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        物理思想方法的學(xué)習(xí)路徑探討①

        2018-02-26 05:51:01
        物理之友 2018年1期
        關(guān)鍵詞:磁場物理測量

        (浙江省溫嶺市新河中學(xué),浙江 溫嶺 317502)

        物理思想方法的學(xué)習(xí)路徑要根據(jù)物理思想方法的特征來確定,而物理思想方法的特征取決于分類方法。因此我們先要梳理出物理思想方法的分類模型,才能根據(jù)各自的特征來選擇學(xué)習(xí)的路徑,本文采用的是如圖1所示的分類方法。

        圖1

        1 物理方法的學(xué)習(xí)路徑

        1.1 從心理學(xué)角度看物理方法的學(xué)習(xí)路徑

        從心理學(xué)角度來看,物理方法屬于強(qiáng)認(rèn)知方法,包括途徑、步驟、手段等,其基本的特征是具有可操作性。物理方法的學(xué)習(xí)需外部信息的直接輸入和大量存儲(chǔ)(如圖2)。

        圖2

        1.2 從物理學(xué)習(xí)角度看物理方法的學(xué)習(xí)路徑

        從物理學(xué)習(xí)角度來看,物理方法分為理論方法、實(shí)驗(yàn)方法。其中,理論方法包括獲得知識(shí)的物理方法、應(yīng)用知識(shí)的物理方法,實(shí)驗(yàn)方法包括測量的方法和數(shù)據(jù)處理的方法。

        理論方法學(xué)習(xí)路徑與實(shí)驗(yàn)方法學(xué)習(xí)路徑有共通的地方,都要經(jīng)歷三個(gè)階段:重演過程、明確方法和遷移應(yīng)用(如圖3)。通過重演過程感受方法;通過明確方法,知道方法的特征、步驟和意義;通過遷移應(yīng)用,達(dá)到靈活使用甚至是創(chuàng)造性使用的境界。當(dāng)然,理論方法學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)方法學(xué)習(xí)的具體路徑并不完全相同,筆者主要針對(duì)它們的不同點(diǎn)來展開論述。

        圖3

        1.2.1 理論方法的學(xué)習(xí)路徑

        (1) 獲得知識(shí)物理方法的學(xué)習(xí)路徑

        獲得知識(shí)的物理方法包括比值定義法、理想化方法、控制變量法、實(shí)驗(yàn)歸納法、演繹推理法等。例如,要學(xué)習(xí)比值定義法這種方法,學(xué)生需要經(jīng)歷一個(gè)方法重演的過程,以此明確比值定義法的內(nèi)涵、步驟、比值定義法的公式與決定式之間的區(qū)別,通過遷移應(yīng)用鞏固所學(xué)方法。以下用具體案例予以說明。

        案例一:用比值定義法定義電場強(qiáng)度

        圖4

        其次是明確方法。要理解比值定義法的內(nèi)涵,必須明確為什么要將兩個(gè)物理量相比。例如在電場中某一確定位置,電場的強(qiáng)弱是一定的,不同試探電荷在電場中同一位置所受的電場力不同,因此不能用電場力來描述該點(diǎn)處電場的強(qiáng)弱。但F、q的比值就符合這一要求,電場中同一位置處F、q的比值相同,電場中不同位置處F、q的比值不同。比值定義法所定義的物理量大小由物質(zhì)本身決定,與定義式中其他物理量沒有關(guān)系。

        (2) 應(yīng)用知識(shí)的物理方法的學(xué)習(xí)路徑

        應(yīng)用知識(shí)的物理方法包括思想方法和具體方法。

        第一,思想方法包括假設(shè)法、等效法、微元法、圖像法、整體法、隔離法、補(bǔ)償法、極限法、模型法等。思想方法的學(xué)習(xí)需要重演思維過程,學(xué)生通過親身的體驗(yàn)才能習(xí)得。例如平拋運(yùn)動(dòng)理想模型的學(xué)習(xí),首先從一個(gè)實(shí)際的場景開始,標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員投出一支標(biāo)槍,在空中劃出一道弧線后插在地面上。由于標(biāo)槍所受空氣阻力較小可以忽略不計(jì),加之標(biāo)槍各部分運(yùn)動(dòng)情況相同,因此,可將標(biāo)槍視為質(zhì)點(diǎn)。再仔細(xì)觀察標(biāo)槍的運(yùn)動(dòng)路徑,發(fā)現(xiàn)是一條左右對(duì)稱的曲線,所以可把標(biāo)槍的斜上拋運(yùn)動(dòng)分割成左右對(duì)稱的兩個(gè)部分,取其中一部分來研究,即可推知與之對(duì)稱的另一部分的規(guī)律。為了方便,我們?nèi)?biāo)槍(質(zhì)點(diǎn))從最高點(diǎn)到地面的這部分來研究,此即平拋運(yùn)動(dòng)的理想化模型。它是從實(shí)際場景中經(jīng)一系列簡化后逐步抽象出來的。

