物理過程分析的教學(xué)策略

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物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動規(guī)律的自然學(xué)科,其科學(xué)成果往往始于問題的提出,形成于問題的解決過程中,終在問題的實(shí)際應(yīng)用中獲得確立與發(fā)展。同樣,學(xué)生知識的獲得、能力的形成也建立于對各種物理問題的探索分析過程中。物理過程分析的教學(xué)策略不僅要讓學(xué)生掌握概念、規(guī)律等基本知識、基本技能,還在于讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程、初步掌握科學(xué)方法、體悟科學(xué)精神、實(shí)現(xiàn)自身價值。
    而在實(shí)際教學(xué)中,對于物理問題的過程分析教學(xué)環(huán)節(jié)的展開,卻往往缺乏有效的方法加以指導(dǎo),造成學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的困難。如何進(jìn)一步認(rèn)識過程分析的教學(xué)活動呢?
    物理過程分析的教學(xué)活動,可以從以下三個方面認(rèn)識;①是學(xué)生運(yùn)用已知的物理概念、規(guī)律解決新問題,是對知識的再認(rèn)識;②是學(xué)生運(yùn)用科學(xué)研究方法分析未知物理情境,是對能力的再發(fā)展;③是學(xué)生在潛移默化中接受物理思想的熏陶,是對科學(xué)思想的提煉。由此,筆者認(rèn)為物理過程分析的策略實(shí)施可以從以下三個環(huán)節(jié)展開:
    一、復(fù)原物理過程中,重新建構(gòu)物理知識
    物理問題的分析過程,對學(xué)生知識發(fā)展而言,是學(xué)生運(yùn)用已知的物理概念、規(guī)律解決問題,但學(xué)生面對新問題情境的出現(xiàn),對自己過去所學(xué)知識卻先有個內(nèi)省過程,從中選取適當(dāng)?shù)闹R是進(jìn)行問題解決的開始;另一方面,學(xué)生對物理知識的獲得或認(rèn)識。因受認(rèn)知能力的限制,往往并未真正上升到理性的層次,在實(shí)際問題面前,本來似乎清晰的概念、規(guī)律由于受新問題表象的干擾,卻又變得模糊不清了。
    根據(jù)現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)家皮亞杰的觀點(diǎn)來看:“認(rèn)識既不是起因于一個有自我意識的主體,也不是起因于業(yè)已形成的(從主體的角度來看)、會把自己烙印在主體之上的客體;認(rèn)識起因于主客體之間的相互作用,這種作用發(fā)生在主體和客體之間的中途,因而同時既包含著主體又包含著客體……”(見《發(fā)生認(rèn)識論原理》第一章)。認(rèn)識的建構(gòu)是通過主客體的相互作用,是個同化、順應(yīng)、平衡和自我調(diào)節(jié)的過程。
    因此,在教學(xué)環(huán)節(jié)中,首先應(yīng)復(fù)原物理問題的過程,并幫助學(xué)生從物理概念、規(guī)律的獲得途徑,重新建構(gòu)物理知識。
    那么,對于重新建構(gòu)的“物理知識”,其層次到底包含哪些方面呢?物理概念、規(guī)律的獲得是從紛繁復(fù)雜的客觀世界中,經(jīng)形象思維上升為抽象思維而歸納、概括出來的。筆者認(rèn)為需重新建構(gòu)的物理知識其內(nèi)涵包括:實(shí)物形象、物理圖景、物理語言、物理符號、物理圖象和數(shù)理邏輯關(guān)系等。如何重新建構(gòu)物理知識呢?下面舉例說明。
    例1 一個學(xué)生做物體平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)時,只在白紙上畫出了與初速度平行的ox軸,忘記了記下槽口末端的位置,并且也只畫出如圖1所示的中間一部分軌跡。如何只用一根刻度尺算出這個物體運(yùn)動的初速度和拋出點(diǎn)的初始位置?
