丁 珂 錢長(zhǎng)炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

隨著近年來(lái)基礎(chǔ)教育物理課程改革的不斷推行與深化,中學(xué)物理教育在各方面都取得了明顯的進(jìn)步,其中“科學(xué)方法”對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的價(jià)值也不斷被挖掘出來(lái).從三維目標(biāo)中的“過(guò)程與方法”到如今物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”,無(wú)疑不在強(qiáng)化科學(xué)方法對(duì)培養(yǎng)人的重要性.因此,本文以“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)為例,以顯化科學(xué)方法為宗旨、強(qiáng)化思維教育為目的進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),以此體現(xiàn)科學(xué)方法對(duì)思維教育的重要作用,希望為新一輪的課程改革提供一些借鑒與幫助.

1 科學(xué)方法及其在教學(xué)中的定位

物理科學(xué)方法是蘊(yùn)含在物理知識(shí)與思維過(guò)程中,以物理知識(shí)為載體、以物理思維為運(yùn)動(dòng)空間的科學(xué)研究問(wèn)題的方法.在進(jìn)行中學(xué)物理概念、規(guī)律和實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容的教學(xué)中,可運(yùn)用的常規(guī)科學(xué)方法有觀察實(shí)驗(yàn)方法、邏輯思維方法和數(shù)學(xué)方法,如圖1所示.這些方法在一定程度上不僅有利于學(xué)生充分并且快速的掌握物理知識(shí),而且有助于訓(xùn)練相應(yīng)的科學(xué)思維、增強(qiáng)探究能力進(jìn)而感受探索科學(xué)的樂(lè)趣.[1]

如今科學(xué)方法教育內(nèi)容在物理教科書中也越來(lái)越豐富.這反映了科學(xué)方法教育得到了更多的關(guān)注.根據(jù)我們所掌握的文獻(xiàn),也逐漸對(duì)科學(xué)方法有了新的認(rèn)識(shí),科學(xué)方法是一種比概念、規(guī)律和實(shí)驗(yàn)更加隱蔽的“知識(shí)”,掌握了這一“知識(shí)”,它將促進(jìn)物理常規(guī)知識(shí)的理解與學(xué)習(xí),進(jìn)而間接作用物理觀念的形成.同時(shí)眾多的科學(xué)方法隱藏在探究性學(xué)習(xí)之中,也直接對(duì)科學(xué)思維的訓(xùn)練產(chǎn)生直接影響.因此,在物理教學(xué)中將科學(xué)方法與知識(shí)、學(xué)習(xí)方式充分融合,并將其顯化,這無(wú)疑是為物理學(xué)科核心素養(yǎng)教育探索出了一個(gè)新的窗口.[2]

圖1 物理教學(xué)中的科學(xué)方法示意圖

2 科學(xué)方法在教學(xué)中的體現(xiàn)與落實(shí)

教科書是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要工具,教科書中科學(xué)知識(shí)與方法的結(jié)合對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練也起著至關(guān)重要的作用.因此,筆者以高中物理“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)為例,分析其內(nèi)容組織所體現(xiàn)的科學(xué)方法等問(wèn)題,并給出顯化科學(xué)方法、強(qiáng)化思維教育的教學(xué)過(guò)程,以供參考.

2.1 科學(xué)方法在“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)中的呈現(xiàn)分析

我國(guó)高中物理代表性教科書中“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖2所示.教科書首先通過(guò)“伽利略擺”演示實(shí)驗(yàn)引入新課,以此激發(fā)學(xué)生對(duì)能量的思考,隨后描述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能與勢(shì)能如何轉(zhuǎn)化,接著利用動(dòng)能定理和重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系推導(dǎo)出機(jī)械能守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式,最后直接概括總結(jié)得出機(jī)械能守恒定律的定義.[3]

圖2 代表性教科書“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

這其中內(nèi)容組織邏輯體現(xiàn)的科學(xué)方法值得我們深入思考.首先根據(jù)伽利略擺的演示實(shí)驗(yàn)可以看出是要求學(xué)生利用觀察實(shí)驗(yàn)法來(lái)分析能量.對(duì)于動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化教科書則采用分析與綜合的科學(xué)方法進(jìn)行文字闡述,這些編排在一定程度上是以隱性的方式將科學(xué)方法呈現(xiàn)了出來(lái).但從動(dòng)能定理推導(dǎo)得出機(jī)械能守恒定律的安排既未能體現(xiàn)一般到特殊演繹的科學(xué)方法,又非常規(guī)的歸納方法,只是單純的公式推導(dǎo).這無(wú)疑是將物理知識(shí)數(shù)學(xué)化.這種方法即違背了該定律在物理學(xué)史上由來(lái)和發(fā)展,也不利于學(xué)生進(jìn)一步理解、掌握和提升機(jī)械能守恒的相關(guān)知識(shí),甚至在一定程度上加大了學(xué)習(xí)新知識(shí)的難度.[4]

2.2 顯化科學(xué)方法的“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于上文對(duì)“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容科學(xué)方法呈現(xiàn)情況的分析,結(jié)合該節(jié)知識(shí)本身的特點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的教學(xué)過(guò)程,認(rèn)為在“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)中通過(guò)演繹法、分析與綜合、實(shí)驗(yàn)觀察和比較法組織展開(kāi)教學(xué),方能更好地訓(xùn)練科學(xué)思維各要素,并且能夠有效落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)其他方面.

圖3 教學(xué)進(jìn)程示意圖

2.2.1 追溯歷史,演繹推理,引入“守恒”

物理學(xué)發(fā)展史上,能量概念的確立經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程,對(duì)能量轉(zhuǎn)化及其守恒定律的認(rèn)識(shí)更是艱難.伴隨著物理學(xué)各個(gè)分支的發(fā)展直至19世紀(jì)40年代,諸多物理學(xué)家例如焦耳、亥姆霍茲等人才從不同方面逐漸形成對(duì)能量較完整的認(rèn)識(shí).[5]筆者將這一史實(shí)作為本節(jié)新課“能量轉(zhuǎn)化及其守恒”部分的引入,并且介紹生活中的光能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等能量拉近學(xué)生對(duì)抽象能量概念的距離.隨即指出“機(jī)械能”也是眾多能量中的一種,因此,理所當(dāng)然也遵循能量守恒定律.這也是本節(jié)課即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容“機(jī)械能守恒定律”.至此,通過(guò)演繹推理的方法已將新課內(nèi)容“機(jī)械能守恒定律”引出.隨即說(shuō)明學(xué)生在初中階段只是定性了解了機(jī)械能守恒,而今天的主題則是定量了解機(jī)械能守恒定律.

在引入環(huán)節(jié)結(jié)束之后,進(jìn)一步補(bǔ)充演繹推理的科學(xué)方法.即演繹法是從一般原理推演出個(gè)別結(jié)論的思維方法,由3個(gè)因素組成,分別是“大小前提和結(jié)論”.在此次課上,“能量守恒定律”為一般性的大前提;作為演繹中介的“小前提”即為“機(jī)械能屬于眾多能量中的一種”;由大小前提推演出的結(jié)果即為“機(jī)械能守恒定律”.[6]通過(guò)這種顯性的三段論演繹科學(xué)方法教學(xué),使學(xué)生進(jìn)一步明確已知條件中的邏輯關(guān)系,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理以及科學(xué)論證的思維能力.同時(shí)在傾聽(tīng)“能量”相關(guān)物理學(xué)史中感受科學(xué)知識(shí)得來(lái)的艱難,進(jìn)而培養(yǎng)勇于追尋真理的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

2.2.2 分析綜合、對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證守恒

(1) “機(jī)械能守恒定律”數(shù)量條件的驗(yàn)證.

“機(jī)械能守恒定律”的定量驗(yàn)證為本節(jié)課的重點(diǎn).首先向?qū)W生展示小球做自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)和沿光滑曲面滑下的3種情境,如圖4所示.請(qǐng)同學(xué)們小組討論,按照各自組號(hào)對(duì)應(yīng)的情境,利用動(dòng)能定理進(jìn)一步定量分析并驗(yàn)證機(jī)械能守恒.在學(xué)生討論過(guò)程中,教師根據(jù)最近發(fā)展區(qū)設(shè)置問(wèn)題,搭建學(xué)習(xí)“階梯”,如:在3種小球下落的情境中,重力對(duì)物體做的功與其重力勢(shì)能變化的關(guān)系是什么?根據(jù)動(dòng)能定理,重力對(duì)物體做的功與物體動(dòng)能變化量的關(guān)系又是什么?在教師的引導(dǎo)下學(xué)生根據(jù)重力做的功與勢(shì)能變化的關(guān)系得出WG=Ep1-Ep2,根據(jù)動(dòng)能定理得出WG=Ek2-Ek1,隨后進(jìn)行公式整理即Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,Ek2+Ep2=Ek1+Ep1,最后得出E2=E1.

教師隨即提出“為什么不同情境小球的機(jī)械能都守恒,以及它們的推導(dǎo)過(guò)程也都相同?”這一問(wèn)題.隨后引導(dǎo)學(xué)生從做功情況考慮它們的共同點(diǎn).在學(xué)生將3種情況綜合考慮發(fā)現(xiàn)都是由重力做功后,教師詢問(wèn):如果還有其他力做功,是否也滿足機(jī)械能守恒呢?以此自然過(guò)渡到機(jī)械能守恒做功條件的探究.

圖4 3種機(jī)械能守恒情境

在進(jìn)行下一教學(xué)環(huán)節(jié)之前教師對(duì)此部分的科學(xué)方法展開(kāi)介紹.通過(guò)利用3組不同情境重力做功的例子使學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒的個(gè)別情況進(jìn)行了分析和思考,此謂分析法,即把研究對(duì)象分解成它的組成部分,然后分別加以研究;通過(guò)對(duì)比其他情境找出相同點(diǎn)綜合考慮,此謂綜合法,即把研究對(duì)象的各部分聯(lián)系起來(lái),從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律.教師通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)方法直接補(bǔ)充使學(xué)生進(jìn)一步明確分析與綜合的科學(xué)方法,從而訓(xùn)練科學(xué)推理、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維.[7]根據(jù)情境和教師的問(wèn)題獨(dú)立思考,也進(jìn)一步訓(xùn)練了獲取和處理信息的科學(xué)探究能力,同時(shí)理論推導(dǎo)守恒提供了守恒證據(jù)從而加速了守恒觀的形成.

