張義 馮興 汪建 殷鵬飛 孫希媛 王開(kāi)明

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系 四川 雅安 625014)

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，知識(shí)的獲取已非常便捷，大學(xué)的任務(wù)已逐漸從知識(shí)的傳授向能力的培養(yǎng)方向發(fā)展．教育部在2010年頒布的《高等學(xué)校應(yīng)用物理學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中首次強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生敢于和善于提出問(wèn)題的能力，具有獨(dú)立思考和批判精神，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維[1]．因此好的教師應(yīng)該是一個(gè)激勵(lì)者，善于激活學(xué)生的思維和大腦，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑．那么如何激發(fā)出學(xué)生的問(wèn)題呢？有專家將課堂問(wèn)答分為以學(xué)為中心和以教為中心的課堂問(wèn)答過(guò)程[2]．傳統(tǒng)的以教為中心的課堂問(wèn)答中，教學(xué)內(nèi)容是固定的，不僅學(xué)生無(wú)疑問(wèn)，教師也無(wú)，教師只是教材內(nèi)容的忠實(shí)傳遞者．在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生只是被動(dòng)地思考問(wèn)題，思想和情緒很平淡，因此很難激發(fā)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題．而在以學(xué)為中心的課堂問(wèn)答過(guò)程中教學(xué)內(nèi)容不僅僅是書(shū)本上已有的知識(shí)點(diǎn)，更是開(kāi)放性的、探索性的、跟生活緊密聯(lián)系的問(wèn)題．學(xué)生在遇到這些開(kāi)放性問(wèn)題時(shí)會(huì)感到驚訝、困惑、好奇或興奮，而往往這樣更能啟迪思維，激發(fā)智力．

筆者從開(kāi)放性提問(wèn)的角度出發(fā)，以大學(xué)物理課程中的力學(xué)和光學(xué)內(nèi)容為例，通過(guò)結(jié)合科學(xué)發(fā)展史、挖掘習(xí)題深度、設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)、工程案例教學(xué)4種方式，討論了如何挖掘開(kāi)放性問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的疑問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力．

1 結(jié)合科學(xué)發(fā)展史

科學(xué)發(fā)展的過(guò)程就是批判性的、不斷接近真理事實(shí)的過(guò)程，質(zhì)疑精神對(duì)于自然科學(xué)的發(fā)展至為重要．例如，隨著物理理論的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)幾何光學(xué)中光的直線傳播定律只有在一定前提下才成立[3]．因此可在課堂上沿著光的傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)過(guò)程依次提出問(wèn)題，首先問(wèn)：光在均勻媒質(zhì)里一定沿直線傳播嗎？我們知道光的直線傳播定律必須在光波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于障礙物尺寸的前提下才能成立，否則會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，光會(huì)傳播到幾何陰影中去．由于中學(xué)時(shí)代有學(xué)生已經(jīng)了解了光的衍射，因此部分學(xué)生能夠回答出衍射現(xiàn)象不滿足直線傳播定律的反例．但隨著近代愛(ài)因斯坦相對(duì)論的創(chuàng)立，光的傳播規(guī)律又受到了更深刻的撼動(dòng)，根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，質(zhì)量非常大的物體會(huì)導(dǎo)致周圍的時(shí)空彎曲，并使得光線發(fā)生偏折．這個(gè)預(yù)言也在1919年通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)人員觀測(cè)了視線掠過(guò)太陽(yáng)附近所看到的恒星位置，證明太陽(yáng)引力導(dǎo)致恒星光線偏折了1.61弧秒，偏折角度與愛(ài)因斯坦所作的預(yù)言非常接近[4]．因此可知即使光線處于真空中并且障礙物尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)的情況下，也可能出現(xiàn)光不沿直線傳播的現(xiàn)象．在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步提出問(wèn)題：滿足障礙物尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)后，直線傳播定律就一定成立嗎？此時(shí)學(xué)生更加好奇而疑惑，能夠給出答案的學(xué)生已經(jīng)不多了．但是通過(guò)以上結(jié)合光學(xué)發(fā)展史的開(kāi)放性提問(wèn)過(guò)程，會(huì)使學(xué)生意識(shí)到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證和邏輯推理對(duì)于科學(xué)發(fā)展的重要性，對(duì)獨(dú)立思考和批判性思維有一定的啟發(fā)作用．

