学内容选用不同类型的物理实验作为物理课的引入，能够达到创设良好情境的目的。教师要针对学生存在的前概念，激发他们的好奇心和求知欲，耐心细致的引导学生分析问题，使他们能在错中求对，从而理解并接受正确的物理概念。 

2.如何形成物理概念 

（1）做好实验，丰富感性认识 

人们的许多物理知识是通过观察和实验，经过认真的思索而总结出来的。感性认识是头脑进行思维加工的原料、掌握规律的基础。做好实验，使学生获得与物理概念、规律有直接联系的感性认识，是学生形成概念和掌握规律的基础。实验具有特别强烈的吸引力，有能调动学生各个感官的作用，激发学生学习兴趣，所以实验的成功，是事半功倍地建立物理概念和掌握物理规律的关键。 

（2）从感性认识提升到理论知识 

在教学中要重视感性认识，概念和规律所包含的大量事例中，有的本质联系比较明显，有的非本质联系却很强烈。为了使学生在感性认识的基础上进行分析，教师必须从有关概念和规律的大量事例中精选那些包括主要类型的来进行教学，才能达到预期的效果。感性认识是理论认识的基础，只有从感性材料出发，才能理解抽象的概念和规律。 

（3）突出本质是形成概念、掌握规律的关键 

物理概念和规律，是人脑对物理现象和过程等感性材料进行“科学抽象”的产物。把感性材料中有联系的和毫无联系的因素区别开来，从而突出本质，才能使学生形成概念，掌握规律。在物理教学中，对感性材料进行科学抽象时，必须有意识地突出本质，这是使学生形成概念的关键。 

（4）明确概念和规律的物理意义是形成概念、掌握规律的根本 

教学中学生对有关物理问题的感性材料进行抽象，得出结论后，对有关概念的理解往往仍然是表面的。为此，在教学中要通过多种途径和方法，使学生着重理解其物理意义。对容易混淆的概念，可以采用对比的方法，明确其区别与联系，以加深理解。 

（5）注重教材和学生实际，注意阶段性 

在中学物理教学中，完整的物理概念的形成和规律的掌握，在许多情况下并不能一次讲深讲透讲完全，有一个逐步发展的过程。因此，在进行物理概念和规律的教学时，应当从教材实际和学生实际出发，逐步加深加广。 

篇10

自动信任协商中，敏感信息的保护主要有以下3种方式：对资源内容敏感的保护、对资源拥有敏感的保护和对信息在非安全物理信道中传输时的保护[3]。目前尚未有无一种自动信任协商模型能够比较完善地同时对这3类敏感信息进行保护。此外，敏感信息保护模型协商效率和成功率较低，原因是存在无效的访问控制策略，因此，如何能够在保证较高协商效率和成功率的同时又能保护敏感信息成为本文研究的重点。

本文基于交错螺旋矩阵加密（Interleaved Spiral Matrix Encryption， ISME）算法，对资源内容敏感和非安全物理信道中敏感信息传输进行保护，并应用策略与证书相分离的思想对资源拥有敏感进行保护，同时为了进一步提高系统的协商效率和成功率，提出了01图策略校验算法，减少访问控制策略中无效策略的数量。

1 相关研究

本章首先综述国内外敏感信息保护的一些研究成果。主要从资源内容敏感信息保护，资源的拥有敏感信息保护和非安全物理信道中敏感信息传输这三方面进行描述。

对于资源内容敏感信息保护，国内外学者提出了很多方案，以下几类是其中典型代表。UniPro模式是Yu等[4]提出的一种应用在ATN中对资源（敏感证书与访问控制策略）进行保护的统一模式。UniPro是在传统的自动信任协商研究的基础上，把策略看成最优先保护的资源，应用与保护资源相同的方法对策略进行保护，同时还可以对策略的暴露进行细粒度控制，明确区分了策略披露和策略满足这两个概念。雷建云等[5]提出一种基于信任向量的敏感信息保护方案。此方案通过信任评估，可以做到有选择性地暴露证书中的敏感属性。策略图这一概念是由Seamons等[6]提出的，目的是对访问控制策略中的敏感信息进行保护。策略图是一个有向无环图，资源R为其最终节点，其他节点由保护资源R的访问控制策略组成。优点是可逐步对访问控制策略进行披露；缺点是未涉及到证书中敏感信息的保护，在实际应用中有很大的局限性。