    分析:這是一個應(yīng)用性的問題。
    1.再現(xiàn)實(shí)物形象、復(fù)原知識發(fā)生
    不妨讓學(xué)生通過平拋運(yùn)動的實(shí)例回憶做平拋運(yùn)動物體的運(yùn)動特征,然后提出問題:怎樣才能描述并揭示該物體的運(yùn)動性質(zhì)呢?教師教學(xué)這一環(huán)節(jié)就是再現(xiàn)物理知識的發(fā)生,從思維角度分析屬于物理過程發(fā)生的形象思考。
    2.運(yùn)用物理圖景、導(dǎo)引知識發(fā)展
    教師在做出上述設(shè)問后,讓學(xué)生再次回顧,在實(shí)驗(yàn)中是用描點(diǎn)法經(jīng)連線后作出物體運(yùn)動軌跡的,而圖中此題的軌跡只不過是實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動軌跡的部分而已。那么如何研究物體的運(yùn)動呢?運(yùn)動性質(zhì)的回顧和提示有助于學(xué)生提高對該運(yùn)動過程分析的認(rèn)識,建立如圖2所示物理圖景:在軌跡上取水平距離相等的三點(diǎn)A、B、C并測出Δx和y1、y2,進(jìn)行問題的解決。
    3.物理語言描述、揭示規(guī)律內(nèi)涵
    該環(huán)節(jié)綜合了物理語言、物理符號、數(shù)學(xué)關(guān)系,是對物理規(guī)律的數(shù)理邏輯表示:
    求出,并可以計算出物體拋出的初始位置。
    從以上例析可以窺探復(fù)原物理過程、重新建構(gòu)知識的策略:建構(gòu)物理過程分析中的知識的內(nèi)涵是很豐富的,不僅僅只有概念和規(guī)律本身等的抽象描述,更應(yīng)該包含物理問題分析過程中的形象知識,在分析過程中如果缺少了實(shí)物形象、物理圖景、物理語言等,就根本談不上知識的活化。
    二、重新建構(gòu)知識中,體悟科學(xué)研究方法
    物理學(xué)的科學(xué)研究方法,內(nèi)涵相當(dāng)豐富,既有學(xué)科性質(zhì)決定的具體方法,如受力分析法、整體隔離法、透鏡成像作圖法等等;又有從物理學(xué)和其他自然學(xué)科中概括出來的運(yùn)用方法,如觀察法、實(shí)驗(yàn)法、推理法等等;還有從物理科學(xué)中歸納出來的科學(xué)研究方法,如微元分析法、理想化法、等效法、對稱法等等。那么,如何抓住過程分析的契機(jī),讓學(xué)生主體參與,體悟物理學(xué)研究的多種方法,逐漸提升物理思維品質(zhì)呢?
    1.掌握學(xué)科性質(zhì)決定的具體方法是基礎(chǔ)
    物理學(xué)科的具體方法,在不同的知識單元中有許多不同的操作方法,這些方法的掌握往往是和物理概念、規(guī)律等的教學(xué)一起進(jìn)行的。所以,在重新建構(gòu)知識時,具體操作的學(xué)科方法學(xué)生需重新加以認(rèn)識并建構(gòu)。
    比如,在上述“例1”中,對于平拋運(yùn)動的具體分析方法:①測量方法──運(yùn)用水平方向勻速運(yùn)動、豎直方向自由落體運(yùn)動,測出相應(yīng)物理量,是建立解決問題方案的初步。②勻變速曲線運(yùn)動的基本處理方法──運(yùn)動的合成與分解方法,運(yùn)用分運(yùn)動的等時性和獨(dú)立性等性質(zhì),建立解決問題的數(shù)理邏輯關(guān)系。
    但從該題的學(xué)生思維過程分析卻遠(yuǎn)不止如此,上述例題中雖給出了物體做平拋運(yùn)動的軌跡,但卻只是軌跡的一部分,并非是物體做平拋運(yùn)動的完整圖景。學(xué)生的思維難點(diǎn)之一就在于通過部分推想全過程,要求學(xué)生能建立動態(tài)過程圖景,其隨后解決過程中的形象分析、抽象分析、演繹推理都使我們的思維向前發(fā)展。
    2.提煉科學(xué)思維方法是關(guān)鍵
    物理問題的分析過程,就學(xué)生思維而言是從已知條件出發(fā)一步步地進(jìn)行邏輯推理的過程。它是一種基本思維操作的方法,顧名思義是對客觀事物分而析之,找到事物的本質(zhì)。就“例1”而言,物理過程圖景建立并不困難,學(xué)生過程分析的思維要求也并不高,但在許多不同物理問題的分析中,科學(xué)思維能力的缺損往往是學(xué)生分析過程中的瓶頸。比如,將“例1”稍做些改動,如下題:
    例2 一個帶正電的小球自由下落一段時間后,進(jìn)入一個水平向右的勻強(qiáng)電場,那么小球在電場中運(yùn)動軌跡是圖3中的哪一個?(電場強(qiáng)度)
    經(jīng)課堂上考查,選項(xiàng)B、D的選擇率較高,選擇選項(xiàng)C的同學(xué)較少,從中可以看出學(xué)生在過程分析的復(fù)原環(huán)節(jié)中,特別是在動態(tài)圖景的建立上具有一定的難度。而動態(tài)圖景的建立是過程分析法中必不可少的環(huán)節(jié),那么,阻礙學(xué)生持續(xù)分析的原因究竟有哪些呢?①單純考慮影響物體運(yùn)動過程的某個因素,缺乏考查其他影響因素的存在,如在該題中僅考慮電場力的作用,從而形成思維定勢,選擇選項(xiàng)B。②雖然考慮到幾個方面的影響因素,但缺乏將分析結(jié)果綜合起來的能力,如在該題中意識到了合外力沿虛線方向,卻忽視了在垂直合外力方向上的分速度,從而認(rèn)為小球的運(yùn)動終將趨向于合外力的方向,從而選擇選項(xiàng)D,這些原因的存在往往是阻礙學(xué)生分析能力提高的主要障礙??梢?,在物理問題的分析過程中,既要全面考慮可能影響物體運(yùn)動的各個因素,又要會綜合各個因素的影響并加以分析。方法教學(xué)的策略中要充分認(rèn)識到分析和綜合的方法是相互依存、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化的,而且從全過程看,它是分析→綜合→再分析→再綜合……直至達(dá)到理性認(rèn)識,是呈螺旋式上升的過程。
    當(dāng)然,物理過程分析方法也依賴于學(xué)生對日常物理現(xiàn)象的感性認(rèn)識上,因?yàn)樵诮鉀Q過程中所應(yīng)用的物理概念、規(guī)律本身就是從實(shí)物情境、實(shí)際情況下逐漸抽象、概括出來的。且考查分析能力的目的之一就是看能否把一個復(fù)雜問題分解為若干較簡單的問題,找出他們之間的聯(lián)系,靈活地運(yùn)用物理知識綜合解決所遇到的問題。
    3.體悟科學(xué)研究方法是目標(biāo)
    在物理過程分析的教學(xué)中,學(xué)生知識的重新建構(gòu)和科學(xué)研究方法的體悟總是相互滲透、交織在一起的。從學(xué)科素質(zhì)培養(yǎng)的目標(biāo)來看,掌握科學(xué)研究方法比掌握具體的知識內(nèi)容更具有深遠(yuǎn)意義,揭示過程分析中蘊(yùn)含的科學(xué)研究方法是提高學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的重要途徑。
    如何能使學(xué)生深刻體悟到具體的科學(xué)研究方法呢?首先,關(guān)鍵是要通過科學(xué)方法導(dǎo)引知識的重新建構(gòu),在知識重新建構(gòu)的遞進(jìn)中體悟科學(xué)研究方法。比如在“例1”分析中讓學(xué)生推證物體做平拋運(yùn)動時為什么會形成“圖1”特征的軌跡,這樣通過抽象分析導(dǎo)引了運(yùn)動知識的重新建構(gòu);在解決“例2”中通過等效、類比和遷移方法,可以將重力和電場力等效成一個合力,并與“例1”中所受重力相類比,然后遷移到“例2”的分析,不難得到正確的答案為C,這樣在知識重新建構(gòu)的遞進(jìn)中體現(xiàn)出來的科學(xué)研究方法,不僅使學(xué)生對勻變速曲線運(yùn)動的性質(zhì)有了更深刻的認(rèn)識,更使學(xué)生在分析過程中逐漸體悟了科學(xué)研究方法。其次,在具體操作的科學(xué)方法運(yùn)用中要貫穿科學(xué)研究方法的教學(xué)。這樣,既是對具體科學(xué)方法的深化,又能自覺地將科學(xué)研究方法提升到方法論的高度。這一問題的探討,在課堂教學(xué)中還有許多環(huán)節(jié)可以作些研究。
    三、體悟科學(xué)研究方法中,滲透物理思想及觀點(diǎn)
    物理過程分析的教學(xué),不但蘊(yùn)含著科學(xué)研究方法,還滲透著重要的物理思想與觀點(diǎn)。分析過程是知識傳遞、科學(xué)方法和物理思想的有機(jī)結(jié)合。
    如在以上例題的過程分析中:①“力和運(yùn)動的觀點(diǎn)”──物體所受的力是物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因,反之從物體的運(yùn)動狀態(tài)的改變能反映物體所受的力;②辯證思想體現(xiàn)“聯(lián)系與發(fā)展觀點(diǎn)”──一切事物、現(xiàn)象之間以及事物內(nèi)部諸要素之間相互依賴、相互制約、相互影響、相互作用,決定著各個要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)。解決物理問題時,不能厚此薄彼,各要素的作用需綜合考慮。
    當(dāng)然,形式多樣的物理問題還包含著許多其他物理思想與觀點(diǎn),如“動量與能量觀點(diǎn)”、“守恒思想”、“相對論思想”、“等效轉(zhuǎn)化思想”等等,在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)中都應(yīng)讓學(xué)生逐漸體驗(yàn)并加以提煉。這些思想與觀點(diǎn)的形成、“哲學(xué)視角”的拓寬,不僅會加深對知識的理解和方法的掌握,更會促進(jìn)科學(xué)思維能力的提高和世界觀的形成。