顯化科學(xué)方法教育 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維
——以 “正交分解法”復(fù)習(xí)為例

徐漢超 李俊永 王長江

(1. 江蘇省蘇州市吳江中學(xué)，江蘇 蘇州 215200；2. 貴州省仁懷市周林高級中學(xué)，貴州 仁懷 564500；3. 安徽師范大學(xué)物電學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

1 引言

高中物理教學(xué)因其自身的特殊性，在發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維方面具有不可替代的作用。遺憾的是高中物理教育在這些方面的工作難以令人滿意，具體表現(xiàn)在一些高中生的物理問題解決能力弱，不能有效地運(yùn)用科學(xué)方法解決具體的物理問題，學(xué)生的科學(xué)思維能力較弱。鑒于此，筆者提出：物理教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該圍繞學(xué)生的思維活動(dòng)而展開，通過顯化科學(xué)方法的策略來發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

物理教育家閻金鐸、喬際平先生在《高中物理：概念·規(guī)律·方法》中，從力學(xué)到電磁學(xué)的各個(gè)單元分別對科學(xué)方法教育進(jìn)行了分析與說明，邢紅軍教授也提出了科學(xué)方法中心論、顯化科學(xué)研究方法等觀點(diǎn)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將“科學(xué)思維”作為核心要素的四個(gè)方面之一。

科學(xué)思維貫穿于問題解決的全過程，筆者認(rèn)為科學(xué)方法的教育在適當(dāng)時(shí)機(jī)需要顯化，現(xiàn)以高三“正交分解法”的復(fù)習(xí)為例，探討顯化科學(xué)方法教育、發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的途徑。

2 教學(xué)案例分析

高三物理教學(xué)特別是二輪復(fù)習(xí)教學(xué)更加注重方法的積累與總結(jié)，大多數(shù)高三學(xué)生科學(xué)思維能力沒有得到較好的發(fā)展，究其原因在于他們在高中物理學(xué)習(xí)中對基本的科學(xué)方法不甚了解，筆者采用顯化科學(xué)方法教育的方式來解決這個(gè)問題，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.1 通過對比，引發(fā)科學(xué)思維

如圖1所示，新課伊始呈現(xiàn)最簡單的直流電路并截取一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的相應(yīng)電流，同時(shí)展示與之類似的共節(jié)點(diǎn)力的示意圖，并尋求圖1中各量的關(guān)系。

圖1

讓學(xué)生比較電流與力的求和規(guī)則，教師提問：I=I1+I2，F(xiàn)=F1+F2是否成立？學(xué)生在腦海中調(diào)用電流和力的求和規(guī)則，判斷出這是在考查矢量與標(biāo)量的本質(zhì)區(qū)別，并確認(rèn)后一公式錯(cuò)誤。教師引出正交分解的問題：怎么才能使矢量的求和簡單、便捷？

如圖2所示，力的正交分解法是指把力沿著兩個(gè)選定的互相垂直的方向進(jìn)行分解，是力的平行四邊形定則的具體應(yīng)用，體現(xiàn)的是等效思維方法。該環(huán)節(jié)應(yīng)強(qiáng)調(diào)正交分解過程，得出：Fy=Fsinα，F(xiàn)x=Fcosα。

圖2

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生對電流與力節(jié)點(diǎn)圖的觀察，調(diào)動(dòng)學(xué)生已有認(rèn)知，由此啟動(dòng)學(xué)生的思維，對兩個(gè)等式正誤的判斷會(huì)使學(xué)生關(guān)注物理量的求和規(guī)則，進(jìn)而提出解決力求和的問題，正交分解法呼之欲出。本設(shè)計(jì)考慮到學(xué)生先前知識(shí)儲(chǔ)備，抓住矢量、標(biāo)量求和的不同，為正交分解法的復(fù)習(xí)鋪平道路。

2.2 利用分解過程，培育科學(xué)思維

運(yùn)用力的正交分解法解題時(shí)需要認(rèn)真審視具體的物理問題，把握問題的關(guān)鍵特征，正確列出數(shù)理方程，顯化科學(xué)方法的教育。

例1：如圖3所示，物體所受重力為G，在與水平方向成α角的恒定拉力F作用下沿水平面勻速運(yùn)動(dòng)，求物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

圖3

解析：運(yùn)用正交分解法列出豎直方向上和水平方向上的平衡方程，再尋找兩個(gè)方向上的具體聯(lián)系，即建立：∑F=0或其分解式∑Fx=0，∑Fy=0，這是正交分解法的精髓。

設(shè)計(jì)意圖：在教學(xué)中，學(xué)生的能力需要在實(shí)踐中提高，在練習(xí)中提升，該例有利于學(xué)生對科學(xué)方法的掌握。在正交分解法依次展開的過程中，學(xué)生的科學(xué)思維能力逐漸提高，并以此為新起點(diǎn)將思維逐步向縱深進(jìn)階。

