從研究的視角構(gòu)建抽象對象的探究

丁德生

摘 要：從研究的視角構(gòu)建抽象對象，讓學(xué)生從知識自然構(gòu)建的角度體驗(yàn)嚴(yán)密邏輯推理及抽象思維的探究過程，進(jìn)行高層次的思維訓(xùn)練，這對提高學(xué)生的思維品質(zhì)是非常有利的。然而，對象的抽象性也給學(xué)生帶來了不小的挑戰(zhàn)，問題的精心設(shè)計(jì)、老師的引導(dǎo)、生成的巧妙處理等是課堂成功的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：研究的視角；抽象對象；思維品質(zhì)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0015-4

物理學(xué)中“場”“概率波”等一類對象，“看不到、摸不著”，難以捉摸，謂之“抽象對象”。對抽象對象的探究更多的是建立在概念基礎(chǔ)之上的分析、推理、綜合的過程。這種理論上的、邏輯推理層面的探究起點(diǎn)較高，能引出學(xué)生更深入地思考，是訓(xùn)練學(xué)生思維品質(zhì)的最佳素材。然而，對抽象對象的探究失去了普通對象的特征參考，探究路徑也更加陌生，給學(xué)生帶來了不小的挑戰(zhàn)。

從研究的視角構(gòu)建抽象對象的探究，就是從不含任何物理量的自然現(xiàn)象和事實(shí)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題、生成新問題，一步步地走向深入。問題的預(yù)設(shè)與生成、任務(wù)的設(shè)定與解決在原始的情境中進(jìn)行，模型的建構(gòu)更加自然、真情實(shí)感，有效地降低了探究的臺階，并能充分利用抽象對象探究的挑戰(zhàn)性激發(fā)學(xué)生的興趣，提高探究的效率，讓整個過程在一個較高的思維層次上進(jìn)行。

筆者近幾年進(jìn)行了高中物理課堂生態(tài)方面的調(diào)查分析的課題研究，進(jìn)行了一些高中物理生態(tài)課堂的設(shè)計(jì)嘗試，在“核心素養(yǎng)”的新背景下，嘗試將高中物理中的一些抽象對象從研究的視角進(jìn)行原汁原味的探究教學(xué)。下面以“電場”為例，與大家分享。

1 查找文獻(xiàn)，收集資料，研究從本原開始

案例一 電場是物質(zhì)嗎？

電場這種物質(zhì)跟普通的由分子、原子構(gòu)成的物質(zhì)不同，看不見、摸不著，非常抽象。其實(shí)，電場是不依賴于我們的感覺而客觀存在的東西。電場客觀存在的論證過程較長，邏輯過程也復(fù)雜，還有少量的知識是學(xué)生沒有掌握的，所以傳統(tǒng)的教學(xué)基本是直接引入法拉第場的觀念。然而，直接引入對學(xué)生來說太牽強(qiáng)，易引起學(xué)生的疑惑。如果選擇適當(dāng)?shù)奶骄糠绞阶寣W(xué)生體驗(yàn)場的建立過程，無論是對電場的認(rèn)識，還是培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力都是最佳的。為此，課前可以提供必要的背景資料，用趣味的問題串，激發(fā)學(xué)生探究的欲望，恰到好處地引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位相互協(xié)作，上網(wǎng)或到圖書館等查找物理學(xué)史相關(guān)文獻(xiàn)、收集資料，尋找論證的邏輯證據(jù)，形成課題形式的研究報告，通過小組辯論等方式多途徑體驗(yàn)建立場的觀念的全過程。圖1為學(xué)生收集、論證過程的框架圖，過程充滿挑戰(zhàn)，但師生的共同協(xié)作，熱情高漲，探究在不知不覺中完成，使學(xué)生獲得了極大的成就感。

評析：查找、閱讀文獻(xiàn)、收集資料是重要的課題研究方法。學(xué)生在查找文獻(xiàn)、收集資料及課題論證的過程就是讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的探究過程，培養(yǎng)學(xué)生思維能力的過程。教師引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的生態(tài)情境中觀察、實(shí)驗(yàn)，通過科學(xué)推理和科學(xué)論證的訓(xùn)練，體驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建、等效、類比、理想實(shí)驗(yàn)等科學(xué)思維方法，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，提高思維品質(zhì)，逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關(guān)鍵能力是課堂教學(xué)追求的重要目標(biāo)。然而，這些所謂的“素養(yǎng)”并不是與生俱來的，只有在真實(shí)情境中運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜問題，逐漸形成科學(xué)思維和解決問題的能力時，知識才能轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)。

當(dāng)前課堂對抽象對象的探究教學(xué)遇到學(xué)生知識背景不足、探究過程簡化等瓶頸問題，探究深度放不開留于形式，不敢回歸原始情景，用“模擬”“替代”則很難發(fā)生深入分析，深刻評價，更談不上“創(chuàng)造”等高層次的思維活動。雖然降低了教學(xué)的難度，但也失去了研究“場”這種“看不到的物質(zhì)”時所經(jīng)歷的邏輯推理、抽象思維的體驗(yàn)及探究過程，失去了從知識自然構(gòu)建的角度體驗(yàn)抽象研究的過程。

