顯化科學(xué)方法,強化思維教育
——以高中物理“機械能守恒定律”一節(jié)為例

丁 珂 錢長炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

隨著近年來基礎(chǔ)教育物理課程改革的不斷推行與深化,中學(xué)物理教育在各方面都取得了明顯的進步,其中“科學(xué)方法”對培養(yǎng)學(xué)生的價值也不斷被挖掘出來.從三維目標(biāo)中的“過程與方法”到如今物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”,無疑不在強化科學(xué)方法對培養(yǎng)人的重要性.因此,本文以“機械能守恒定律”一節(jié)為例,以顯化科學(xué)方法為宗旨、強化思維教育為目的進行教學(xué)設(shè)計,以此體現(xiàn)科學(xué)方法對思維教育的重要作用,希望為新一輪的課程改革提供一些借鑒與幫助.

1 科學(xué)方法及其在教學(xué)中的定位

物理科學(xué)方法是蘊含在物理知識與思維過程中,以物理知識為載體、以物理思維為運動空間的科學(xué)研究問題的方法.在進行中學(xué)物理概念、規(guī)律和實驗等內(nèi)容的教學(xué)中,可運用的常規(guī)科學(xué)方法有觀察實驗方法、邏輯思維方法和數(shù)學(xué)方法,如圖1所示.這些方法在一定程度上不僅有利于學(xué)生充分并且快速的掌握物理知識,而且有助于訓(xùn)練相應(yīng)的科學(xué)思維、增強探究能力進而感受探索科學(xué)的樂趣.[1]

如今科學(xué)方法教育內(nèi)容在物理教科書中也越來越豐富.這反映了科學(xué)方法教育得到了更多的關(guān)注.根據(jù)我們所掌握的文獻,也逐漸對科學(xué)方法有了新的認識,科學(xué)方法是一種比概念、規(guī)律和實驗更加隱蔽的“知識”,掌握了這一“知識”,它將促進物理常規(guī)知識的理解與學(xué)習(xí),進而間接作用物理觀念的形成.同時眾多的科學(xué)方法隱藏在探究性學(xué)習(xí)之中,也直接對科學(xué)思維的訓(xùn)練產(chǎn)生直接影響.因此,在物理教學(xué)中將科學(xué)方法與知識、學(xué)習(xí)方式充分融合,并將其顯化,這無疑是為物理學(xué)科核心素養(yǎng)教育探索出了一個新的窗口.[2]

圖1 物理教學(xué)中的科學(xué)方法示意圖

2 科學(xué)方法在教學(xué)中的體現(xiàn)與落實

教科書是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要工具,教科書中科學(xué)知識與方法的結(jié)合對學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練也起著至關(guān)重要的作用.因此,筆者以高中物理“機械能守恒定律”一節(jié)為例,分析其內(nèi)容組織所體現(xiàn)的科學(xué)方法等問題,并給出顯化科學(xué)方法、強化思維教育的教學(xué)過程,以供參考.

2.1 科學(xué)方法在“機械能守恒定律”一節(jié)中的呈現(xiàn)分析

我國高中物理代表性教科書中“機械能守恒定律”一節(jié)的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖2所示.教科書首先通過“伽利略擺”演示實驗引入新課,以此激發(fā)學(xué)生對能量的思考,隨后描述運動過程中動能與勢能如何轉(zhuǎn)化,接著利用動能定理和重力做功與重力勢能變化的關(guān)系推導(dǎo)出機械能守恒的數(shù)學(xué)表達式,最后直接概括總結(jié)得出機械能守恒定律的定義.[3]

圖2 代表性教科書“機械能守恒定律”一節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

這其中內(nèi)容組織邏輯體現(xiàn)的科學(xué)方法值得我們深入思考.首先根據(jù)伽利略擺的演示實驗可以看出是要求學(xué)生利用觀察實驗法來分析能量.對于動能與勢能的轉(zhuǎn)化教科書則采用分析與綜合的科學(xué)方法進行文字闡述,這些編排在一定程度上是以隱性的方式將科學(xué)方法呈現(xiàn)了出來.但從動能定理推導(dǎo)得出機械能守恒定律的安排既未能體現(xiàn)一般到特殊演繹的科學(xué)方法,又非常規(guī)的歸納方法,只是單純的公式推導(dǎo).這無疑是將物理知識數(shù)學(xué)化.這種方法即違背了該定律在物理學(xué)史上由來和發(fā)展,也不利于學(xué)生進一步理解、掌握和提升機械能守恒的相關(guān)知識,甚至在一定程度上加大了學(xué)習(xí)新知識的難度.[4]

2.2 顯化科學(xué)方法的“機械能守恒定律”一節(jié)教學(xué)設(shè)計

基于上文對“機械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容科學(xué)方法呈現(xiàn)情況的分析,結(jié)合該節(jié)知識本身的特點,筆者設(shè)計了如圖3所示的教學(xué)過程,認為在“機械能守恒定律”一節(jié)中通過演繹法、分析與綜合、實驗觀察和比較法組織展開教學(xué),方能更好地訓(xùn)練科學(xué)思維各要素,并且能夠有效落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)其他方面.

