張 柯

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

新一輪中考改革的全面實(shí)施對物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”素養(yǎng)明確提出了五種關(guān)鍵能力:理解、推理論證、模型建構(gòu)、實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新能力.模型建構(gòu)能力作為科學(xué)思維的基礎(chǔ)和工具,物理教學(xué)和時代發(fā)展對其提出了更高的要求.物理模型建構(gòu)常用的方法有:抽象概括、理想簡化、類比聯(lián)想、等效替代和假設(shè)驗(yàn)證等[1].初中階段讓學(xué)生掌握類比聯(lián)想物理模型建構(gòu)方法,對提升其學(xué)科核心素養(yǎng)具有很大的幫助作用.

1 類比聯(lián)想法建構(gòu)模型的概述

類比是從兩個對象某些相同或相似的性質(zhì)判斷它們是否在其他性質(zhì)上也有這種特點(diǎn)的推理形式.兩個事物有時看似不同,但由于某些性質(zhì)相似,對其中一個有理解后另一個也可以得到相同的規(guī)律.現(xiàn)實(shí)生活中這樣的物理模型數(shù)不勝數(shù).表1是初中階段常見的類比聯(lián)想法建構(gòu)物理模型的一些實(shí)例.

表1 類比聯(lián)想建構(gòu)物理模型表

2 初中生模型建構(gòu)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查,初中生在建構(gòu)物理模型時普遍存在這樣一些問題:

(1)由于學(xué)習(xí)過程中很少接觸物理模型及建構(gòu)

物理模型,因此對物理模型的概念認(rèn)識模糊,甚至?xí)绣e誤觀念.

(2)繁重的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)讓學(xué)生普遍認(rèn)為建立物理模型意義就在于能更方便套用公式或解題模式來應(yīng)試.

(3)大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性不強(qiáng),不會對所學(xué)的模型進(jìn)行分類、歸納與總結(jié),沒有形成模型建構(gòu)的體系.

(4)學(xué)生對模型的遷移組織能力弱,缺少程序化訓(xùn)練,缺少模型建構(gòu)的體驗(yàn).

(5)學(xué)生在在物理模型架構(gòu)時,不會提取有用信息,無法將物理問題轉(zhuǎn)化為物理模型.

3 類比聯(lián)想方法建構(gòu)模型在教學(xué)中的應(yīng)用

應(yīng)用類比聯(lián)想方法建構(gòu)物理模型可以幫助學(xué)生將抽象的物理問題轉(zhuǎn)變成形象直觀的物理現(xiàn)象,促使學(xué)生越過思維障礙.

3.1 加強(qiáng)生活聯(lián)系,促使新舊知識的遷移

類比聯(lián)想法可以分為生活現(xiàn)象類比和物理理論類比,將陌生物理現(xiàn)象與貼近學(xué)生生活的現(xiàn)象進(jìn)行類比聯(lián)想從而建立模型,可以幫助學(xué)生找出聯(lián)系,生成概念理解規(guī)律.抽象性強(qiáng)的物理模型巧妙運(yùn)用理論類比,將物理知識中的抽象概念、規(guī)律和常見事物類比,找出某一方面的共同屬性,將新舊知識進(jìn)行遷移,完成模型的遷移.

以光的折射為例,光從空氣斜射入水中時會發(fā)生偏折,折射角小于入射角.在傳統(tǒng)教學(xué)中是用激光筆多次從空氣斜射入水中,確定好入射角測量出折射角得出關(guān)系.短時間內(nèi)學(xué)生可以記住規(guī)律,但是根據(jù)艾賓浩斯遺忘曲線,時間一長,折射規(guī)律就被遺忘[2].因此,教師在教學(xué)時可以引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到“大人牽著小孩走路時,大人以自己的速度,不去配合小孩,會有什么現(xiàn)象呢?那么大人就會向小孩一側(cè)偏轉(zhuǎn).”類比到一束光斜射經(jīng)過不同介質(zhì),A點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入其他不同種類的介質(zhì)2,速度要發(fā)生改變,B仍在介質(zhì)1中,保持原來的速度,因此光斜射入不同介質(zhì)時會發(fā)生偏折,如圖1.

圖1 光的折射

通過類別聯(lián)想,建立光的折射模型,不僅有助于學(xué)生對光折射的理解,還能促使學(xué)生聯(lián)想到光的折射與光速變化的關(guān)系,將已掌握的知識內(nèi)化、遷移并應(yīng)用.

3.2 發(fā)展聯(lián)想思維,培養(yǎng)推理能力和創(chuàng)造能力

科技的高速發(fā)展,對人才也有了更高的要求,新時代更注重發(fā)展學(xué)生聯(lián)想思維,提高思維能力、推理能力和創(chuàng)造能力.

伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上實(shí)驗(yàn)與推理結(jié)合的典范.那么伽利略是怎樣進(jìn)行他的推理的呢?如圖2所示,他想到:接觸面光滑的情況下,小球從一側(cè)斜面A無初速度滾下,不受摩擦,沒有能量的損失,最后它會到達(dá)斜面的另一側(cè)同樣高度的C.把斜面的傾角減小,情況同樣如此,小球會找到同樣的高度再滾下,推理到水平面,就是小球還會滾上另一側(cè)斜面,直到找到同樣的高度,但是小球找不到這樣的高度就會一直運(yùn)動下去.

圖2 伽利略理想斜面

教授新課時教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生多聯(lián)想已有的知識,有助于幫助學(xué)生建構(gòu)起物理知識點(diǎn)之間的聯(lián)系,由點(diǎn)及線,由線及面,構(gòu)造立體網(wǎng)絡(luò).