2 抽象對象的研究更能突出推理思辨能力的培養(yǎng)

案例二 電場的性質(zhì)描述

問題一：場的觀念的建立過程需要讓學(xué)生信服電場是一種存在的物質(zhì)，但它看不到、摸不著，它在空間是如何分布的？處處一樣嗎？該怎么去探究呢？

演示電荷與電荷之間的相互作用，如圖2所示，讓學(xué)生嘗試用場的觀念重新解釋這些現(xiàn)象，體會電場作用的分布問題，確定電場空間分布的不均勻性，并學(xué)會用試探電荷作為探究電場的工具。

問題二：電場分布的不同體現(xiàn)在場對電荷作用力的不同，這反映了電場力的性質(zhì)，能定量表示這種性質(zhì)嗎？

同一試探電荷在電場的不同之處受力的大小及方向的不同反映了各處電場強(qiáng)弱的不同，有必要引入物理量來描述電場分布的差別——電場強(qiáng)度。

問題三：電場強(qiáng)度反映了電場分布的強(qiáng)弱，應(yīng)該怎樣將它表示出來呢？

電場的抽象性不能直接測量，需用試探電荷間接試探。能直接測量的電場力，卻與試探電荷有關(guān)，所以不能用電場力來定義電場強(qiáng)度。但電場力包含了電場強(qiáng)弱的信息，只是“混進(jìn)了”試探電荷的信息而已，只要從中“去除”試探電荷的信息，剩下的就是電場的強(qiáng)弱了。

問題四：怎樣從電場力中“去除”試探電荷的信息呢？

關(guān)鍵是電場力與試探電荷之間的關(guān)系，這相當(dāng)于控制變量法——保持電場不變。邏輯推理電荷倍增法表明電場力與試探電荷成正比，所以比值是與試探電荷無關(guān)的量，這就是要找的反映電場強(qiáng)弱的物理量——電場強(qiáng)度。

問題五：電場還有方向的性質(zhì)，如何確定呢？

電場力的方向也是由電場及試探電荷共同決定的，而電場的方向與試探電荷無關(guān)，故只要規(guī)定其中一種電荷（如正電荷）的受力方向?yàn)殡妶龅姆较?，另一種電荷的受力方向?yàn)殡妶龅姆捶较蚣纯桑姾傻恼?fù)本來就是相對的）。

評析：比值法定義物理量是物理量定義的一種重要的思想方法。試探電荷在電場中受到的作用力既包含電場的信息又與試探電荷自身有關(guān)，而電場強(qiáng)度與試探電荷又是無關(guān)的，所以通過比值F/q就能得到與試探工具無關(guān)、只反映電場性質(zhì)的物理量，而這個物理量就能描述電場的強(qiáng)弱——電場強(qiáng)度。讓學(xué)生體驗(yàn)比值法的科學(xué)性，整個探究過程包含交流合作、總結(jié)與互相評價。雖然沒有看到、摸到電場，但電場始終就在“眼前”——這就是一個實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)。整個流程經(jīng)過精心編排（如圖3所示），應(yīng)用比值法來定義電場強(qiáng)度，無論是探究的過程及邏輯順序都是水到渠成的。

問題始終是探究的主線，精心設(shè)計(jì)的真實(shí)問題創(chuàng)設(shè)情景，激活學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生主動探究新知的欲望，理順內(nèi)容的邏輯關(guān)系，讓學(xué)生在精心創(chuàng)設(shè)的體現(xiàn)概念本質(zhì)特征的情境中探究，引導(dǎo)學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過科學(xué)推理和科學(xué)論證，體驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建、等效、類比、理想實(shí)驗(yàn)等科學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

推理思辨能力是學(xué)生必須具備的能力之一。學(xué)生的思維方式和科學(xué)家有著極大的不同，他們經(jīng)常是基于自己的學(xué)習(xí)起點(diǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)，觀察、理解所看到的現(xiàn)象，學(xué)習(xí)新知識，缺乏職業(yè)的學(xué)習(xí)觀念，而這些就是思辨能力不強(qiáng)的表現(xiàn)。對抽象對象的探究強(qiáng)化了概念基礎(chǔ)上的推理、分析、綜合能力的訓(xùn)練，用嚴(yán)密的邏輯推理抽象物理模型、解決問題，突出了對學(xué)生思辨能力的培養(yǎng)。從研究的視角進(jìn)行抽象對象的探究能徹底取代“填鴨式”的、沒有創(chuàng)新的教學(xué)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的邏輯推理能力和批判性的思維方式，是培養(yǎng)學(xué)生“核心素養(yǎng)”更高效的模式。