2 挖掘習(xí)題深度

在課程習(xí)題的講授中，教師如果給出正確的解題步驟，固然能起到鞏固知識(shí)點(diǎn)的作用，但這樣學(xué)生只被動(dòng)的接受，缺少思維的碰撞過(guò)程．因此，在習(xí)題的講授中教師可挖掘題目的深度，設(shè)計(jì)一些開(kāi)放性問(wèn)題，讓學(xué)生存疑求證．下面以一道剛體力學(xué)題為例予以說(shuō)明：如圖1所示，兩人各執(zhí)均勻桿(重G，處于水平靜止?fàn)顟B(tài))的一端．當(dāng)左側(cè)人突然放手時(shí)，右側(cè)人手上用力變?yōu)槎嗌伲?/p>

圖1 兩人執(zhí)桿習(xí)題示意圖

可先給出一種可能性：“原來(lái)兩人執(zhí)桿，后僅一人執(zhí)桿，右側(cè)執(zhí)桿人用力會(huì)變大？”這看似正確的邏輯推論對(duì)不對(duì)呢？大部分學(xué)生通過(guò)角動(dòng)量定律的學(xué)習(xí)后可得到如下解題過(guò)程：設(shè)左側(cè)人放手后桿的加速度大小為a，角加速度為β，右側(cè)人在左側(cè)人放手前后用力分別為F和F′，基于牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律和角動(dòng)量定律建立以下方程

G-F′=ma

a=0.5Lβ

最后可得F′為0.25G，而兩人執(zhí)桿時(shí)每人用力F為0.5G．可以發(fā)現(xiàn)僅右側(cè)一人執(zhí)桿時(shí)，他用力反而變小了，與假想的結(jié)論完全相反，這樣的結(jié)果會(huì)讓學(xué)生感到驚訝、產(chǎn)生疑問(wèn)，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步探究的興趣．

接下來(lái)教師可引導(dǎo)學(xué)生去反思背后的物理原因，提出問(wèn)題：相對(duì)于兩人執(zhí)桿，一人執(zhí)桿時(shí)為什么用力反而會(huì)變?。坑昧Υ笮∨c兩人執(zhí)桿的位置有沒(méi)有關(guān)系？如果改變其中一人的位置，剩下的人用力還是變小嗎？這時(shí)的問(wèn)題就比較深入而有趣了，學(xué)生也想進(jìn)一步去研究執(zhí)桿位置對(duì)用力大小的影響．部分學(xué)生通過(guò)計(jì)算可得出以下結(jié)果：以改變右側(cè)人位置為例，以桿中央為原點(diǎn)建立如圖2所示的坐標(biāo)系.

圖2 研究執(zhí)桿位置對(duì)力的影響

a=xβ

最后可得到

而通過(guò)力矩平衡可得放手前右側(cè)人的用力為

圖3 放手前后右側(cè)人用力F2與隨x的變化關(guān)系

3 設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，如果課堂上只有理論教學(xué)，學(xué)生難免感到平淡，因此教師可設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)并展開(kāi)提問(wèn)，將理論和實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)．例如伯努利方程的學(xué)習(xí)中，可設(shè)計(jì)出如圖4所示的兩種裝置，與學(xué)生討論．對(duì)于圖4(a)中的空吸裝置，根據(jù)伯努利方程可知，由于出口處的氣體流速小于細(xì)管處的流速，因此細(xì)管處的壓強(qiáng)要小于出口處的大氣壓，最終導(dǎo)致液面上升．授課教師可在學(xué)習(xí)伯努利方程前給出該裝置圖，并提出這樣一個(gè)問(wèn)題：“在推動(dòng)活塞的過(guò)程中，由于氣體被推動(dòng)向前和向下，液面應(yīng)該會(huì)被氣體壓的下降？”由于缺乏流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，學(xué)生一般都認(rèn)同這種現(xiàn)象會(huì)發(fā)生．此時(shí)教師可拿出圖4(b)所示玻璃管，將豎直管插入水中，并從左向右對(duì)水平管吹氣，可發(fā)現(xiàn)豎直管中的水面竟然會(huì)上升．接著，伯努利方程學(xué)習(xí)結(jié)束后又可給出圖4(c)裝置，提出問(wèn)題：如果管徑是均勻的，液面還會(huì)上升嗎？此時(shí)較多學(xué)生會(huì)有以下推論：管徑?jīng)]變化，出口處的氣體流速和中間分支管處的流速相同，分支管處的壓強(qiáng)等于出口處的大氣壓，因此液面高度不變．事實(shí)上，最終通過(guò)圖4(d)所示的T形管實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)液面是下降的．這是由于空氣并非理想流體，是可被壓縮的，而伯努利方程僅適用于理想流體，因此管內(nèi)氣體由于被壓縮導(dǎo)致壓強(qiáng)要略大于大氣壓，從而導(dǎo)致液面下降．相反，如果是從水平管右邊吸氣，會(huì)導(dǎo)致氣體膨脹，壓強(qiáng)變小，液面上升．通過(guò)該演示實(shí)驗(yàn)的討論，學(xué)生能夠?qū)Σ匠毯屠硐肓黧w的概念有更深刻的理解，并會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多看似合理的邏輯竟然不對(duì)，只有通過(guò)親自實(shí)驗(yàn)才能判斷真?zhèn)危?/p>

圖4 兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)裝置

4 加強(qiáng)工程案例教學(xué)

古往今來(lái)，人類創(chuàng)造了許多偉大的科技成就和工程發(fā)明，如蒸汽機(jī)、人造衛(wèi)星、手機(jī)等，而這些科技發(fā)明中的工程元件結(jié)構(gòu)，往往經(jīng)歷了長(zhǎng)期的實(shí)踐和改進(jìn)才最終成型．因此針對(duì)某個(gè)工程元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以討論，也是鍛煉批判性思維很好的途徑．例如，在剛體力學(xué)的內(nèi)容中可給出發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)圖(圖5)，就活塞的形狀進(jìn)行討論．以圖中活塞為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析：活塞除了受到向下的氣體壓力F外，還受到連桿產(chǎn)生的斜向左上的壓力Fl，和左側(cè)氣缸壁向右的側(cè)壓力Fc．在側(cè)壓力Fc作用下，活塞截面會(huì)被擠壓變形成橢圓狀，進(jìn)而可能造成活塞卡死或局部磨損過(guò)大．實(shí)際工程中為了解決這個(gè)問(wèn)題，往往預(yù)先將活塞加工成橢圓柱形，橢圓面的長(zhǎng)軸與左右側(cè)壁垂直，以抵消掉擠壓造成的變形．另外由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)活塞頂部溫度高，熱膨脹更大，因此為了防止活塞卡死，其頂部直徑往往要小些，由頂部向下直徑是逐漸增加的，一般呈錐形或階梯型[5]．針對(duì)這些工程知識(shí)，可以對(duì)學(xué)生提出如下問(wèn)題：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部為圓柱形，那其中活塞也是圓柱狀嗎？如果考慮到受力情況和熱脹冷縮呢？通過(guò)以上力熱學(xué)分析，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)原來(lái)理所當(dāng)然的結(jié)論卻在實(shí)際應(yīng)用時(shí)因?yàn)橐紤]諸多因素而大相徑庭，意識(shí)到質(zhì)疑的重要性，并對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有所了解．

圖5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾說(shuō)過(guò)：“經(jīng)過(guò)重新檢驗(yàn)的知識(shí)才是可信的，而不能一味相信前人留下來(lái)的知識(shí)．”[6]而課堂教學(xué)中如果只教課本上正確的知識(shí)，不激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑，對(duì)于國(guó)家創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是極為不利的．本文討論了開(kāi)放性提問(wèn)在大學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力的作用，具體闡述了如何結(jié)合科學(xué)歷史、課程習(xí)題、演示實(shí)驗(yàn)和工程案例設(shè)置開(kāi)放性問(wèn)題，以激發(fā)學(xué)生的思維活力和學(xué)習(xí)熱情．通過(guò)開(kāi)放性問(wèn)題在大學(xué)物理課程中的引入，在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)以學(xué)為中心的課堂問(wèn)答過(guò)程，可以為大學(xué)批判性思維能力的培養(yǎng)提供參考．