科學(xué)方法在物理核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階中的作用

石堯+田成良+趙洪慧

摘 要：正如每一次知識(shí)、科技的革新都是技術(shù)、方法的革命一樣，每一次知識(shí)的進(jìn)階、深化，也必須借助科學(xué)方法的演進(jìn)去完成.因此，選擇適當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法作為學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)路徑，就可以使學(xué)生不必彷徨于“荊棘”之中，從而快速且高效地同化新知識(shí)，順利完成學(xué)習(xí)進(jìn)階.

關(guān)鍵詞：重力場(chǎng)強(qiáng)；學(xué)習(xí)進(jìn)階；科學(xué)方法；比較思想

學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展過(guò)程一直是科學(xué)教育界普遍關(guān)心的問(wèn)題.基于知識(shí)碎片理論，教學(xué)論專(zhuān)家們認(rèn)為“學(xué)生的認(rèn)知思維發(fā)展過(guò)程具有進(jìn)階的特點(diǎn)”，并據(jù)此提出了“學(xué)習(xí)進(jìn)階”教學(xué)理論[1].目前“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是認(rèn)知發(fā)展的路徑；二是認(rèn)知發(fā)展中用以“踏腳”的具體“腳踏點(diǎn)”.

重力作為中學(xué)階段最常見(jiàn)的三大力之一，歷來(lái)在力學(xué)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中扮演著極其重要的角色，是學(xué)生受力分析及后續(xù)學(xué)習(xí)重力勢(shì)能、能量守恒定律的基礎(chǔ).其中，關(guān)于重力常量g存在著不同層次的理解，由此構(gòu)成了學(xué)生關(guān)于g的學(xué)習(xí)進(jìn)階.

一、重力常量g的三種理解層次

在實(shí)際教學(xué)中，G和g的關(guān)系共有三種表達(dá)形式，即G=mg、g=△S/T2=G/m和G/m=g.顯而易見(jiàn)，三種表達(dá)式間的區(qū)別并不是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換，而是有著不同的物理含義.進(jìn)一步，主導(dǎo)這三種表達(dá)式建立的科學(xué)方法也是大相徑庭的（如表1所示）.具體而言，G=mg由比例系數(shù)法得出，表明G與mg在數(shù)值上存在相等的關(guān)系，g只是一個(gè)意義不大的常數(shù)；g=△S/T2=G/m實(shí)際上是算式a=△S/T2=F/m的變種，依靠物理實(shí)驗(yàn)，利用留痕法、逐差法得到，g在其中代表了加速度（即重力加速度）.在這兩種表達(dá)式中“等號(hào)”只代表了“數(shù)值上的相等”；而G/m=g中“等號(hào)”的含義則發(fā)生了微妙的變化，除了代表數(shù)值上的簡(jiǎn)單相等外，還有著“賦值于”的含義，即將g賦給比值式G/m.換句話說(shuō)，G/m是一個(gè)具有實(shí)際意義的物理量，是一個(gè)整體，并非表達(dá)簡(jiǎn)單的正反比例關(guān)系.類(lèi)比電場(chǎng)強(qiáng)度公式F/q=E可以推知，g和E類(lèi)似，也是代表著一種場(chǎng)的強(qiáng)弱，譯為“重力場(chǎng)強(qiáng)”.

就目前教學(xué)而言，g的前兩種含義（即重力常量與重力加速度）已得到明確顯化，為學(xué)生熟練掌握，但對(duì)于后一種含義（即重力場(chǎng)強(qiáng)），由于各版本教科書(shū)均未能予以顯化，故而導(dǎo)致重力場(chǎng)強(qiáng)不為廣大學(xué)生（甚至包括一部分中學(xué)教師）所知曉.但是就知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整性與整體性而言，重力場(chǎng)強(qiáng)的切入是必要且必需的.這是因?yàn)?，力、?chǎng)、能、熵作為基礎(chǔ)物理教育中的四個(gè)核心概念[2]，在中學(xué)物理教學(xué)中涉及了三個(gè)，然而在力學(xué)、電學(xué)各知識(shí)結(jié)構(gòu)的編排上卻未能形成對(duì)應(yīng)，有所差異.即電學(xué)完全囊括了三個(gè)核心概念，而力學(xué)則僅有兩個(gè)，這一缺憾直接導(dǎo)致力學(xué)、電學(xué)在隨后的比較教學(xué)中喪失了一個(gè)必要的融通門(mén)徑，有礙于學(xué)生整體式認(rèn)知風(fēng)格的形成.