3.3 加強(qiáng)學(xué)科聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)學(xué)科整合

類比聯(lián)想方法建立模型,不僅可以在本學(xué)科的知識系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行,還可以與其他學(xué)科如生物、數(shù)學(xué)、體育等結(jié)合,實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的整合,增強(qiáng)物理學(xué)科的趣味性.

籃球運(yùn)動員傳球時,撞擊地面的籃球能準(zhǔn)確回到隊(duì)友手中嗎?籃球反彈的方向與哪些因素有關(guān)呢?將彈性小球類比籃球,壓縮的彈簧類比運(yùn)動員施加在籃球上的力,由此建立起模型進(jìn)行猜想:①與小球撞擊地面前是否旋轉(zhuǎn)有關(guān);②與小球撞擊地面時的入射方向有關(guān);③與地面的粗糙程度有關(guān)(見圖3).對于猜想①,聯(lián)想到旋轉(zhuǎn)的乒乓球打到球臺后,反彈的路線發(fā)生明顯變化,由此判斷猜想①是正確的.

圖3 彈性小球類比“籃球”

為驗(yàn)證猜想②和③,教師可以設(shè)計(jì)如圖3所示的裝置,每次都讓彈性小球從壓縮了相同長度的彈簧的下端,由靜止彈出并撞擊地面,分別改變地面的粗糙程度和小球的入射方向與地面的夾角α,測出小球撞擊地面后的反彈方向與地面的夾角β,記錄數(shù)據(jù)如表2.

表2 夾角記錄數(shù)據(jù)

以上物理情境新穎、有趣,具有生活化、趣味化的特點(diǎn),小球入射及撞擊到地面后的反射路徑也可以與所學(xué)的光的反射類比;小球與不同粗糙程度的地面撞擊后反射的角度不同,聯(lián)想到探究摩擦力的影響因素中的接觸面粗糙程度.像這樣的類比聯(lián)想模型在不同學(xué)科之間還有很多:傳感器可以類比聯(lián)想到生物中的反射弧,電場等勢線可以類比聯(lián)想到地理等高線,運(yùn)動學(xué)中的參考系可以類比聯(lián)想到語文中“游云西行而謂之東馳”的古詩詞,等.只有學(xué)生參與了這些建模過程,才可以體會到類比聯(lián)想方法建立物理模型的魅力所在,既加強(qiáng)了學(xué)科橫向聯(lián)系又促進(jìn)了學(xué)科整合.

4 類比聯(lián)想法建構(gòu)物理模型注意誤區(qū)

4.1 避免“抽象化”

類比聯(lián)想法建構(gòu)的物理模型常常是貼近學(xué)生實(shí)際生活的形象化事物或現(xiàn)象,不能把抽象類比抽象,也就是說不能讓學(xué)生接觸到的類比的對象是不熟悉的或是頭腦中沒有這個概念的.比如,教師在幫助學(xué)生理解原子核所占原子的大小時,是將原子比作乒乓球,原子核只有針尖般大小.乒乓球和針尖都是初中生了解的,這樣的類別也就自然而然,但是如果將原子核比作蘋果大小,那么原子大概就有地球那么大,這樣的類比對初中生來說還是抽象的,地球很大,學(xué)生沒有這個概念,無法想象地球到底多大,那么也就不能聯(lián)想原子核到底多小.

4.2 避免“簡單化”

類比聯(lián)想法建立模型目的就是為了簡化思維過程,通過形象化的事物習(xí)得抽象化的規(guī)律,但是這并不意味為追求簡單而失去正確性.比如,物質(zhì)的密度與組成這類物質(zhì)的分子質(zhì)量和分子間排列緊密程度有關(guān),若以為相同就認(rèn)為密度一樣,這樣的類比方法就是錯誤的.

4.3 避免“復(fù)雜化”

為了降低教學(xué)的難度,選擇類比的事物要簡單且原理明晰,結(jié)構(gòu)簡潔.比如,教科書上的水通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)動和電流通過燈泡發(fā)光類比,簡潔明了地體現(xiàn)了它們的共同點(diǎn).但如果真的把復(fù)雜的自來水供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖展示在學(xué)生面前,學(xué)生面對著龐雜的模型圖也只會一頭霧水.教科書上電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作原理模型圖給出也十分簡練,學(xué)生只要理解了一匝線圈在磁場中的轉(zhuǎn)動,多匝線圈的轉(zhuǎn)動情況類似,聯(lián)想電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)物,通過類比聯(lián)想的方法就建立起合理的物理模型.

4.4 避免“孤立化”

類比聯(lián)想法建立的物理模型大多是推論,正確性有待考查,需要通過實(shí)驗(yàn)或理論推導(dǎo)來驗(yàn)證.因此類比聯(lián)想建立模型的局限就在于建立的模型需要和實(shí)驗(yàn)觀察、事實(shí)陳述、理論推理、計(jì)算證明相結(jié)合,絕不能將其孤立使用.例如在學(xué)習(xí)固體壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)聯(lián)想到氣體是否存在壓強(qiáng)時,不能因?yàn)楣腆w和液體存在壓強(qiáng)就確定氣體也存在,而是需要通過覆杯實(shí)驗(yàn),加熱的易拉罐變癟實(shí)驗(yàn)和馬德堡半球等實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證.

總之,教學(xué)實(shí)踐證明,在初中物理教學(xué)中運(yùn)用類比聯(lián)想建構(gòu)物理模型,通過加強(qiáng)生活聯(lián)系,發(fā)展聯(lián)想思維,加強(qiáng)學(xué)科聯(lián)系,幫助學(xué)生將抽象的物理知識具象化、形象化,構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)的同時,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng).