淺談定性分析的物理教學(xué)價(jià)值

朱佳平 沈金林

(1. 余杭實(shí)驗(yàn)中學(xué),浙江 杭州 311100; 2. 浙江省平湖中學(xué),浙江 平湖 314200)

淺談定性分析的物理教學(xué)價(jià)值

朱佳平1沈金林2

(1. 余杭實(shí)驗(yàn)中學(xué),浙江 杭州 311100; 2. 浙江省平湖中學(xué),浙江 平湖 314200)

定性分析與定量分析是兩種科學(xué)分析方法.由于物理科學(xué)的高度定量化,使得在物理教與學(xué)的過(guò)程中,師生都有重定量輕定性的偏向.本文主要論述了定性分析作為一種處理物理問(wèn)題的重要科學(xué)方法在教材中的體現(xiàn),及其應(yīng)用于處理物理問(wèn)題的價(jià)值,并結(jié)合實(shí)例闡述了高中物理教學(xué)中進(jìn)行定性分析的8種方法.

定性分析;物理教學(xué);教學(xué)價(jià)值

物理學(xué)是一門高度定量化的科學(xué),其測(cè)量之精確、邏輯推理之嚴(yán)密、模型建立之完善,并取得了巨大的成就,這也使得“定性”有時(shí)成了帶貶義的意思.盧瑟福有句名言:“定性就是定量化不夠”.許多教師在物理教學(xué)中也存在“重定量,輕定性”的偏向,總認(rèn)為定量是優(yōu)越的,定性是不得已而為之,只有精確的定量才是最終的追求.以至于“物理知識(shí)=物理公式=數(shù)學(xué)運(yùn)算”在學(xué)生中成為一種普遍意識(shí),許多學(xué)生形成了這樣的思維習(xí)慣:一拿到物理問(wèn)題就是尋找公式,進(jìn)行數(shù)學(xué)演算.

其實(shí),定性分析作為一種科學(xué)方法,在物理科學(xué)中發(fā)揮著重大作用,在物理教學(xué)中具有重要的教育價(jià)值.尤其在核心素養(yǎng)視域下,定性分析中的許多思維方法作為高階位的思維品質(zhì),是學(xué)生適應(yīng)個(gè)人終身學(xué)習(xí)和社會(huì)發(fā)展的基本素養(yǎng),能為學(xué)生終身受用.本文試結(jié)合對(duì)定性分析的思考和認(rèn)識(shí),談?wù)劯咧形锢斫虒W(xué)中定性分析的教育價(jià)值.

1 關(guān)于定性分析和定量分析

所謂定性分析就是對(duì)事物進(jìn)行“質(zhì)”的方面的分析,具體地說(shuō)是主要憑分析者的直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用歸納和演繹等方法,對(duì)事物的性質(zhì)、特點(diǎn)、規(guī)律等作出判斷的一種方法.如伽利略用演繹法推翻亞里士多德的“重物比輕物落得快”的論斷就是定性分析應(yīng)用的典范.

所謂定量分析就是對(duì)事物進(jìn)行“量”的方面的分析,具體地說(shuō)是依據(jù)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,并用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出事物的各項(xiàng)指標(biāo)及其數(shù)值的一種方法.如開(kāi)普勒依據(jù)第谷大量的行星觀測(cè)數(shù)據(jù),歷經(jīng)20年的嘗試性定量計(jì)算,最終得出行星運(yùn)動(dòng)三定律.

定性分析和定量分析作為人們認(rèn)識(shí)事物的兩種科學(xué)分析方法,各有其側(cè)重,但在真實(shí)的科學(xué)研究中它們又是彼此交融的.以近代科學(xué)方法的開(kāi)創(chuàng)者伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究為例,其探究過(guò)程可概括為如圖1所示.分析其中的基本要素可以發(fā)現(xiàn),科學(xué)探究首先需要對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察,進(jìn)而提出假設(shè).而“提出假設(shè)”是科學(xué)探究中最活躍、最具革命性的要素,“提出假設(shè)”需要定性分析、歸納,甚至是基于直覺(jué)思維,沒(méi)有足夠的定性分析,提出的假設(shè)將是盲目的、無(wú)意義的.因此,定性分析是科學(xué)研究過(guò)程的良好開(kāi)端和重要環(huán)節(jié).伽利略的成功,不僅在于找到了落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,更重要的是開(kāi)辟了一條研究物理學(xué)的研究之路——運(yùn)用數(shù)學(xué)推理和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合探究自然規(guī)律的科學(xué)方法,即定性與定量相結(jié)合的方法.

圖1

學(xué)生分析解決物理問(wèn)題的思維過(guò)程與物理學(xué)家的科學(xué)探究過(guò)程不無(wú)相通之處,如缺乏對(duì)物理問(wèn)題的定性分析和整體把握,一下子陷入細(xì)枝末節(jié)的深究,則往往會(huì)一葉障目,只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林.教學(xué)中應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立一種科學(xué)探究的態(tài)度和方法,在定性分析與定量計(jì)算兩種方法之間達(dá)成一種動(dòng)態(tài)的平衡.

2 定性分析的物理教學(xué)價(jià)值

2.1 定性分析有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

任何學(xué)科教學(xué)的核心價(jià)值之一是把前人從事智力活動(dòng)的思想方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生認(rèn)識(shí)能力.科學(xué)的思維方式?jīng)Q定一個(gè)人腦力勞動(dòng)的水平和質(zhì)量,是一個(gè)人認(rèn)知素質(zhì)的核心.很多時(shí)候,定性分析是一種高階思維,某種意義上是一種智慧.充分挖掘教學(xué)內(nèi)容中的定性分析內(nèi)容,能使學(xué)生進(jìn)入有高階思維的深度學(xué)習(xí),有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用事實(shí)、邏輯進(jìn)行推理和論證的思維能力,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)特的、個(gè)性化的創(chuàng)新能力.

① 雙縫干涉中條紋間距Δx與應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)本身的客觀因素有關(guān),與外界的人為因素?zé)o關(guān).分析如圖2所示楊氏實(shí)驗(yàn)裝置,其中屬于實(shí)驗(yàn)本身的客觀因素有兩方面:一是光本身的因素,即波長(zhǎng)λ;二是實(shí)驗(yàn)裝置的因素,有兩條狹縫間的距離d,雙縫與屏間的距離L,光源與單縫的距離l1,單縫與雙縫的距離l2.

圖2

② 考慮到干涉是從雙縫開(kāi)始的,光源與單縫只是為干涉創(chuàng)造了條件,不能決定之后如何干涉.故Δx與l1、l2無(wú)關(guān).

③ 波長(zhǎng)λ是反映光的波動(dòng)性的量,波長(zhǎng)λ越大,波動(dòng)性越明顯,則條紋寬度Δx亦越大,即λ與條紋寬度Δx是一種正相關(guān)的關(guān)系.

④ 再用極限思維:可以設(shè)想將d增大到足夠時(shí),將不再有明顯干涉現(xiàn)象.不明顯的干涉現(xiàn)象應(yīng)該是各級(jí)條紋合在一起,即Δx→0.故狹縫間的距離d與條紋寬度Δx是一種負(fù)相關(guān)的關(guān)系.

誠(chéng)然,上述分析過(guò)程在思維上并不完備,但其中用到正、負(fù)相關(guān)性分析,極限分析,量綱分析等思維方式無(wú)不是學(xué)生受用終生的,或者說(shuō)是一種高品質(zhì)的智慧.美國(guó)教育學(xué)家克羅韋爾指出“教育面臨的最大挑戰(zhàn),不是技術(shù),不是資源,不是責(zé)任感,而是……去發(fā)現(xiàn)新的思維方法”.教學(xué)中如能充分挖掘這些思維素質(zhì)教育的素材,久而久之,必然能使學(xué)生的智慧產(chǎn)生質(zhì)的飛躍.

2.2 定性分析有利于學(xué)生認(rèn)清物理問(wèn)題的本質(zhì)

很多學(xué)生在處理物理問(wèn)題時(shí),不是首先根據(jù)題意進(jìn)行定性分析,抓住問(wèn)題的物理本質(zhì),而總是急于列出數(shù)學(xué)方程,無(wú)論何種問(wèn)題都期望通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推演去處理.一旦無(wú)法列出合理的數(shù)學(xué)方程或數(shù)學(xué)方程難以求解時(shí),就往往束手無(wú)策,無(wú)以應(yīng)對(duì).

圖3

教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生先作如下的定性分析:水平射程既取決于水平分速度,又跟空中飛行時(shí)間有關(guān),拋出角α太大,則水平分速度小而空中飛行時(shí)間長(zhǎng),拋出角α太小,則水平分速度大而空中飛行時(shí)間短,都會(huì)影響水平射程.還可進(jìn)一步分析,當(dāng)α→0°和α→90°時(shí),水平射程都為0,從而在腦中形成如圖3的一幅圖像:當(dāng)α從0°逐漸增加到90°的過(guò)程中,水平射程將先變大再變小,當(dāng)α取某個(gè)值時(shí),水平射程將最大.這樣的定性分析無(wú)疑對(duì)學(xué)生深刻理解拋體運(yùn)動(dòng)的整體特征大有裨益,而且也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)態(tài)思維的良好訓(xùn)練.