资源拥有信息敏感与资源内容敏感一样也是研究的热点。对这一类的敏感信息保护，国内外研究者也提出了很多方案。Seamons等提出了完善的隐私保护模型，主要是通过协商双方互相学习来建立信任，协商中不交换访问控制策略和证书。但是本文对相互学习的描述并不清楚，而且对ATN的协商机制改动过大。

对非安全物理信道中的敏感信息保护，现在研究的还比较少。典型代表有李健利等[12]提出的基于魔方算法的自动信任协商方案，该方案详细地阐述了如何对非安全物理信道中敏感信息进行保护。此方案的优点是可实现信息高速传输且不暴露证书和资源信息，但不足是没有考虑到对属性的内容敏感和拥有敏感的保护。

针对以上敏感信息保护方案的不足，本文提出了基于交错螺旋矩阵加密的自动信任协商模型。采用交错螺旋矩阵加密算法对敏感信息进行保护，同时针对该模型改进了传统的协商规则和协商协议。提出了01图访问控制策略校验算法来提高系统的协商效率和成功率。

2 交错螺旋矩阵算法设计

本章基于螺旋矩阵加密算法[13]提出了一种加密效率更高、安全性能更好的交错螺旋矩阵加密（ISME）算法，来对自动信任协商中的证书和访问控制策略进行加密，生成的密文变换序列，可以使协商双方外其他第三方均不能截获证书和策略中的内容。

这里介绍双螺旋矩阵。以四阶矩阵为例，传统的螺旋矩阵如图1所示，是一个称螺旋状态的矩阵，它的数字由第一行开始到右边不断变大，向下变大，向左变大，向上变大，如此循环。双螺旋矩阵如2所示，它与传统的螺旋矩阵不同，它的数位是分奇数位和偶数位，所有的奇数位构成一个螺旋矩阵，同理所有的偶数位也构成一个螺旋矩阵。双螺旋矩阵与传统的螺旋矩阵相比拥有更强的灵活性，规律更加地隐蔽，密钥相对传统螺旋矩阵加密也更长；同时奇偶双螺旋，不必遵循传统螺旋矩阵数字的变化规律，数字通过奇数和偶数分别制定变换顺序如图2所示，在不造成奇偶冲突的情况下可以在矩阵的最外层四个角选取任意的起点。

2.1 ISME加密算法

本节对双螺旋矩阵加密算法进行具体的描述，解密算法为其逆过程这里不再描述，加密过程如下。

输入：访问控制策略（Access Control Policy， ACP）或证书中敏感属性（Certification Letter Sensitive Attributes， CLSA）。

输出：访问控制策略密 文序列（ACiphertext_Seq）或证书中敏感属性密文序列（RCiphertext_Seq）。

步骤1 把ACP或CLSA转换为一串长度有限的二进制数。

步骤2 把二进制数分成长度为（4×n）2如4/16/64…，n的取值为1/2，1，2，…。首先b1=x1*y1，x1是二进制长度划分的块数，y1是块的长度，长度取值为（4×n）2，如式（1）：　b=∑mi=1bi≤∑mi=1（xi*yi）； i∈（4×n）2， n=1/2，1，2，…（1）

步骤3 分割好的二进制串按密钥中的z（一个六位的二进制数）安排从二进制的最高有效位（Most Significant Bit， MSB）到最低有效位（Least Significant Bit， LSB）进行排列。