        第二,具體方法包括逐差法、正交分解法、微平移法、估算法等。具體方法的學(xué)習(xí)需要明確操作的程序,再通過相應(yīng)的變式訓(xùn)練,才能熟練掌握。例如,應(yīng)用左手定則來判斷洛倫茲力方向的方法。首先展開手掌,大拇指與四指方向垂直,讓磁場穿過手心;然后旋轉(zhuǎn)手掌,讓四指方向與正電荷運(yùn)動(dòng)方向相同(或與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向相反),則大拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。在具體實(shí)際的情境中,按照“展—穿—旋—指”這樣的分解步驟反復(fù)操練,學(xué)生就能習(xí)得具體的操作方法。

        1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)路徑

        從心理學(xué)角度來看,“實(shí)驗(yàn)方法的原理”是屬于知識(shí),“怎么去操作”是屬于技能。在這里,筆者主要談實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)路徑。實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)需通過觀察、討論、操作、反思等步驟來獲得,實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)路徑如圖5所示。

        圖5

        學(xué)生通過觀察儀器、觀察教師的示范、交流討論、實(shí)際操作、自我反思,獲取外部信息,習(xí)得實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)中,尤其要注意的是不僅要注重操作和討論,更要注意自己的觀察和反思。例如,在“用雙縫干涉測光的波長”實(shí)驗(yàn)中,有些學(xué)生就只關(guān)注光波長的測量,沒有關(guān)注遮光筒上的長桿,他就不會(huì)知道長桿的作用,其實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)就存在缺陷。也有學(xué)生在操作中發(fā)現(xiàn)視野中的分劃線是傾斜的,但不去思考解決,馬馬虎虎地測出光的波長后了事,沒有反思分劃線刻在哪里,如何操作才能將分劃線調(diào)整到位,這樣他的實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)也是不夠完整的。

        (1) 實(shí)驗(yàn)測量方法的學(xué)習(xí)路徑

        實(shí)驗(yàn)測量方法的學(xué)習(xí)需通過學(xué)生活動(dòng)與交流反思來實(shí)現(xiàn)。其中,學(xué)生活動(dòng)包括學(xué)生的觀察與操作,交流反思包括學(xué)生的提問、討論、反思與總結(jié)。下面以“用多用電表測電阻”為例來說明。

        案例二:實(shí)驗(yàn)“用多用電表測電阻”

        測量任務(wù):用多用電表測量120Ω定值電阻的阻值。

        學(xué)生操作:不同學(xué)生采用了不同的檔位來測量,他們觀察到的信息是不同的,教師讓學(xué)生交流自己的測量結(jié)果。

        學(xué)生1:用×1檔測量,觀察到讀數(shù)大約為100Ω,但讀數(shù)難以準(zhǔn)確估計(jì)。

        學(xué)生2:用×10檔測量,觀察到讀數(shù)為120Ω。

        學(xué)生3:用×100檔測量,觀察到讀數(shù)大約為120Ω,但讀數(shù)難以準(zhǔn)確估計(jì)。

        學(xué)生4:用×1k檔測量,觀察到指針偏轉(zhuǎn)很小,無法讀取測量數(shù)據(jù)。

        接著,教師組織學(xué)生開展討論,要使測量結(jié)果準(zhǔn)確,指針應(yīng)當(dāng)指在何處才比較合適。

        學(xué)生反思:用多用電表的歐姆檔測量電阻,指針指在中央刻度附近時(shí),讀數(shù)才比較準(zhǔn)確。

        通過“操作—觀察—討論—反思”實(shí)驗(yàn)測量方法的學(xué)習(xí)路徑,學(xué)生就能順利地習(xí)得實(shí)驗(yàn)測量的方法。

        (2) 數(shù)據(jù)處理方法的學(xué)習(xí)路徑

        在數(shù)據(jù)處理的過程中,獲取信息相對(duì)容易,關(guān)鍵是要理解與運(yùn)用這些信息。如果缺少操作,學(xué)生獲得的信息就無法進(jìn)入到他們的長時(shí)記憶中。例如,用插針法測定玻璃磚的折射率,其操作過程都有一系列的規(guī)范和程序,處理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)也有一定的方法。一種是用量角器測量入射角、折射角,然后利用光的折射定律,求出折射率。另一種是采用單位圓法,用圓規(guī)畫一個(gè)單位圓,然后利用刻度尺測量相應(yīng)線段的長度,再利用數(shù)學(xué)方法求出折射率。為了減少測量的誤差,需要多次測量取平均值,還可作出入射角正弦和折射角正弦的關(guān)系圖像,求出直線的斜率,即為折射率。這些信息處理具有很強(qiáng)的操作性,通過聽教師講解、與教師和同學(xué)討論、學(xué)生自己操作才能在頭腦中留下深刻的印象。

        2 思維方法的學(xué)習(xí)路徑

        2.1 從心理學(xué)角度探討思維方法的學(xué)習(xí)路徑

        從心理學(xué)角度來看,思維方法屬于弱認(rèn)知方法,包括比較、分析、歸納、演繹等。它的生理基礎(chǔ)是人的大腦,因此需要通過訓(xùn)練強(qiáng)化才能學(xué)習(xí)到。

        2.2 物理學(xué)習(xí)中思維方法的學(xué)習(xí)路徑

        物理學(xué)習(xí)中的思維方法分為邏輯思維方法、非邏輯思維方法。邏輯思維方法包括分類、比較、分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹等。非邏輯思維方法包括直覺思維、靈感思維、形象思維、類比、想象等。

        2.2.1 邏輯思維方法的學(xué)習(xí)路徑

        邏輯思維方法的學(xué)習(xí)從現(xiàn)象開始,通過一定的順序,進(jìn)行逐步的推演來實(shí)現(xiàn)。如演繹法就應(yīng)用了三段論:所有的A是B,所有的C是B,因此所有的A是C。物理學(xué)習(xí)中的邏輯思維方法的學(xué)習(xí)也類似于這樣的推演過程,它按一定的邏輯順序展開。下面以“伏安法測電阻”為例來說明。

        案例三:“伏安法測電阻”的誤差問題

        圖6

        問題1:測電阻的實(shí)驗(yàn)電路是怎樣的?請(qǐng)畫出電路圖。

        學(xué)生畫出的電路如圖6所示。

        問題2:圖6的兩電路中Rx的測量值相同嗎?為什么?

        學(xué)生實(shí)驗(yàn):教師提供阻值為10Ω的定值電阻,讓學(xué)生動(dòng)手操作并比較兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

        問題3:通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于阻值為10Ω的定值電阻,利用電流表外接法測出的結(jié)果是接近10Ω,利用電流表內(nèi)接法測出的結(jié)果是14Ω,為什么不一樣?

        分析原因:甲圖中由于電壓表的分流作用,導(dǎo)致I測>I真、R測U真,R測>R真。

        得出結(jié)論:當(dāng)被測電阻較小時(shí),用電流表外接法測量電阻較準(zhǔn)確,測量值小于真實(shí)值。當(dāng)被測電阻較大時(shí),用電流表內(nèi)接法測量電阻較準(zhǔn)確,測量值大于真實(shí)值。

        2.2.2 非邏輯思維方法的學(xué)習(xí)路徑

        非邏輯思維方法常包含創(chuàng)造性的成分,它的產(chǎn)生包括四個(gè)階段:準(zhǔn)備期、醞釀期、靈感期與驗(yàn)證期。在非邏輯思維方法的學(xué)習(xí)中,學(xué)生需要增加自己的知識(shí)儲(chǔ)備,尋找科學(xué)類比的方法,展開大膽的想象,組織大腦風(fēng)暴活動(dòng),創(chuàng)設(shè)合適的氛圍。由于豐富的知識(shí)儲(chǔ)備是產(chǎn)生非邏輯思維的重要基礎(chǔ),所以學(xué)生必須要開闊視野,努力增加自己的知識(shí)儲(chǔ)備。下面以“帶電粒子在圓形磁場中的圓周運(yùn)動(dòng)”為例來說明。

        案例四:帶電粒子在圓形磁場中的圓周運(yùn)動(dòng)

        圖7

        學(xué)生原有的知識(shí)儲(chǔ)備(磁聚焦模型):如圖8所示,不計(jì)重力的帶正電微粒從發(fā)射裝置中以等大的速率沿水平方向向右射出,經(jīng)過一個(gè)垂直紙面向外的圓形的勻強(qiáng)磁場區(qū)域。已知圓形磁場的半徑為R,帶電微粒發(fā)射裝置的長為2R,圓形磁場的下端剛好與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合,帶電微粒在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑也為R,則所有微粒都聚焦于坐標(biāo)原點(diǎn)O。

        圖8

        在解題中,有學(xué)生做出了大膽的想象(逆向思維法):圖7中射出的粒子經(jīng)過圓心在y軸正方向,磁場下部與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合,磁場半徑等于粒子做圓周運(yùn)動(dòng)半徑的圓形磁場區(qū)域,離開磁場時(shí)將沿水平方向射出,垂直打在擋板上。

        圖9

        在上述問題的解決中,學(xué)生從原有的知識(shí)儲(chǔ)備中獲得了靈感,運(yùn)用非邏輯思維勾畫了圓形磁場,再通過頭腦風(fēng)暴的形式,結(jié)合邏輯思維,利用縮放圓的方法,找到了邊界條件,得到了圓形磁場的最大半徑,從而推導(dǎo)出磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值。這都得益于非邏輯思維(靈感思維)的有效運(yùn)用。

        [1] 邢紅軍.物理教學(xué)論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2015.

        [2] 蔡千斌,葉美紅.試論物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過程設(shè)計(jì)”[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015,(3).

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