(2) “機(jī)械能守恒定律”做功條件的探究.

圖5 自制“機(jī)械能守恒”演示儀

教師首先介紹“機(jī)械能守恒”演示儀的設(shè)計(jì)情況,它是由光電門和單擺組成,利用Dislab系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),裝置如圖5所示.隨即提出如何利用“機(jī)械能守恒”演示儀進(jìn)行機(jī)械能守恒做功條件的探究?這一問(wèn)題引發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思考,并且結(jié)合學(xué)生知識(shí)的最近發(fā)展區(qū)提問(wèn):擺球從C點(diǎn)釋放時(shí),在不同位置的機(jī)械能如何表示?在B、C處的高度和A、B處的速度如何得出?如何改變擺球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力及做功條件?進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程.

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成表1中“擺球受力及做功情況”一欄,并且通過(guò)對(duì)比單擺運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能守恒以及不守恒的受力做功條件得出機(jī)械能守恒時(shí)應(yīng)滿足的做功條件. 教師隨后對(duì)實(shí)驗(yàn)做出總結(jié)，即“在單擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,機(jī)械能守恒的做功條件為只受到重力做功”.同時(shí)進(jìn)一步補(bǔ)充除重力做功的系統(tǒng)外,彈簧做功也遵循機(jī)械能守恒(此節(jié)課不展開(kāi)),從而得出機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容為“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化,而總的機(jī)械能數(shù)量保持不變”.

教師隨即對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程展開(kāi)科學(xué)方法的總結(jié).學(xué)生通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)這是觀察實(shí)驗(yàn)方法中的“實(shí)驗(yàn)觀察法”,而通過(guò)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比,這是一種“比較”的抽象邏輯思維方法,即確定研究對(duì)象之間差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的邏輯方法.明確這些科學(xué)方法有助于學(xué)生通過(guò)將理論與實(shí)踐結(jié)合去深入學(xué)習(xí)知識(shí),并且有針對(duì)性地訓(xùn)練科學(xué)推理和質(zhì)疑創(chuàng)新的能力.另外實(shí)驗(yàn)部分的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案,和基于證據(jù)得出結(jié)論的科學(xué)探究能力.

2.2.3 參與游戲、建立模型,體悟守恒

圖6 “勇者挑戰(zhàn)”游戲

此時(shí),新課已接近尾聲．請(qǐng)學(xué)生們參與“勇者挑戰(zhàn)”的游戲,規(guī)則是用繩子將一把鐵鎖懸掛,挑戰(zhàn)者拿起鐵鎖靠近自己的鼻子,但是不要觸碰到鼻尖,穩(wěn)定后釋放,看鐵鎖是否會(huì)砸到挑戰(zhàn)者鼻子(如圖6)?可能有些學(xué)生出于本能,不敢嘗試.但是部分學(xué)生嘗試的過(guò)程中其他學(xué)生觀察到了鐵鎖根本不會(huì)超過(guò)初始高度.

通過(guò)“勇者挑戰(zhàn)”的游戲,使學(xué)生直接或間接地體會(huì)機(jī)械能守恒,感受科學(xué)世界的精確與魅力,同時(shí)通過(guò)游戲初步建立單擺機(jī)械能守恒模型,以及明確“模型”是一種將研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái),構(gòu)成一個(gè)概念或事物的體系.[8]以此訓(xùn)練學(xué)生在腦海中構(gòu)建機(jī)械能守恒模型的思維能力,同時(shí)嘗試?yán)媚Ｐ腿ソ鉀Q問(wèn)題的論證思維能力.

3 小結(jié)與啟示

通過(guò)對(duì)科學(xué)方法在教學(xué)中的定位以及科學(xué)方法在“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)的情況分析,筆者發(fā)現(xiàn)科學(xué)方法在現(xiàn)階段物理教學(xué)中的安排并未起到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方面的作用.基于此,筆者制定了突顯科學(xué)方法的教學(xué)過(guò)程,以此有針對(duì)性地訓(xùn)練科學(xué)思維各個(gè)要素,從而更好地貫徹落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng).

良好的科學(xué)思維品質(zhì)是“化知為識(shí),化識(shí)為智”的關(guān)鍵所在.在對(duì)高中物理“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分析,并且基于顯化科學(xué)方法這一宗旨設(shè)計(jì)其教學(xué)過(guò)程時(shí),我們深深地感受到在物理教學(xué)大力推廣核心素養(yǎng)的今天,教師更應(yīng)精心設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程,將物理科學(xué)方法合理地融入到高中物理教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)實(shí)施中去,以科學(xué)方法引領(lǐng)思維訓(xùn)練,從而促進(jìn)物理核心素養(yǎng)其他方面的形成與發(fā)展.真正將課程目標(biāo)落到實(shí)處,進(jìn)而成為具有較高科學(xué)素質(zhì)的公民.