3 促進(jìn)生成，捕捉“靈感”的火花

案例三 電勢能與電勢

電場力的性質(zhì)自然涉及到電場力做功的問題（如圖4所示），對電場力做功的分析又得出電場力做功與路徑無關(guān)的結(jié)論，自然生成了學(xué)生對電場能的性質(zhì)的討論，試探電荷在電場力的作用下具有勢能——電勢能。

問題一：試探電荷在電場力作用下所具有的電勢能與哪些因素有關(guān)呢？

顯然，電勢能與電場和試探電荷都有關(guān)。

問題二：描述電場的能的性質(zhì)就是電場強(qiáng)度嗎？

根據(jù)電場力做功與電勢能變化的關(guān)系得試探電荷+q具有的電勢能在電場強(qiáng)的地方（圖5中的A點(diǎn)）反而小或在電場弱的地方（圖5中的B點(diǎn)）反而大。因?yàn)樵囂诫姾?q從A到B的過程電場力做負(fù)功，說明電場能的性質(zhì)又區(qū)別于電場強(qiáng)度，故必須要用一新的物理量來描述電場能的性質(zhì)——電勢φ。

問題三：電勢φ如何定義呢？

對學(xué)生來說電場強(qiáng)度的定義記憶猶新，電勢的定義也是輕車熟路，比值法定義電勢的方法自然生成了，φ=。

評析：研究角度下的探究本身就是將知識與技能用于解決復(fù)雜問題和處理不可預(yù)測情境問題的過程，“生成”是必然的，這也是研究的魅力所在。電場能的性質(zhì)是在解決電場力做功的問題中“無意”發(fā)現(xiàn)的，探究的問題是學(xué)生自然生成的，解決的過程也是之前獲取的知識與技能的應(yīng)用與拓展。

靈感也叫靈感思維，指文藝、科技活動中瞬間產(chǎn)生的富有創(chuàng)造性的突發(fā)思維狀態(tài)，它的重要性是可想而知的。靈感是創(chuàng)造性思維的結(jié)果，而從研究的視角讓學(xué)生進(jìn)行自主探究、自主構(gòu)建更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，為靈感的出現(xiàn)與捕捉創(chuàng)造最有利的條件，“生成”也就更加自然、高效。

4 交流討論、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、百折不回，培養(yǎng)科學(xué)精神

整個電場探究的過程內(nèi)容分為三個部分，如圖6所示。電場觀念建立的過程中全班分組查找資料、質(zhì)疑、討論、辯論、寫論文等形式，層層遞進(jìn)，強(qiáng)調(diào)邏輯論證的嚴(yán)密性?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)演示將學(xué)生帶入一個“場”的情境中，人人面前有“場”，那么該怎么尋找？從探究方法到電場強(qiáng)度物理量的定義式，探究過程人人談構(gòu)想，個個講體會，相互協(xié)作，最終得到電場強(qiáng)度這個物理量的建立。電場能的性質(zhì)的探究及電勢物理量的定義從自然生成到知識、技能的應(yīng)用，全程學(xué)生識別問題、提煉問題并解決問題，師生共同協(xié)作，解決“預(yù)設(shè)”，解決“生成”。

評析：通過老師巧妙引導(dǎo)，調(diào)動一切積極因素，師生間、生生間交流合作，逐步學(xué)會理性地用概念去思考，通過師生共同探究尋找能觸及問題核心和知識建構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)合預(yù)設(shè)的生態(tài)支架激活學(xué)生思維，觸動學(xué)生的興奮點(diǎn)。再其次，還要培養(yǎng)學(xué)生敢于面對困難、不怕冷場、不怕挫折的精神，培養(yǎng)學(xué)生善于從失敗中總結(jié)教訓(xùn)的能力，培養(yǎng)學(xué)生大膽創(chuàng)新、質(zhì)疑、批判的科學(xué)精神，帶領(lǐng)學(xué)生有計(jì)劃地進(jìn)行分析、綜合、評價等高級思維形式的訓(xùn)練。邊探究邊交流邊評價，通過及時總結(jié)、反思、評價、鼓勵，讓學(xué)生在融洽的氛圍中體驗(yàn)成功的喜悅。在高層次的思辨和推理舉證中，不出現(xiàn)優(yōu)生遙不可及或唱獨(dú)角戲、學(xué)困生被冷落而沉默無語的情況。

真實(shí)的電場是看不到的，但整個探究過程的實(shí)驗(yàn)演示及邏輯論證使得抽象的電場在學(xué)生大腦中的形象越來越清晰。電場的探究過程就是學(xué)生從真實(shí)情境中通過自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)主動進(jìn)行概念建構(gòu)的過程。從研究的視角構(gòu)建抽象對象的探究，讓學(xué)生從更高思維層次的活動中體驗(yàn)物理概念的構(gòu)建及規(guī)律的全過程，這是一件有意義的實(shí)踐嘗試。

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