步骤4 把（4×n）2的矩阵分割成2×2的矩阵，位数不够的补零，并按列读出。

步骤5 把读出的二进制数按读出先后顺序排好，生成密文。

2.2 算法密钥设计

对于一个对称加密算法，密钥的设计无疑是非常重要的。

在ISME中密钥是一系列的三元组（xi，yi，zi），xi、yi决定如何把二进制数划分成矩阵，yi表示矩阵的容量，xi表示这样大小的矩阵个数，其关系必须满足式（1），公式中，b表示明文的大小。zi是一个6位的二进制数，如表1所示，它的选择要注意奇偶选择起点的互斥性，左上角与右下角互斥，右上角与左下角互斥。

3 ISMATN模型基本概念

ISMATN（Automated Trust Negotiation based on Interleaved Spiral Matrix EncryptionInterleaved Spiral Matrix Automated Trust Negotiation）是一个基于交错螺旋矩阵加密算法的ATN协商模型，它可以对敏感信息进行有效的保护。该模型的主要组件有访问控制策略库（Access Control Base， ACB）、策略迁移器（Strategy Transfer Device， STD）、策略校验器（Strategy Validator， SV）、证书库（Certificate Repository， CR）和加解密器（Encryption/Decryption Device， E/DD），并且ISMATN模型有自己的访问控制策略格式和证书格式。

DHMATN模型的协商过程如图43所示，在协商开始时，双方开始披露各自的访问控制策略，访问控制策略中可能隐性的包含敏感信息，因此包含敏感信息的访问控制策略进入到策略迁移器（STD），进行策略迁移。迁移后的策略由于是新生成的策略，就必须验证这一策略的有效性，若没有通过则需重新进行迁移，这样保证访问控制策略的有效性，使协商更好地进行。验证后的策略进入到加解密器（E/DD），生成访问控制策略密文序列进行交换，满足后双方披露证书，证书直接进入E/DD，生成资源密文序列，进行交换直到协商成功。

3.1 访问控制策略格及证书格式

这里设计了一种新的访问控制策略格式，其式如下：acp=（holder）：（recipient）：（item）：（op）：（value）：（notBefore）：（notAfter）其中：holder是指策略的持有者，即资源持有方；recipient  本文由WwW. dyLw.neT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临dyLw.nET是策略的接受者；item是属性项；op指操作符如：op∈{<，>，≤，≥，∈，，，，，，=，≠}；value是属性值用来判断数字证书的属性值是否符合要求；notBefore和notAfter表示是策略的有效期，其结构如图34所示。

ISMATN的证书中每个属性都被加密，并且根据属性敏感度的不同分别使用了不同的加密密钥，因此，证书格式为“主体+属性+属性密钥标志位”，属性密钥标志位附加在证书的扩展项中。flag作为属性密钥标志位记录了此密钥能够解密哪些敏感属性。

3.2 ISMATN描述

ISMATN与传统的协商模型不同，增加了策略校验器、策略迁移器以及加解密器，其模型如图43所示。

3.4 ISMATN协商协议及应用

本节通过一个场景实例来具体地阐述ISMATN的协商协议和实际中如何对敏感信息进行保护。

例如 某保密组织（Security Organization， SO）中资料室的开放只针对SO的高层管理人员和保密室的主管，普通的组织成员需要时必须向组织申请。其他非组织成员必须满足与SO是项目合作关系并且得到保密室主管授权，以及是SO主负责的项目，这3个条件中的任意两个，才可以对保密室的资料进行查阅。

3）策略披露阶段。

此阶段会涉及到对非安全物理信道中敏感信息的保护和资源的拥有敏感信息保护。

首先，资源请求方Sam发出请求ACiphertext_Seq=DPe（key2，〈SO，Prequest〉），服务方SO收到访问控制策略密文序列对其进行解密，Prequest=DPD（key2，ACiphertext_Sequence），服务方根据Sam的请求披露自己的访问控制策略P8，ACiphertext_Seq=DPe（key2，〈Sam，P8〉），Sam收到后解密P8=DPD（key2，ACiphertext_Seq），解密后的内容是要求Sam披露T3和T4，但是T3和T4是敏感证书，而且保护证书T3的P3中有属性拥有敏感信息需要系统对这一敏感信息进行保护。

