魏舜芷 陳 剛 劉紫微

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 上海 200333) (同濟(jì)大學(xué)第一附屬中學(xué) 上海 200438)

1 問題的提出

科學(xué)方法教育是我國物理教育界一個傳統(tǒng)而熱點(diǎn)的話題.盡管物理教育者能認(rèn)識到科學(xué)方法教育的重要性，但方法教育內(nèi)容并未在教材編寫中得到令人滿意的呈現(xiàn).我國傳統(tǒng)的物理教材編寫通常對知識點(diǎn)的邏輯聯(lián)系采用顯性處理，但對科學(xué)方法通常隱性處理，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自己去領(lǐng)悟，但“悟”的是什么，沒有清楚說明[1].教材中對科學(xué)方法的隱性處理也讓物理教師難以展開方法教學(xué)來引導(dǎo)學(xué)生解決問題，往往忽視了科學(xué)方法的具體內(nèi)容和相應(yīng)的執(zhí)行步驟.

模型法是解決物理問題時一種常用的科學(xué)方法.單擺是一種理想模型，課程標(biāo)準(zhǔn)在關(guān)于單擺的教學(xué)提示和學(xué)業(yè)要求處指出：引導(dǎo)學(xué)生能根據(jù)現(xiàn)實生活中的擺動的特點(diǎn)，建構(gòu)單擺模型，提高建模能力[2].下面以“單擺”一節(jié)中的單擺模型建構(gòu)為例，提出模型法的適用范圍和執(zhí)行步驟，分析不同版本教材中對單擺模型建構(gòu)的處理，并提供一定的教材編寫建議.

2 模型法的界定及單擺模型的建構(gòu)

2.1 模型法的界定

科學(xué)方法通常有其適用解決問題的范圍.“模型法”用在從復(fù)雜的具體情境中抽象出待研究的對象或問題時，比如進(jìn)行科學(xué)探究的第一步——提出問題環(huán)節(jié).在高考命題中也常常聯(lián)系到實際生活中的素材如行星火箭、火車轉(zhuǎn)彎等.這就要求學(xué)生掌握模型法，即能夠從生活現(xiàn)象中抽象概括出物理模型并解決實際問題.

科學(xué)方法也應(yīng)有相應(yīng)的執(zhí)行步驟.建構(gòu)物理模型時需要對事物進(jìn)行簡化，忽略次要因素，突出主要因素，可以遵循以下步驟[3]：

(1)從具體情境中初步確定待研究現(xiàn)象；

(2)確定待研究對象及其屬性；

(3)分析待研究屬性出現(xiàn)的主要因素；

(4)分析待研究屬性的次要因素；

(5)概括待研究的物理模型.

2.2 單擺模型的建構(gòu)

單擺具有這樣的屬性：懸掛的重物在細(xì)繩的牽引下，在豎直平面內(nèi)圍繞一個最低點(diǎn)做往復(fù)運(yùn)動.建構(gòu)單擺模型的核心在于，遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制分析得出單擺模型屬性的主要因素和次要因素.學(xué)習(xí)心理學(xué)指出，學(xué)習(xí)者通過內(nèi)部的邏輯加工機(jī)制建立物理概念，建立聯(lián)系的基本邏輯機(jī)制主要有探究因果聯(lián)系的穆勒五法(求同法、差異法、求同求異法、剩余法和共變法)以及演繹推理[4].建立單擺模型的邏輯加工機(jī)制分析如下：

在模型法步驟(1)和(2)中，通常采用求同法，即通過呈現(xiàn)多種日常生活中的擺動現(xiàn)象，概括出待研究的單擺運(yùn)動及其屬性.獲得結(jié)論的邏輯結(jié)構(gòu)如表1所示.

表1 求同法概括單擺運(yùn)動及屬性

在模型法步驟(3)中，通常采用差異法等確定模型屬性的主要因素.單擺運(yùn)動的主要因素為：①細(xì)繩無彈性；②重物質(zhì)量遠(yuǎn)大于繩的質(zhì)量；③繩長遠(yuǎn)大于重物直徑.

主要因素①“單擺模型與繩無彈性有關(guān)”，其邏輯過程結(jié)構(gòu)如表2所示.

表2 差異法得出結(jié)論“單擺模型與繩無彈性有關(guān)”

主要因素②“單擺模型與重物質(zhì)量遠(yuǎn)大于繩的質(zhì)量有關(guān)”，其邏輯過程結(jié)構(gòu)如表3所示.

表3 差異法得出結(jié)論“單擺模型與重物質(zhì)量遠(yuǎn)大于繩的質(zhì)量有關(guān)”

主要因素③“單擺模型與繩長遠(yuǎn)大于重物直徑有關(guān)”，其邏輯過程結(jié)構(gòu)如表4所示.

表4 差異法得出結(jié)論“單擺模型與繩長遠(yuǎn)大于重物直徑有關(guān)”

在模型法步驟(4)中，分析待研究現(xiàn)象的次要因素通常運(yùn)用排除因果聯(lián)系的演繹推理.單擺模型的次要因素包括重物的形狀、材質(zhì)等.此處要研究單擺模型與重物的形狀、材質(zhì)無關(guān)，其推理過程如下：

(1)如果A與B存在因果聯(lián)系，則A變化，B亦變化(大前提).

(2)重物形狀發(fā)生改變(懷表、小砝碼等)，但重物圍繞最低點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動不變；重物材質(zhì)發(fā)生改變(小鐵球、小銅球等)，但重物圍繞最低點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動不變(小前提).

(3)由以上分析，重物圍繞最低點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動與重物形狀、材質(zhì)無關(guān)(結(jié)論).

前述對單擺模型建構(gòu)的分析，既遵循了模型法的邏輯(適用范圍和執(zhí)行步驟)，也遵循了學(xué)生建構(gòu)單擺模型時的學(xué)習(xí)機(jī)制.

3 不同版本教材編寫“單擺”模型的對比分析及編寫建議

顯化科學(xué)方法，是指編寫教材時，應(yīng)當(dāng)明確指出科學(xué)方法的名稱，傳授科學(xué)方法的內(nèi)容，揭示科學(xué)方法的形式，挖掘科學(xué)方法的內(nèi)涵，說明科學(xué)方法的使用[5].因此，對于物理概念和規(guī)律獲得所需的文字和圖片信息，教材編寫應(yīng)該遵循學(xué)生學(xué)習(xí)的邏輯機(jī)制來呈現(xiàn)；當(dāng)物理知識的獲得運(yùn)用到了科學(xué)方法時，其文字和圖片信息還應(yīng)該遵循科學(xué)方法相應(yīng)的邏輯(適用范圍和執(zhí)行步驟)來組織安排.根據(jù)前述分析，教材可按如下順序進(jìn)行單擺模型的建構(gòu).

(1)呈現(xiàn)日常生活中的擺動情境，初步概括出待研究的擺動現(xiàn)象及屬性.

(2)遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制分析單擺屬性的主要因素和次要因素.

(3)概括出單擺模型，點(diǎn)明單擺為一種理想的物理模型.

3.1 不同版本教材編寫“單擺”模型的對比分析

下面擬對高中物理教材5個版本——人教版、滬科版、粵教版、魯科版、教科版教材中單擺模型建構(gòu)的處理方式進(jìn)行比較分析，分析結(jié)果如表5所示.

通過表5的分析可以發(fā)現(xiàn)，5個版本的教科書都沒有完整地遵循模型法的邏輯和學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制來建構(gòu)單擺模型，主要有以下不足：

(1)未呈現(xiàn)日常生活中的擺動情境.如人教版只是提到了“生活中經(jīng)?？梢钥吹綉覓炱饋淼奈矬w在豎直平面內(nèi)擺動”，既沒有給出具體的例子，也沒有給出圖片素材.如此安排學(xué)生可能很難在短時間內(nèi)從現(xiàn)實生活中找到相對應(yīng)的例子，或者不確定找到的例子是否符合“懸掛起來的物體在豎直平面內(nèi)擺動”這一性質(zhì).

(2)忽略了單擺模型建構(gòu)的一個主要因素：繩不具有彈性,即細(xì)繩不可伸長.這無疑會使學(xué)生對單擺模型的認(rèn)知產(chǎn)生錯誤，學(xué)生可能會將生活中的某些現(xiàn)象，如重物在具有彈性的細(xì)繩牽引下的擺動抽象為單擺模型.

(3)只是簡單呈現(xiàn)單擺模型屬性的主要因素.簡單地灌輸知識點(diǎn)，如教材中都呈現(xiàn)了“單擺模型需要重物質(zhì)量遠(yuǎn)大于繩的質(zhì)量”，但沒有遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制進(jìn)行情境的呈現(xiàn)，會使學(xué)生對這一屬性的得出不知其所以然.

(4)未分析單擺模型屬性的次要因素，那么學(xué)生很可能將實際擺局限為“一個小球在一根長繩的牽引下圍繞固定點(diǎn)做往復(fù)運(yùn)動”，而忽略了長繩和重物的某些特征對模型無影響，沒有達(dá)到真正地從日常生活中抽象出單擺模型的能力.

(5)未點(diǎn)明單擺是實際擺的理想模型的處理，學(xué)生就沒有意識到自己正在經(jīng)歷運(yùn)用模型法處理問題，也就無法實現(xiàn)最為基本的科學(xué)方法教育.

3.2 教材編寫“單擺模型建構(gòu)”的建議

根據(jù)前述分析，為使教材編寫顯性化模型法，筆者提出以下改進(jìn)建議：

(1)呈現(xiàn)具體情境材料(圖片或視頻)

抽象出物理模型前，學(xué)生面對的是日常生活中具體的情境，也就是一般的擺動現(xiàn)象，如擺鐘、吊燈、蕩秋千、空中飛人運(yùn)動等，通過呈現(xiàn)具體的情境材料可以培養(yǎng)學(xué)生從生活情境確定待研究現(xiàn)象的能力，同時也培養(yǎng)了學(xué)生將生活實際和物理知識聯(lián)系起來的能力.

(2)呈現(xiàn)并分析單擺屬性產(chǎn)生的主要和次要因素

教材應(yīng)說明單擺運(yùn)動的主要因素為：

1)細(xì)繩無彈性；

2)重物質(zhì)量遠(yuǎn)大于繩的質(zhì)量；

3)繩長比物體直徑大得多.

同時應(yīng)遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制呈現(xiàn)相應(yīng)實驗素材，以主要因素1)為例.

呈現(xiàn)實驗一：“小鐵球+細(xì)長繩”，小鐵球能夠在細(xì)長繩的牽引下圍繞固定的最低點(diǎn)做往復(fù)運(yùn)動，待研究現(xiàn)象出現(xiàn).

呈現(xiàn)實驗二：“小鐵球+橡皮筋”，小鐵球在擺動的同時還會沿橡皮筋方向伸縮，不是待研究的圍繞固定的最低點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動.

得出結(jié)論：單擺運(yùn)動的必要條件之一是細(xì)繩無彈性.

教材也應(yīng)該說明是否影響單擺運(yùn)動的次要因素，如重物的形狀、材質(zhì)等.可以文字、圖片等引導(dǎo)學(xué)生分析.以重物的形狀對單擺模型無影響為例，可呈現(xiàn)懷表與小鋼球的擺動素材.

(3)點(diǎn)明單擺是實際擺的理想模型的處理

教材中沒有直接說明模型法的具體步驟，如果不點(diǎn)明單擺是實際擺的理想模型的處理，那么學(xué)生可能沒有意識到單擺的建構(gòu)過程運(yùn)用到了模型法.教材如果按照模型法的邏輯編寫，在一定程度上能讓學(xué)生經(jīng)歷模型法的運(yùn)用，但學(xué)生可能不會自覺發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)經(jīng)歷了模型法抽象出單擺模型的過程.因此，教材中應(yīng)突顯這一細(xì)節(jié)，點(diǎn)明單擺是實際擺的理想模型的處理.

4 總結(jié)

教材的編寫如果遵循模型法的邏輯(即模型法的適用范圍和執(zhí)行步驟)，也遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制，那么在一定程度上可以為學(xué)生自主學(xué)習(xí)時真正理解和習(xí)得模型法的內(nèi)涵及運(yùn)用提供可能.學(xué)生遵循模型法的引導(dǎo)抽象出單擺模型，雖不能自動概括出模型法的適用條件和執(zhí)行步驟，但在此增加了運(yùn)用模型法解決問題的經(jīng)歷.在積累一定的模型法經(jīng)歷后，學(xué)生也將有可能在未來的科學(xué)探究中自主解決模型建構(gòu)類的問題.

因此，教材編寫應(yīng)顯性化科學(xué)方法，并非簡單點(diǎn)明科學(xué)方法，而是要遵循科學(xué)方法的邏輯合理地編寫教材.那么，無論學(xué)生自主學(xué)習(xí)或是教師教學(xué)，都能夠通過教材有據(jù)可依地學(xué)習(xí)或教授科學(xué)方法.教師在教學(xué)中也應(yīng)該重視科學(xué)方法的顯性化，遵循科學(xué)方法的邏輯來引導(dǎo)學(xué)生思考的方向，使學(xué)生真正理解科學(xué)方法用在哪里和如何運(yùn)用.如果我們在物理教材編寫和教師的教學(xué)過程中都注重科學(xué)方法的顯性化，就可以使學(xué)生及早接觸和學(xué)習(xí)物理學(xué)的研究方法，并在后續(xù)課程中加深理解和應(yīng)用，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力起到積極作用.