其實(shí)，上述窘境的出現(xiàn)主要源于兩點(diǎn)，一是高一學(xué)生的認(rèn)知水平和自身知識(shí)有限，教師不便于講解重力場(chǎng)強(qiáng)的概念；二是高三階段教師迫于高考?jí)毫?，大都無(wú)暇顧及此概念，悉心鉆研其引入方式者寥寥無(wú)幾，至多只是提一提名稱(chēng)而已.可想而知，這種隱晦的處理方式必然導(dǎo)致學(xué)生對(duì)重力場(chǎng)強(qiáng)“一頭霧水”，無(wú)法順利完成重力常量g的學(xué)習(xí)進(jìn)階.歷經(jīng)思忖，我們認(rèn)為破除這一問(wèn)題的門(mén)徑在于：為重力場(chǎng)強(qiáng)概念的引入選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)期，并安排合理的導(dǎo)入方式.

依據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段理論，學(xué)生從高一到高三其心理機(jī)能在逐漸成熟，相應(yīng)的認(rèn)知水平也在不斷提高，由此為學(xué)生徹底厘清g的概念，完成相關(guān)學(xué)習(xí)進(jìn)階提供了生理上的準(zhǔn)備，同時(shí)高三階段將對(duì)學(xué)生大腦中的物理知識(shí)進(jìn)行梳理、整合，使之系統(tǒng)化，而不斷豐富的物理知識(shí)正好為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)重力場(chǎng)強(qiáng)的“腳踏點(diǎn)”.鑒于此，我們認(rèn)為重力場(chǎng)強(qiáng)的概念放在高三復(fù)習(xí)時(shí)介入是比較合理的.

在確定重力場(chǎng)強(qiáng)引入的時(shí)機(jī)后，我們接下來(lái)的任務(wù)便是確立重力場(chǎng)強(qiáng)建立的教學(xué)路徑.方法主線論代表人物賴(lài)格盧特曾說(shuō)：教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)著力于教學(xué)過(guò)程的改進(jìn)，最終找到能夠達(dá)到最優(yōu)目的的科學(xué)方法.故而諸如重力場(chǎng)強(qiáng)這類(lèi)抽象的概念就要借助于合理的科學(xué)方法去引入，以便實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式與學(xué)生認(rèn)知路徑的合理對(duì)接[3].

二、重力場(chǎng)強(qiáng)引入的教學(xué)路徑研究

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種以問(wèn)題為學(xué)生學(xué)習(xí)起點(diǎn)的教學(xué)方法，這里教師由知識(shí)的傳授者變成了問(wèn)題的提出者，該方法能很好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)他們的求知欲.眾所周知，力作為物理學(xué)的核心概念，在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用，物理概念的建立往往以分析受力、比較受力為切入點(diǎn).因此，重力場(chǎng)強(qiáng)的介入就應(yīng)立足于“比較”物體受力“大小”這種樸素的動(dòng)機(jī).

（一）滲透比較思想 創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突

比較是重要的物理思想，著名教育家烏申斯基曾高屋建瓴地指出：比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)[4].比較思想統(tǒng)攝著兩種思維方法，即對(duì)比和類(lèi)比.其中，類(lèi)比為異中求同，對(duì)比為同中求異.物理思想和思維方法均屬于緘默知識(shí)，不能靠簡(jiǎn)單地口口傳授為學(xué)生領(lǐng)悟與習(xí)得，須設(shè)法將其完美地融入到日常教學(xué)設(shè)計(jì)之中，通過(guò)積極地設(shè)問(wèn)與訓(xùn)練，才能內(nèi)化為學(xué)生的能力.

鑒于高二期間學(xué)生已充分接觸過(guò)電磁場(chǎng)的概念，在大腦中對(duì)“場(chǎng)”這種物質(zhì)有了較為深刻的印象.于是為進(jìn)一步促進(jìn)“力場(chǎng)”概念的形成，教師可通過(guò)類(lèi)比的方法，為學(xué)生指明：“電荷在電場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，小磁針在磁場(chǎng)中也會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用.這些作用實(shí)際上是通過(guò)‘場(chǎng)這種物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同樣除了存在電磁場(chǎng)外，在地球周?chē)€存在著一種重力場(chǎng)，不同位置的重力場(chǎng)強(qiáng)弱是不同的，如：兩極的重力場(chǎng)就要強(qiáng)于赤道的.”并且借機(jī)發(fā)問(wèn)：我們?cè)撊绾闻袛辔矬w所在位置重力場(chǎng)的強(qiáng)弱呢？進(jìn)行受力分析往往是解決問(wèn)題的突破口.大家都知道，在場(chǎng)中的物體必然會(huì)受到力的作用，因此我們是否能夠通過(guò)比較物體在重力場(chǎng)中受力的大小，從而間接判斷重力場(chǎng)的強(qiáng)弱呢？