P3的内容是：Sam属于某保密组织SO的成员，拥有SO为其颁发的证书T3，如果只是拟定T3的访问策略P3，其他方在向Sam请求T3时，Sam披露策略P3或不响应时都会使其他方知道Sam是否拥有T3，因此，需要把T3的访问控制策略迁移到证书T6，生成新的访问控制策略P6。凡是新生成的策略都要进行策略的有效性验证，合格后Sam披露P6∧P4，ACiphertext_Seq=DPe（key2，〈SO，P6∧P4〉）。SO解密P6∧P4=DPD（key2，ACiphertext_Seq），P6∧P4的内容是要求对方披露证书T2和T7，此时的T2和T7是非敏感的，双方开始交换证书，策略交换阶段结束。

综上所述，此阶段通过对策略的加解密，有效地保护了非安全物理信道中敏感信息保护，并且在涉及到属性拥有敏感信息时，应用策略迁移理论，对其进行保护。

4）证书交换阶段。

此阶段双方开始证书交换，本阶段同上阶段一样，全部证书交换都采用了加密，保护了非安全物理信道中敏感信息的传输，同时，应用了二次加密机制，对资源的内容敏感进行了有效保护，具体过程如下。

SO根据P6∧P4披露其证书T2和T7，由于T2中包含有对协商方Sam的敏感信息，因此T2证书需要进行二次加密，对其中的“年龄”和“职务”使用不同的密钥加密，根据协商方提供的策略来判断证书中那些属性是不敏感的，从而确定 key1。

二次加密后的序列为：RCiphertext_Seq=DPe（key2，〈DPe（key1，T2），key1〉）。T7中不包含对Sam的敏感信息直接加密即：RCiphertext_Seq=DPe（key2，T7）。Sam收到证书后，进行解密T7=DPD（RCiphertext_Seq），T2比较复杂要由里向外逐次解密，T2=DPD（key1，DPD（key2，RCiphertext_Seq））。这里由于key1只是对敏感信息“职务”加密而“年龄”是由其他密钥进行保护，因此协商方是无法解密“年龄”这个敏感属性。后面的证书交换按照策略披露序列倒序进行，直到协商成功，其中涉及的证书加密过程同上。

通过上述的  本文由WwW. dyLw.neT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临dyLw.nET应用实例可知，本模型利用了加密，保护了证书中的内容敏感信息以及不安全物理信道中信息的传输，其中保护内容敏感信息还应用到了二次加密机制。利用策略迁移器，保护了访问控制策略中拥有属性敏感。由此可知，ISMATN模型可以有效地对三类敏感信息进行保护。

4 01图策略校验算法

本章具体对ISMATN模型中策略校验器的内置算法01图策略校验算法进行描述。首先，说明出现无效访问控制策略的原因；随后，给出对访问控制策略的分类，提出01图策略校验算法；最后，对本文算法进行可靠性完备性证明。

4.1 策略的分类

在自动信任协商系统中，造成出现无效策略的原因主要有以下几个方面：

1）角色职能互斥导致的无效策略；

2）策略语言的局限性；

3）策略描述不当导致策略无效；

4）内容冲突导致无效策略。

以下是策略具体分类。

4.2 01图策略校验算法

01图策略校验算法，是通过6个策略基本分解规则，对一条访问控制策略进行分解。基本分解规则如图6所示，图中起始节点为要校验的复合策略，每条边上的值是对其头节点的赋值，终节点是复合策略的真值假设。真值假设是决定策略图如何构成的最初步骤。校验时对策略先假设T没矛盾再假设F，若都无矛盾则为有效策略。如果T有矛盾则为矛盾策略，F有矛盾则为永真策略。

步骤2 对复合策略进行真值假设，例如假设策略T（p1∧p2）或F（p1∧p2）。

步骤3 应用6种分解规则对P复合进行策略分解，使之构成一个01图。

步骤4 对构造好的01图的每一条路径进行遍历，检测路径中是否存在矛盾。

步骤5 对结果进行判断，如果赋值T或F都不存在矛盾路径且在赋值T时不存在赋值全为假的情况，则为有效策略。如果赋值F，所有路径都存在矛盾则为永真策略；如果赋值T，所有路径都存在矛盾则为矛盾策略。

4.3 策略校验算法可靠完备性证明

为证明算法的可靠完备性，这里首先证明一个引理，其内容和证明过程如下。

引理1 设01策略图G， f是与到最后的终点相一致的赋值，则存在一条路径S，对这条路径上所有的元策略进行赋值的结果与f是一致的。

证明 应用数学归纳法，首先，通过假设可知f是与最后的终点相一致的赋值，例如F（p1∨p2），则f（p1）=0且f（p2）=0，一定与01图中的一条路径相一致。现假设图Gn中的路径Sn，Sn路径上的值与f是相一致的。如果图Gn+1是由图Gn扩展而来，而路径Sn暂不扩展，令Sn+1=Sn。如果现在扩展Gn到Gn+1，则路径Sn中要在图的最后增加一个节点和一条赋真值的边R，由归纳假设可知新增的边R的值与f是一致的，因此，可知f必与Sn中的路径扩展相一致，即Sn+1。

定理1 矛盾策略可靠性。证明如果策略P是矛盾策略，即以策略P为起点（真值假设T（P））构成的01策略图最后到达终点的所有可达路径都是矛盾路径，那么命题P是永假的。

证明 应用反证法进行证明，假设命题P不是永假。又根据题设，策略P的真值假设为T（P），且存在一组指派f，使命题P赋值为T。以下两种情况下称命题指派f与策略P的真值假设相一致，如T（P）则f（P）=1，或者F（P）则f（P）=0。根据引理1可知，一组指派赋给P，若P是图的起点，那么这组指派必与这图中的一  本文由WwW. dyLw.neT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临dyLw.nET条路径上的所有元策略赋值相一致，然而遍历图可知并不存在满足这种条件的路径（因为每条路径都会存在Pi=0且Pi=1这种矛盾的情况），因此，T（P）不可能通过分解规则构成一个完整的01图，因此假设不成立。

定理2 矛盾策略完备性。证明如果命题P是永假，那么策略P是矛盾策略，即以策略P为起点（真值假设T（P））构成的01策略图最后到达终点的所有可达路径都是矛盾路径。

证明 已知命题P是永假，则对每个赋值f， f（P）=0。假设已经通过分解规则构建了一个01图G。如果G存在一条非矛盾的路径S，由引理1可知一个赋值f与这条路径上的元策略赋值一致，因此也就与T（P）相一致，这就得出一个指派使得f（P）=1，这与P是永假相矛盾，因此，策略P是矛盾策略，即以策略P为起点（真值假设T（P））构成的01策略图最后到达终点的所有可达路径都是矛盾路径。　定理3 永真策略可靠性。证明如果策略P是永真策略，以策略P为起点（真值假设F（P））构成的01策略图到达终点的所有可达路径都是矛盾的，则命题P是永真的。

证明 用反证法，假设命题P不是永真，根据题设策略P的真值假设为F（P），且存在一组指派f，使命题P的赋值为F。根据引理1中的叙述可知，一组对P的指派，如果以P为图的起点，那么图中一定存在一条路径，其边对元策略的赋值与这组指派相一致。但是通过遍历图可知并不存在一条这样的路径，每条路径中都存在Pi=0且Pi=1这种情形，因此F（P）不可能构成一个完整的01图，假设不成立。

定理4 永真策略完备性。证明如果命题P是永真的，那么策略P是永真策略，即以策略P为起点（真值假设F（P））构成的01策略图到达终点的所有可达路径都是矛盾的。

证明 已知命题P是永真，则对于其所有的指派f， f（P）=1。假设已经应用分解规则构成了一个01图G。若G中存在一条非矛盾的路径S，由引理1可知会存在一个f和P中的所有元策略一致，即和F（P）相一致，这样可得出一个赋值使得f（P）=0，这与P是永真矛盾，因此，策略P是永真策略，即以策略P为起点（真值假设F（P））构成的01策略图到达终点的所 有可达路径都是矛盾的。

5 仿真和分析

本章主要是通过实验对ISMATN模型的各项协商指标进行验证。主要是通过ISMATN与传统的自动信任协商模型进行对比实验体现本模型在安全方面的优势。

本模型的实验仿真平台应用了Trust Builder2这款自动信任协商的开源软件。数据绘图部分采用Matlab2012处理。

5.1 ISMATN与传统信任协商模型对比

此次实  本文由WwW. dyLw.neT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临dyLw.nET验是把ISMATN与传统的信任模型作对比，除了协商的成功率和效率这两个系统指标外，也要对系统的安全性进行对比，一个协商系统的安全性好坏主要从其在协商时暴露的敏感信息条数决定的。

为方便统计，本实验规定协商双方的证书库中的证书都为20个，访问控制策略库中的策略数也规定为100，做10次实验每次50次协商，矛盾策略是3%的增加，永真策略不予考虑。

图10可知当矛盾策略不存在时，ISMATN模型的协商成功率提高不明显，但随着矛盾策略在访问控制策略库中不断增加，两者的差异逐渐显露出来。原因是策略变得复杂，对两模型的协商成功率都有影响。但是ISMATN模型虽有下降却仍保持较高协商成功率，而传统模型受影响较大。ISMATN模型利用式（2）可知平均协商成功率为0.822，而传统信任协商模型的平均协商成功率为0.675，提高了21.7%。

其中：Si是第i次协商成功率，n是协商总次数，是平均协商成功率；Ei是第i次的协商效率，n是协商总次数，是平均协商效率。

从图11中可以看到在矛盾策略不存在时传统的自动信任协商的协商效率明显高于ISMATN，原因是传统自动信任协商中证书内容都是用明文进行传输，并不涉及加密，而ISMATN要对敏感信进行加密。然而，随着矛盾策略数量增加，协商时间升高协商效率下降。主要原因是无效策略导致的证书死锁和回环策略依赖造成证书交换的死循环。反观ISMATN通过策略校验，去除了无效策略保持了较高效率，虽然在检测访问控制策略时会花费时间，但每次协商所涉及策略较少，因此，要比协商失败省时间。ISMATN模型利用式（3）可知平均协商时间为6.61s，传统自动信任协商模型平均协商时间为6.86s，提高了3.6%。

系统的安全性是否好主要是由协商中敏感信息披露的数量来决定的。协商中敏感信息披露得越多其系统的安全性被认为是越低下。如图12所示是20次信任协商中两个模型的敏感信息披露情况。传统的信任协商模型因为缺乏敏感信息保护机制，证书交换中披露的敏感信息较多，特别是在协商失败的情况下，敏感信息保护不足为系统带来的危害更大；而ISMATN则因为拥有比较完善的敏感信息保护机制，因此在20次信任协商中敏感信息的披露较传统协商平均减少了15.2条。

6 结语

本文主要是针对自动信任协商中敏感信息保护及访问控制策略进行研究。为了保护敏感信息本文提出了ISMATN协商模型，其能够在3种情况下有效地对敏感信息进行保护，分别是非安全物理信道中敏感信息传输的保护、资  本文由WwW. dyLw.neT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临dyLw.nET源内容敏感的保护和资源拥有敏感的保护，同时为了提高ISMATN模型的协商成功率和效率，在ISMATN中引入了策略校验器。策略校验器的内置算法是本文提出的01图策略校验算法，此策略校验算法可以对无效策略进行检测，减少访问控制策略库中无效策略数量，提高协商效率和成功率。