圖3 教學(xué)進程示意圖

2.2.1 追溯歷史,演繹推理,引入“守恒”

物理學(xué)發(fā)展史上,能量概念的確立經(jīng)歷了漫長的過程,對能量轉(zhuǎn)化及其守恒定律的認識更是艱難.伴隨著物理學(xué)各個分支的發(fā)展直至19世紀40年代,諸多物理學(xué)家例如焦耳、亥姆霍茲等人才從不同方面逐漸形成對能量較完整的認識.[5]筆者將這一史實作為本節(jié)新課“能量轉(zhuǎn)化及其守恒”部分的引入,并且介紹生活中的光能、風(fēng)能、太陽能等能量拉近學(xué)生對抽象能量概念的距離.隨即指出“機械能”也是眾多能量中的一種,因此,理所當(dāng)然也遵循能量守恒定律.這也是本節(jié)課即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容“機械能守恒定律”.至此,通過演繹推理的方法已將新課內(nèi)容“機械能守恒定律”引出.隨即說明學(xué)生在初中階段只是定性了解了機械能守恒,而今天的主題則是定量了解機械能守恒定律.

在引入環(huán)節(jié)結(jié)束之后,進一步補充演繹推理的科學(xué)方法.即演繹法是從一般原理推演出個別結(jié)論的思維方法,由3個因素組成,分別是“大小前提和結(jié)論”.在此次課上,“能量守恒定律”為一般性的大前提;作為演繹中介的“小前提”即為“機械能屬于眾多能量中的一種”;由大小前提推演出的結(jié)果即為“機械能守恒定律”.[6]通過這種顯性的三段論演繹科學(xué)方法教學(xué),使學(xué)生進一步明確已知條件中的邏輯關(guān)系,進而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理以及科學(xué)論證的思維能力.同時在傾聽“能量”相關(guān)物理學(xué)史中感受科學(xué)知識得來的艱難,進而培養(yǎng)勇于追尋真理的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

2.2.2 分析綜合、對比實驗,驗證守恒

(1) “機械能守恒定律”數(shù)量條件的驗證.

“機械能守恒定律”的定量驗證為本節(jié)課的重點.首先向?qū)W生展示小球做自由落體運動、平拋運動和沿光滑曲面滑下的3種情境,如圖4所示.請同學(xué)們小組討論,按照各自組號對應(yīng)的情境,利用動能定理進一步定量分析并驗證機械能守恒.在學(xué)生討論過程中,教師根據(jù)最近發(fā)展區(qū)設(shè)置問題,搭建學(xué)習(xí)“階梯”,如:在3種小球下落的情境中,重力對物體做的功與其重力勢能變化的關(guān)系是什么?根據(jù)動能定理,重力對物體做的功與物體動能變化量的關(guān)系又是什么?在教師的引導(dǎo)下學(xué)生根據(jù)重力做的功與勢能變化的關(guān)系得出WG=Ep1-Ep2,根據(jù)動能定理得出WG=Ek2-Ek1,隨后進行公式整理即Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,Ek2+Ep2=Ek1+Ep1,最后得出E2=E1.

教師隨即提出“為什么不同情境小球的機械能都守恒,以及它們的推導(dǎo)過程也都相同?”這一問題.隨后引導(dǎo)學(xué)生從做功情況考慮它們的共同點.在學(xué)生將3種情況綜合考慮發(fā)現(xiàn)都是由重力做功后,教師詢問:如果還有其他力做功,是否也滿足機械能守恒呢?以此自然過渡到機械能守恒做功條件的探究.

圖4 3種機械能守恒情境

在進行下一教學(xué)環(huán)節(jié)之前教師對此部分的科學(xué)方法展開介紹.通過利用3組不同情境重力做功的例子使學(xué)生對機械能守恒的個別情況進行了分析和思考,此謂分析法,即把研究對象分解成它的組成部分,然后分別加以研究;通過對比其他情境找出相同點綜合考慮,此謂綜合法,即把研究對象的各部分聯(lián)系起來,從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律.教師通過對學(xué)習(xí)方法直接補充使學(xué)生進一步明確分析與綜合的科學(xué)方法,從而訓(xùn)練科學(xué)推理、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維.[7]根據(jù)情境和教師的問題獨立思考,也進一步訓(xùn)練了獲取和處理信息的科學(xué)探究能力,同時理論推導(dǎo)守恒提供了守恒證據(jù)從而加速了守恒觀的形成.

(2) “機械能守恒定律”做功條件的探究.

圖5 自制“機械能守恒”演示儀

教師首先介紹“機械能守恒”演示儀的設(shè)計情況,它是由光電門和單擺組成,利用Dislab系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),裝置如圖5所示.隨即提出如何利用“機械能守恒”演示儀進行機械能守恒做功條件的探究?這一問題引發(fā)學(xué)生對實驗設(shè)計的思考,并且結(jié)合學(xué)生知識的最近發(fā)展區(qū)提問:擺球從C點釋放時,在不同位置的機械能如何表示?在B、C處的高度和A、B處的速度如何得出?如何改變擺球運動過程中的受力及做功條件?進一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗流程.

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成表1中“擺球受力及做功情況”一欄,并且通過對比單擺運動中機械能守恒以及不守恒的受力做功條件得出機械能守恒時應(yīng)滿足的做功條件. 教師隨后對實驗做出總結(jié)，即“在單擺運動過程中,機械能守恒的做功條件為只受到重力做功”.同時進一步補充除重力做功的系統(tǒng)外,彈簧做功也遵循機械能守恒(此節(jié)課不展開),從而得出機械能守恒定律的內(nèi)容為“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動能與勢能可以互相轉(zhuǎn)化,而總的機械能數(shù)量保持不變”.

教師隨即對上述實驗過程展開科學(xué)方法的總結(jié).學(xué)生通過觀察演示實驗這是觀察實驗方法中的“實驗觀察法”,而通過實驗的對比,這是一種“比較”的抽象邏輯思維方法,即確定研究對象之間差異點和共同點的邏輯方法.明確這些科學(xué)方法有助于學(xué)生通過將理論與實踐結(jié)合去深入學(xué)習(xí)知識,并且有針對性地訓(xùn)練科學(xué)推理和質(zhì)疑創(chuàng)新的能力.另外實驗部分的設(shè)計也進一步促進了學(xué)生設(shè)計實驗與制定方案,和基于證據(jù)得出結(jié)論的科學(xué)探究能力.

2.2.3 參與游戲、建立模型,體悟守恒

圖6 “勇者挑戰(zhàn)”游戲

此時,新課已接近尾聲．請學(xué)生們參與“勇者挑戰(zhàn)”的游戲,規(guī)則是用繩子將一把鐵鎖懸掛,挑戰(zhàn)者拿起鐵鎖靠近自己的鼻子,但是不要觸碰到鼻尖,穩(wěn)定后釋放,看鐵鎖是否會砸到挑戰(zhàn)者鼻子(如圖6)?可能有些學(xué)生出于本能,不敢嘗試.但是部分學(xué)生嘗試的過程中其他學(xué)生觀察到了鐵鎖根本不會超過初始高度.

通過“勇者挑戰(zhàn)”的游戲,使學(xué)生直接或間接地體會機械能守恒,感受科學(xué)世界的精確與魅力,同時通過游戲初步建立單擺機械能守恒模型,以及明確“模型”是一種將研究對象的本質(zhì)特征抽象出來,構(gòu)成一個概念或事物的體系.[8]以此訓(xùn)練學(xué)生在腦海中構(gòu)建機械能守恒模型的思維能力,同時嘗試利用模型去解決問題的論證思維能力.

3 小結(jié)與啟示

通過對科學(xué)方法在教學(xué)中的定位以及科學(xué)方法在“機械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)的情況分析,筆者發(fā)現(xiàn)科學(xué)方法在現(xiàn)階段物理教學(xué)中的安排并未起到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方面的作用.基于此,筆者制定了突顯科學(xué)方法的教學(xué)過程,以此有針對性地訓(xùn)練科學(xué)思維各個要素,從而更好地貫徹落實學(xué)科核心素養(yǎng).

良好的科學(xué)思維品質(zhì)是“化知為識,化識為智”的關(guān)鍵所在.在對高中物理“機械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容進行分析,并且基于顯化科學(xué)方法這一宗旨設(shè)計其教學(xué)過程時,我們深深地感受到在物理教學(xué)大力推廣核心素養(yǎng)的今天,教師更應(yīng)精心設(shè)計教學(xué)過程,將物理科學(xué)方法合理地融入到高中物理教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)實施中去,以科學(xué)方法引領(lǐng)思維訓(xùn)練,從而促進物理核心素養(yǎng)其他方面的形成與發(fā)展.真正將課程目標(biāo)落到實處,進而成為具有較高科學(xué)素質(zhì)的公民.