對(duì)此，學(xué)生一般都會(huì)存有疑慮，但一時(shí)卻難以用精準(zhǔn)的語(yǔ)言進(jìn)行表述，于是教師可引導(dǎo)學(xué)生采用歸謬法進(jìn)行反駁，如：在同一地點(diǎn)上，物體會(huì)因自身質(zhì)量的不同而所受重力不同.進(jìn)一步而言，在月球上100kg的物體受到的重力有163N，而10kg的物體在地球上受到的重力僅有98N，完全與人們平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)“地球的重力場(chǎng)強(qiáng)于月球”相悖.可見(jiàn)，單純比較物體的自身重力是無(wú)法從定量的角度判斷重力場(chǎng)強(qiáng)弱的，即直接比較物體所受重力的做法是不科學(xué)的！那么該怎樣修改先前的假設(shè)呢？這就為下一步教學(xué)做好了鋪墊.

（二）針對(duì)謬誤根源 重新修改假設(shè)

在隨后的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)順勢(shì)啟發(fā)學(xué)生去找尋謬誤產(chǎn)生的根源，并嘗試修改原先的比較方法.謬誤的產(chǎn)生源于比較時(shí)沒(méi)有選取相同的標(biāo)準(zhǔn)，即未能考慮到物體質(zhì)量這一關(guān)鍵因素，因此解決問(wèn)題的方法就是對(duì)物體的質(zhì)量予以“控制”.汲取“物理遵循簡(jiǎn)潔之美”的特點(diǎn)，我們選用了除法這種數(shù)學(xué)工具來(lái)對(duì)物體的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一：用物體受到的重力G除以相應(yīng)的質(zhì)量m，得到“單位質(zhì)量物體所受重力的大小”，也就是用比值G/m的形式進(jìn)行比較.

那么借助比值G/m進(jìn)行比較能否得到我們期待的結(jié)果呢？以地球和月球的重力場(chǎng)為例，經(jīng)計(jì)算可得：地球的G1/m1值等于9.8，而月球的G2/m2值則為1.63，正好與“地球的重力場(chǎng)更強(qiáng)”這一事實(shí)相吻合.但這種比較方式卻與我們直接比較物體自身重力的初衷相悖，這個(gè)比值的含義究竟是什么，又具有什么特點(diǎn)？由此整個(gè)教學(xué)步入了一個(gè)新的階段.

（三）溫故而知新 詮釋比值內(nèi)涵

針對(duì)比值G/m內(nèi)涵的詮釋?zhuān)處煈?yīng)再次對(duì)學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)撥：這種用一個(gè)比值的形式來(lái)表述一個(gè)物理概念的做法，我們?cè)谇懊娴膶W(xué)習(xí)中早已有過(guò)廣泛的接觸，如：密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等，類(lèi)比這些物理量的特點(diǎn)，我們想一想，能否進(jìn)一步推理出比值G/m的意義呢？

借助這樣的類(lèi)比，學(xué)生便可輕松得出結(jié)論，比值G/m也是一個(gè)常數(shù)，和物體受到重力G的大小及物體自身質(zhì)量m均無(wú)關(guān)系.它是重力場(chǎng)本身的一種屬性，反映了重力場(chǎng)的強(qiáng)弱，該比值越大，重力場(chǎng)就越強(qiáng).在此，我們將比值G/m稱(chēng)為重力場(chǎng)的“重力場(chǎng)強(qiáng)度”，簡(jiǎn)稱(chēng)“重力場(chǎng)強(qiáng)”，用字母g表示.由此從“場(chǎng)”的角度對(duì)g的物理意義做出了新的詮釋?zhuān)瑢W(xué)生對(duì)g的理解提升到了一個(gè)新的層級(jí).可見(jiàn)，學(xué)習(xí)物理并不是為了發(fā)現(xiàn)定律，建立概念，而是為了解決問(wèn)題，待問(wèn)題解決之后自然會(huì)獲得新的知識(shí).

回溯重力場(chǎng)強(qiáng)建立的整個(gè)心路歷程，我們可以發(fā)現(xiàn)，這種比值定義的方式猶如一條絲線，把知識(shí)點(diǎn)一一串接起來(lái)，形成了“一方多知”的教學(xué)鏈條（如圖1所示），使學(xué)生在厘清比值式內(nèi)涵的同時(shí)，充分起到溫故而知新的效果.

（四）把握教學(xué)契機(jī) 實(shí)現(xiàn)力電融合

力、電專(zhuān)題的分科設(shè)置雖在一定程度上可以避免知識(shí)的混淆，但亦造成了學(xué)科知識(shí)的割裂.在實(shí)際問(wèn)題解決中，往往會(huì)看到學(xué)生由于不善于科間綜合，而導(dǎo)致問(wèn)題不能被順利解決的情境.耗散結(jié)構(gòu)理論就指出，一個(gè)系統(tǒng)若要有序，須先開(kāi)放，即保有物質(zhì)交換的通道.受此啟發(fā)，物理學(xué)的各領(lǐng)域之間也勢(shì)必要有所融通，要求物理教師幫助學(xué)生適時(shí)且及時(shí)地總結(jié)力、熱、光、電各領(lǐng)域間暗含的普遍性聯(lián)系.

據(jù)此，在最后的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要“趁熱打鐵”，以“場(chǎng)”作為力、電融通的契機(jī)，幫助學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行梳理與整合，這里可繼續(xù)采用比較的方法，配合直觀的圖表（如表2所示），對(duì)電學(xué)與力學(xué)知識(shí)展開(kāi)恰當(dāng)?shù)念?lèi)比與對(duì)比，從而促進(jìn)學(xué)生大腦中力學(xué)和電學(xué)知識(shí)的融通，達(dá)到消弭疏離對(duì)峙，冰釋方枘圓鑿的目的.

三、結(jié)語(yǔ)

理解核心概念中每一層次所需的認(rèn)知水平是不同的，因此學(xué)習(xí)進(jìn)階并不是由一個(gè)理解層次簡(jiǎn)單地躍遷到另一個(gè)理解層次，需要依托一定的教學(xué)路徑去完成，但教學(xué)路徑卻是多種多樣的，有的是遍布荊棘的羊腸小徑，有的是周道如砥的康莊大路，對(duì)教學(xué)路徑選擇的準(zhǔn)確與否決定著學(xué)習(xí)進(jìn)階的成敗.

現(xiàn)代教學(xué)論研究表明，集體經(jīng)驗(yàn)的獲取過(guò)程并不等同于個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的獲取過(guò)程，物理知識(shí)是數(shù)百年來(lái)人類(lèi)科學(xué)文化的結(jié)晶與積淀，需要學(xué)生在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)吸收并同化這些知識(shí).因此教師在教學(xué)中必須為學(xué)生鋪設(shè)出獲取知識(shí)的邏輯通道，這種邏輯主要靠特定的科學(xué)方法來(lái)表達(dá).換言之，正如每一次知識(shí)、科技的革新都是技術(shù)、方法的革命一樣，每一次知識(shí)的進(jìn)階、深化，也必須借助科學(xué)方法的演進(jìn)去完成.因此，選擇適當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法作為學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)路徑，就可以使學(xué)生不必彷徨于“荊棘”之中，從而快速且高效地同化新知識(shí)，順利完成學(xué)習(xí)進(jìn)階.具體而言，教師不能直接把重力場(chǎng)強(qiáng)的定義式硬生生地拋給學(xué)生，這樣只會(huì)造成學(xué)生死記硬背數(shù)學(xué)表達(dá)式，而不去關(guān)心知識(shí)間的聯(lián)系，無(wú)法形成認(rèn)知結(jié)構(gòu).而我們?cè)谥亓?chǎng)強(qiáng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)中，以揭示物理意義為教學(xué)目標(biāo)，綜合運(yùn)用比較方法，合理創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，巧妙串聯(lián)新舊知識(shí)，最終圓滿定義了重力場(chǎng)強(qiáng)這一物理量，并成功詮釋了其含義.

綜上所述，學(xué)習(xí)進(jìn)階不是簡(jiǎn)單地顯化知識(shí)點(diǎn)的每一層含義，期間還涉及方法的更新以及思維的拓展.物理概念進(jìn)階的背后實(shí)質(zhì)上是科學(xué)方法的進(jìn)階.科學(xué)方法有效消除了學(xué)生認(rèn)知水平與物理概念自身難度間的剪刀差.在科學(xué)方法的輔助下，學(xué)生的思維便可拾級(jí)而上.

參考文獻(xiàn)：

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