為了讓學(xué)生對問題的認(rèn)識(shí)更加深刻，也為了很好地發(fā)展學(xué)生的模型建模、科學(xué)推理等科學(xué)思維能力，實(shí)現(xiàn)思維的縱深進(jìn)階，可對例1進(jìn)行變式處理。

變式1：若恒力向右斜向下，與水平方向夾角不變，物體做勻速運(yùn)動(dòng)，求物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

變式2：若物體在恒力的作用下產(chǎn)生向右的加速度a，求物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

2.3 正交分解牽連速度，拓展科學(xué)思維

正交分解也可以根據(jù)研究問題的需要拓展到對運(yùn)動(dòng)的研究中，正交分解的方向在原則上有無窮多個(gè)，但在具體的問題中要根據(jù)方便性原則靈活選取。緊接前面的教學(xué)，以牽連速度問題為載體的正交分解實(shí)例拓展學(xué)生的思維。

圖4

解析：如圖5所示，對小球A和B的速度進(jìn)行正交分解，再結(jié)合系統(tǒng)的機(jī)械能守恒解決該問題。其中既有把兩小球視為質(zhì)點(diǎn)的理想化處理，也有對輕桿不可伸長的理想化處理，即沿桿方向A和B的速度相等，也涉及機(jī)械能守恒的明確表述，每一步都有科學(xué)思維方法的運(yùn)用。在具體的研究方法上，力可以正交分解，速度亦可正交分解，進(jìn)而任何矢量皆可正交分解，正交分解法的運(yùn)用在具體問題中需靈活處理。

圖5

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)思維能力的發(fā)展不能畢其功于一役，只能循序漸進(jìn)、逐步去落實(shí)。從對問題解決的每一個(gè)細(xì)節(jié)的處理來講，不論是建模還是論證，都需要依據(jù)科學(xué)方法

教育的要求細(xì)化問題，化復(fù)雜為簡潔。

2.4 在復(fù)合場中運(yùn)用正交分解法，進(jìn)階科學(xué)思維

帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)能夠較好地體現(xiàn)科學(xué)方法的教育價(jià)值，利于學(xué)生科學(xué)思維能力的提升，基于等效方法的正交分解法在復(fù)合場中的應(yīng)用就是一例。

例3：如圖6所示，一帶電微粒以豎直向上的初速度v0，自A點(diǎn)進(jìn)入場強(qiáng)大小為E、方向水平向右的勻強(qiáng)電場，微粒受到的電場力重力大小相等，當(dāng)微粒到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，速度大小仍為v0，但方向變?yōu)樗剑敲碅、B之間的電勢差等于多少？從A運(yùn)動(dòng)到B經(jīng)歷的時(shí)間為多少？

圖6

解析：本例比較復(fù)雜，帶電微粒的運(yùn)動(dòng)可以分解為豎直方向上的上拋運(yùn)動(dòng)與水平方向上的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。此外需挖掘隱含條件：B點(diǎn)的速度水平向右，體現(xiàn)了科學(xué)論證能力培養(yǎng)的要求，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么帶電微粒在B點(diǎn)的速度可以水平向右，在A點(diǎn)豎直方向速度為什么會(huì)改變？學(xué)生會(huì)利用正交分解法去分解力和運(yùn)動(dòng)，探討分運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性和獨(dú)立性問題。

設(shè)計(jì)意圖：在具體的問題解決中顯化科學(xué)方法教育，首先，準(zhǔn)確把握水平方向與豎直方向上的運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性；其次，具體問題具體分析，在建模過程中把握正交分解法運(yùn)用的基本要領(lǐng)；再次，以圖表形式讓思維可視化；最后，對物理問題解決的過程進(jìn)行反思，通過科學(xué)方法的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維進(jìn)階。

3 顯化科學(xué)方法教育的建議

3.1 物理教師應(yīng)當(dāng)具有研究和梳理科學(xué)方法的意識(shí)

顯化科學(xué)方法并突出其中心地位，需要物理教師特別是物理備課團(tuán)隊(duì)深入研究和挖掘課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中的科學(xué)方法教育因素，有意識(shí)地將科學(xué)方法在物理課堂中顯化出來，物理備課組應(yīng)重點(diǎn)研討科學(xué)方法顯化的具體方式，發(fā)揮集體的力量，摒棄單兵作戰(zhàn)模式，提高研討效率。

3.2 在復(fù)習(xí)中應(yīng)當(dāng)以科學(xué)方法的運(yùn)用為關(guān)鍵支撐

物理核心素養(yǎng)的落實(shí)最終指向?qū)W生的終身發(fā)展，知識(shí)的復(fù)習(xí)與掌握離不開有效的實(shí)踐，此實(shí)踐主要指學(xué)生對與科學(xué)方法相聯(lián)系的物理習(xí)題、原始物理問題的解決，日日有進(jìn)則可至千里，在物理復(fù)習(xí)中顯化科學(xué)方法的教育是落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑。