徐立海 孔賽芝

(玉環(huán)楚門中學,浙江玉環(huán) 317605)

物理教學中的“原型啟發(fā)”策略

徐立海 孔賽芝

(玉環(huán)楚門中學,浙江玉環(huán) 317605)

1 什么是原型啟發(fā)

當我們進行創(chuàng)造性思考、解決問題時,往往會從其他事物中得到解決問題的啟示,從而找到解決問題的方法和途徑.心理學上把這種具有啟發(fā)作用的事物稱作原型.原型之所以具有啟發(fā)作用,主要是因為原型與所要解決的問題之間有某些共同點或相似點,通過聯(lián)想找到解決問題的新方法.當年阿基米德受身體浸入浴桶時一部分水就從桶邊溢出的啟發(fā),解開了王冠之謎,并發(fā)現(xiàn)了阿基米德定律.美國核物理學家格拉塞爾受啤酒杯中一串串上升的氣泡的啟發(fā),發(fā)明了氣泡室并榮獲了1960年的諾貝爾物理學獎.將原型啟發(fā)的思維機制引入到物理教學中,通過原型進行聯(lián)想或類比,不僅能啟發(fā)學生理解物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律和找到解決問題的方法,而且能使學生學會方法,有效地提高創(chuàng)造性思維能力,優(yōu)化思維策略.

2 原型啟發(fā)的類型

2.1 生活啟發(fā)

學生進入課堂都帶著自己獨特的生活經(jīng)歷和體驗,帶著自己對自然、對事物的認識、看法和態(tài)度,已經(jīng)具有豐富的物理表象、感性認識和經(jīng)驗方法.在物理教學中,用學生身邊的事例作為學習的原型,可啟發(fā)學生的思維,調(diào)動學生學習的積極性,幫助學生理解物理概念和掌握物理規(guī)律.例如,在“晶體二極管”教學時,為了讓學生理解二極管單向?qū)щ娦缘奶匦?教師可以啟發(fā)學生列舉生活中單向?qū)ǖ睦?如江南水鄉(xiāng)人抓黃鱔用的竹簍的口子,自行車、汽車輪胎的氣門.在“電源和電流”教學時,以水流、水泵和水位差為生活原型,分別用來類比電流、電源和電勢差.在學習楞次定律時,為了讓學生更好地理解“阻礙”的物理本質(zhì),可以尋找以下生活原型進行比喻:當人踩到爛泥塘上時,泥土會阻礙你踩入泥里,也會阻礙你拔出腿來.又如下雨天打著雨傘,由于受到雨滴頻繁地撞擊而產(chǎn)生向下的壓強,以此為原型用來啟發(fā)聯(lián)想,氣體分子頻繁地撞擊器壁,將會對器壁產(chǎn)生壓強.

2.2 舊知啟發(fā)

2.3 模型啟發(fā)

在物理題解教學中要先引導學生根據(jù)物理問題情景構(gòu)建出典型形象,形成正確清晰的物理圖景;在此基礎上,再啟發(fā)學生活化構(gòu)建的典型形象,將物理問題轉(zhuǎn)化為物理原型.

母題.如圖1所示,ad、ac、ab是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細桿,a、b、c、d位于同一圓周上,a點為圓周的最高點,d點為最低點.每根桿上都套著一個小滑環(huán)(圖中未畫出),3個滑環(huán)先后從a處釋放(初速為0),用t1、t2、t3依次表示滑環(huán)分別從a處到達b、c、d所用的時間,則

解析:(D)選項正確.構(gòu)建典型模型:物體從最高點開始沿光滑軌道滑到圓周上任意點的時間都相等.

子題1.如圖2所示,AO、AB、AC是豎直平面內(nèi)的3根固定的細桿,A、O位于同一圓周上,A點位于圓周的最高點,O點位于圓周的最低點,每一根細桿上都套有一個光滑的小球(圖中未畫出),3個環(huán)都從A點無初速地釋放,用T1、T2、T3表示各環(huán)到O、B、C時所用的時間,則

解析:受母題模型的啟發(fā),可以得出選項(D)正確.

子題2.在離坡底10m的山坡上豎直地固定一長10m的直桿AO(即BO=AO=10 m).A端與坡底B間連有一鋼繩,一穿心于鋼繩上的小球從A點由靜止開始沿鋼繩無摩擦地滑下,如圖3所示,則小球在鋼繩上滑行的時間為(取g=10 m/ s2)

圖3

解析:受母題的模型啟發(fā),以

3 原型啟發(fā)的教學價值

3.1 促進知識的理解

物理學中的概念、規(guī)律和方法多數(shù)是非常抽象的,所以在教學中學生往往會產(chǎn)生認知及心理障礙.但學生在生活中和以往的學習中已經(jīng)習得了豐富的物理表象、知識經(jīng)驗和解決問題的方法,教師在教學中要善于運用原型啟發(fā)的策略,將新事物與舊事物、新問題與舊問題進行類比,激活和運用學生頭腦中原有的經(jīng)驗和方法,以此來同化抽象的新知識和解決棘手的新問題.例如,“電場”概念的建立是極為重要的,但由于此概念比較抽象,學生往往難以理解.可以用力學中所學重力場為原型與之進行類比啟發(fā):地球周圍存在著重力場,地球上所有物體都處于重力場中,都受到了地球的作用——重力.同樣,電荷的周圍存在著電場,電場對處于其中的電荷有電場力的作用(如點電荷間的庫侖力的作用).再由物體在重力場中具有了與地球位置有關(guān)的重力勢能,引導學生總結(jié)出,檢驗電荷在電場中也應具有與場源電荷位置有關(guān)的電勢能.勻強電場中帶電粒子以垂直于場強方向射入電場后的偏轉(zhuǎn)運動與平拋運動相類比等.如此類比,相當于在新舊知識間架起了一座橋梁,讓學生能夠從已掌握的舊知識中順利地接受和理解新知識.

有些概念、知識若僅僅從概念之間、數(shù)學推導上進行討論和分析,學生常常似懂非懂,他們雖然相信教師的講解,推導是正確的,但他們并沒有領(lǐng)悟,他們的思維找不到堅實的立足點,新的知識游離于知識框架之外,這時若利用學生熟悉的原型進行啟發(fā),許多問題能“迎刃而解”.例如,“一初速度為零的物體做加速運動,當其加速度逐漸減小的過程中,其速度將如何變化?”,對于這一問題,學生初學時總覺得加速度減小,速度必應減小.可用“人的身高增長”作為原型進行啟發(fā):人從出生到成人,其身高逐漸增高.當人的年齡接近成人階段,其身高增長速度將逐漸減慢,但人的身高卻仍在繼續(xù)增高,只是增高變緩了,而并非人越長越短.當身高停止增長,人的身高達到了他一生中的最大身高.這樣用學生生活中熟悉的事物來對比,也就不難對上述問題做出回答了.

3.2 為探究提供支持

本文開頭就指出,原型之所以有啟發(fā)作用,主要是原型與問題之間有某些相似點,通過聯(lián)想,使人很容易找到解決問題的新方法.在物理概念、規(guī)律或結(jié)論的探究階段,當探究陷入困境時,教師要趁機引入物理原型,激發(fā)學生對所熟悉事物的好奇心與探究欲,啟發(fā)學生努力思考,喚起他們原有的知識經(jīng)驗,找到相應的知識線索,使其豁然開朗,突破困境.

例如,“電場”看不見、摸不到,十分抽象,難以理解.如何來研究和描述這種完全陌生的、甚至有些不可思議的場物質(zhì)呢?由于學生對電場的存在缺乏感性的認識,所以這個探究性問題的提出會讓學生的思維陷入困境.此時,筆者沒有直接向?qū)W生提出“檢驗電荷”的設想,而是先利用“風”的生活原型來啟發(fā)學生的思考.“風”雖然是看不見摸不著的物質(zhì),但學生在生活中已經(jīng)有了對“風”的體會.因此從描述風入手進而將描述風的方法遷移到描述場,學生很容易接受.教學中,先請每位學生作一幅表現(xiàn)“風”的畫.學生們作出的畫各種各樣:紅旗飄揚的,被吹彎的樹,幾條彎曲的線,用線表示龍卷風(龍卷風上面還有飛起的人)等.然后總結(jié)學生畫“風”的手法:有借助于實物(樹、人、旗等)描述的,又有借助于抽象線條描述的.再引導學生體會到用“看得見的”表現(xiàn)“看不見的”這樣的思想方法.最后比較得出:(1)引入“電場線”(類比于抽象線條)用來形象、定性地描述電場; (2)引入“檢驗電荷”(類比于樹、人、旗)用來定量地描述電場.

3.3 開拓解題的思路

解題的過程就是還原物理模型的過程,我們遇到的新模型大多數(shù)是在舊模型的基礎上發(fā)展或變通而來的.在解題中應用原型啟發(fā)就是依據(jù)新模型的特征,通過思維想象,開拓解題的思路,將新模型向舊模型轉(zhuǎn)化,然后借用舊模型發(fā)揮跳躍性想象解決新問題.

圖4

例如,如圖4所示,一條長為L的細線,上端固定,下端拴一質(zhì)量為m的帶正電小球.將它置于一勻強電場中,電場強度大小為E,方向水平向右.已知當細線偏離豎直方向α角時,小球處于平衡狀態(tài).如果將細線偏角從α增大到β,然后將小球由靜止開始釋放,則β角應為多大才能使細線到達豎直位置時,小球的速度剛好為零?

分析:如果先由能量守恒定律列出方程,然后花費大量的時間進行三角函數(shù)變換,求得β=2α.這樣做計算過程很繁雜,并且很有可能會搞錯.但如果放開思路,打破常規(guī),抓住小球從A點釋放后,將在A、B兩振幅位置之間來回振動的特征,聯(lián)想到重力場單擺振動這一原型,根據(jù)兩振幅位置對稱于平衡位置,無需計算,憑直覺思維即可得出正確的結(jié)論.

2010-04-22)

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