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        在萬有引力定律教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理能力的探究

        2021-09-15 02:08:55黃小宏倪華
        廣西教育·B版 2021年4期
        關(guān)鍵詞:萬有引力邏輯推理

        黃小宏 倪華

        【摘 要】本文以萬有引力定律教學(xué)為例,闡述針對(duì)教材簡(jiǎn)化后的一些重要的邏輯推理過程及其細(xì)節(jié)進(jìn)行教學(xué)處理的方法,幫助學(xué)生更好地理解物理定律,培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力,提高學(xué)生的物理能力。

        【關(guān)鍵詞】萬有引力 邏輯推理 數(shù)學(xué)推導(dǎo) 物理能力

        物理學(xué)能夠?qū)⑹篱g萬物的許多現(xiàn)象抽象出統(tǒng)一的特性,然后經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推理,簡(jiǎn)潔而優(yōu)美地把世間萬物巧妙地聯(lián)系起來,使人們從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)自然界的運(yùn)行規(guī)律,并利用這些規(guī)律為人們生產(chǎn)生活和求知探索服務(wù)。因此,學(xué)習(xí)物理最重要的就是讓學(xué)生理解和掌握自然規(guī)律之間的邏輯聯(lián)系,并利用這些規(guī)律、邏輯關(guān)系解決生活中遇到的問題和探索未知領(lǐng)域,我們把這種利用規(guī)律和邏輯關(guān)系解決問題的能力稱為物理能力。可見,物理能力的核心是理解和掌握規(guī)律及它們之間的邏輯關(guān)系,并能夠邏輯嚴(yán)密地推理出各種規(guī)律之間的聯(lián)系。從某種意義上來說,人類的進(jìn)步本質(zhì)上就是對(duì)自然規(guī)律認(rèn)知的進(jìn)步。但從另一方面來說,對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)知,又離不開嚴(yán)密的邏輯推理。因此,在物理教學(xué)中,嚴(yán)密的邏輯推理對(duì)學(xué)生的認(rèn)知過程有著舉足輕重的作用。我們要想對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)行大膽而又精確的推測(cè),都離不開理解能力、分析綜合能力、運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的能力等物理能力。如何培養(yǎng)物理能力,成為每一位物理教師都要認(rèn)真研究的話題。下面筆者以人教版(2010年4月第3版)高中物理必修二第六章第二節(jié)的《太陽與行星間的引力》,即萬有引力定律的教學(xué)為例,談?wù)劯咧形锢斫虒W(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的物理能力。

        一、問題的起源

        本節(jié)的教學(xué),很多學(xué)生對(duì)教材中萬有引力公式的推導(dǎo)過程提出了個(gè)人的不同看法,其中最主要有以下兩點(diǎn)不好理解:(1)教材中以行星繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出太陽對(duì)行星的引力,然后以“既然太陽吸引行星,行星也必然吸引太陽”這句話,就得出行星對(duì)太陽的引力的結(jié)論,這個(gè)說法太牽強(qiáng),學(xué)生理解不了它們之間具體的邏輯關(guān)聯(lián)。(2)萬有引力定律是由開普勒第三定律推導(dǎo)出來的,開普勒第三定律中的 k 值是與中心天體的質(zhì)量有關(guān)的一個(gè)常量,但為什么萬有引力定律中的 G 值卻是個(gè)常量,并與中心天體和環(huán)繞天體都沒有關(guān)系?

        這兩個(gè)問題很好地反映了認(rèn)真研究的學(xué)生理解上的障礙,這個(gè)障礙主要來自教材對(duì)萬有引力定律公式推導(dǎo)過程的高度濃縮,忽略了一些細(xì)節(jié)上的邏輯和數(shù)學(xué)聯(lián)系。教材可能是為了照顧所有層次的學(xué)生,故意在此進(jìn)行了模糊化處理,忽略了一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。能夠提出這樣問題的學(xué)生,肯定是勤于鉆研,善于思考的人。教師一定要認(rèn)真對(duì)待提出問題的學(xué)生,幫助他們掃清理解上的障礙,呵護(hù)好他們認(rèn)真學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣,培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)、縝密的科學(xué)思維,并讓這些思維習(xí)慣成為他們?nèi)松囊徊糠帧?/p>

        因此要明確學(xué)科發(fā)展的歷程,梳理科學(xué)發(fā)展史脈絡(luò),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索的精神。我們知道,羅馬不是一天建成的,一個(gè)成功的物理理論也絕不可能一蹴而就,它必須建立在前人的科學(xué)理論基礎(chǔ)之上。在教學(xué)中梳理一個(gè)物理理論的科學(xué)發(fā)展史,能夠讓學(xué)生懂得物理理論的發(fā)展過程,了解科學(xué)家怎么探索的經(jīng)歷,同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索的精神。萬有引力定律的得出并不是牛頓被蘋果砸一下就能夠得出的。在牛頓之前,哥白尼的“日心說”,第谷對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè),開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三大定律,胡克、哈雷對(duì)行星受到引力的推導(dǎo),這些前輩為牛頓萬有引力定律的建立做了充分的理論準(zhǔn)備。牛頓在前輩的經(jīng)驗(yàn)積累下,加上自己的“牛頓運(yùn)動(dòng)三大定律”和非凡的數(shù)學(xué)能力,才推導(dǎo)出萬有引力定律。所以牛頓說“我之所以能夠看得遠(yuǎn)一些,是因?yàn)檎驹诰奕说募绨蛏稀?。這些科學(xué)發(fā)展史的梳理,不僅能夠豐富學(xué)生的知識(shí),培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣,而且更重要的是能使學(xué)生養(yǎng)成腳踏實(shí)地、循序漸進(jìn)的科學(xué)探索精神。

        二、對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行細(xì)節(jié)加工,培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和分析綜合能力

        中學(xué)物理教材由于篇幅有限,往往對(duì)知識(shí)進(jìn)行高度濃縮,忽略了很多邏輯上的細(xì)節(jié)。教材的內(nèi)容盡管看起來簡(jiǎn)單,但是其中蘊(yùn)藏著很多知識(shí)的秘密,需要教師去挖掘、仔細(xì)加工,并教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)的方法。比如,教材中以行星繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出太陽對(duì)行星的引力,然后以“既然太陽吸引行星,行星也必然吸引太陽”這句話,就得出行星對(duì)太陽的引力的結(jié)論。其實(shí)在這個(gè)說法中隱藏了很多邏輯的關(guān)聯(lián),需要教師仔細(xì)加工,才能讓學(xué)生更好地理解,具體操作如下:

        (一)先講好

        (二)再講好

        教師引導(dǎo)學(xué)生思考:如果以行星為中心天體,同樣利用向心力的線速度表達(dá)式、線速度與周期的公式和開普勒第三定律,能夠推導(dǎo)出離行星的距離為 r 的地方(太陽所在的位置),質(zhì)量為 M(太陽質(zhì)量)的物體繞行星運(yùn)動(dòng)受到的引力嗎?學(xué)生思考后很容易得出物體受到引力的表達(dá)式 ,但其中 k' 是與行星有關(guān)的常量(這也必須要強(qiáng)調(diào))。(具體推導(dǎo)過程略)

        (三)仔細(xì)講清前面這兩個(gè)推導(dǎo)的過程

        在萬有引力定律的推導(dǎo)過程中,教材中由“太陽對(duì)行星的引力”和“既然太陽吸引行星,行星也必然吸引太陽”這句話,就推導(dǎo)出“行星對(duì)太陽的引力”,說服力的確有些牽強(qiáng)。在教學(xué)中,教師如果僅以教材上的說法一筆帶過,那么學(xué)習(xí)認(rèn)真、知識(shí)扎實(shí)的學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)說法邏輯上不夠嚴(yán)密,就會(huì)形成思維障礙。如何幫助學(xué)生清除這個(gè)理解上的障礙呢?在這里教師需要對(duì)教材中忽略的邏輯細(xì)節(jié)進(jìn)行加工,把具體的邏輯關(guān)聯(lián)梳理清楚。只有經(jīng)過這些細(xì)節(jié)處理,才能清除學(xué)生思維上的障礙。這樣不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的理解能力,而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的分析綜合能力。

        對(duì)教材邏輯細(xì)節(jié)的加工處理,也反映了教師對(duì)所教知識(shí)的研究深度和教學(xué)水平,關(guān)系到教師在學(xué)生心目中的形象,也體現(xiàn)教師對(duì)物理學(xué)科的興趣??梢?,在教學(xué)中對(duì)邏輯細(xì)節(jié)的加工處理非常重要。很多邏輯細(xì)節(jié)需要教師在教學(xué)中進(jìn)行處理,理順學(xué)生的思路,完善學(xué)生的知識(shí)體系,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的科學(xué)思維。

        三、利用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)推導(dǎo)進(jìn)行深加工,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的能力

        數(shù)學(xué)是物理最好的工具,物理和數(shù)學(xué)密不可分。數(shù)理結(jié)合能力,是未來物理研究者必須具備的關(guān)鍵能力。比如,偉大的物理學(xué)家牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦等,都是得益于他們極深的數(shù)學(xué)造詣。也因?yàn)樗麄兙哂懈叱臄?shù)學(xué)能力,所以才在物理學(xué)領(lǐng)域取得了里程碑式的成就。數(shù)理結(jié)合能力體現(xiàn)在學(xué)生的理解能力、分析綜合能力、推理能力之中,培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理結(jié)合能力,是中學(xué)物理教師的一項(xiàng)極為重要的任務(wù)。

        通過數(shù)學(xué)方法的巧妙應(yīng)用,很完美地解決了這個(gè)問題。這不僅有助于解決學(xué)生理解上的疑難,而且培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)理結(jié)合能力,讓學(xué)生深刻感受到數(shù)學(xué)的邏輯之美,以及數(shù)學(xué)知識(shí)在科學(xué)研究中的價(jià)值,培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣。

        物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),更是一門嚴(yán)密的邏輯科學(xué),數(shù)學(xué)推導(dǎo)在物理學(xué)理論研究中有極高的價(jià)值,很多未知的物理理論都是在實(shí)驗(yàn)尚未達(dá)到對(duì)應(yīng)的水平情況下,僅僅運(yùn)用現(xiàn)有理論和數(shù)學(xué)進(jìn)行純邏輯推導(dǎo)出來的,然后經(jīng)過多年后才由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。在實(shí)驗(yàn)水平未達(dá)到的條件下,利用現(xiàn)有理論和數(shù)學(xué)進(jìn)行純邏輯推導(dǎo)研究,是一個(gè)重要的研究方法。

        教師在教育教學(xué)活動(dòng)中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)教材內(nèi)容的深度挖掘和深入理解,從多個(gè)維度加強(qiáng)對(duì)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)和物理關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。

        【作者簡(jiǎn)介】黃小宏(1982— ),男,廣西隆林人,一級(jí)教師,研究方向?yàn)榻逃虒W(xué)活動(dòng);倪 華(1981— ),男,廣西全州人,高級(jí)教師,研究方向?yàn)楦咧形锢斫虒W(xué)。

        (責(zé)編 李 唐)

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