2.3 定性分析可以通過(guò)簡(jiǎn)單判斷提高解題效率

物理中有很多問(wèn)題并不需要計(jì)算出具體的數(shù)值,而是只需要進(jìn)行一個(gè)比較或判斷.這時(shí)如若一味的囿于定量分析,反而會(huì)使問(wèn)題復(fù)雜化,甚至走入死胡同.

圖4

例1.如圖4所示,光滑水平面上放著兩長(zhǎng)度相同,質(zhì)量分別為M1和M2的木板,在兩木板的左端各放一完全相同的物塊,開(kāi)始時(shí)各物均靜止.今在兩物體上各作用一水平恒力F1、F2,當(dāng)物塊和木板分離時(shí),兩木板的速度分別為v1和v2,物體和木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同,則

(A) 若F1>F2,M1=M2,則v1>v2.

(B) 若F1v2.

(C) 若F1=F2,M1>M2,則v1>v2.

(D) 若F1=F2,M1v2.

顯然,求解過(guò)程比較麻煩,可謂是“高妙的數(shù)學(xué),低劣的思維方法”.能不能運(yùn)用定性分析得出結(jié)論呢?這其實(shí)是一個(gè)關(guān)于比較的方法論問(wèn)題.通常,我們要比較不同事物的屬性差異,總是建立在某種共性的基礎(chǔ)上,否則比較就無(wú)從談起.如本題中,對(duì)于選項(xiàng)(A)、(B),M相同則a2相同,F越大則a1越大,相應(yīng)t越短,則v=a2t越小,(B)正確;對(duì)于選項(xiàng)(C)、(D),F相同則a1相同,M越大a2越小,相應(yīng)t越短,則v=a2t越小,(D)正確.

我們從該例分析中不難發(fā)現(xiàn),并非在所有的場(chǎng)合下繁復(fù)的定量計(jì)算都是必要的,有時(shí)定性分析的方法來(lái)得更為有效,而且其思維上更具有深刻性和靈活性.而定性思維則往往包含著豐富的辯證法思想,又要靠一定的物理直覺(jué)和洞察力,是對(duì)學(xué)生進(jìn)行核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑.

2.4 定性分析能夠?yàn)槎糠治鲋该鞣较?/p>

很多學(xué)生經(jīng)常反映物理題看不懂或不理解,也有一些學(xué)生一看到題目就急于列方程,求解過(guò)程思路混亂,經(jīng)常遺漏一些環(huán)節(jié),步驟散亂,做到哪里是哪里,最終無(wú)法順利求解.其實(shí),如果先對(duì)題目進(jìn)行必要的定性分析,力求對(duì)問(wèn)題的性質(zhì)、解的概貌取得一個(gè)總體的估計(jì)和理解,理清思路、明確方向,就能最大程度避免以上問(wèn)題,解題自然水到渠成.

例2.(2009年浙江高考題)某校物理興趣小組決定舉行遙控賽車比賽.比賽路徑如圖5所示,賽車從起點(diǎn)A出發(fā),沿水平直線軌道運(yùn)動(dòng)L后,由B點(diǎn)進(jìn)入半徑為R的光滑豎直圓軌道,離開(kāi)豎直圓軌道后繼續(xù)在光滑平直軌道上運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn),并能越過(guò)壕溝.已知賽車質(zhì)量m=0.1kg,通電后以額定功率P=1.5W工作,進(jìn)入豎直軌道前受到阻力恒為0.3N,隨后在運(yùn)動(dòng)中受到的阻力均可不計(jì).圖中L=10.00m,R=0.32m,h=1.25m,s=1.50m.問(wèn):要使賽車完成比賽,電動(dòng)機(jī)至少工作多長(zhǎng)時(shí)間?(取g=10m/s2)

圖5

該題主要涉及圓周運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng),按題意“要使賽車完成比賽”,既要確保賽車能通過(guò)圓軌道最高點(diǎn),又要確保賽車能飛越壕溝.因此,只要依據(jù)恒定功率做功下的動(dòng)能定理,先計(jì)算出賽車剛好能過(guò)圓軌道最高點(diǎn)情況下電動(dòng)機(jī)需要的工作時(shí)間,再計(jì)算出賽車剛好能飛越壕溝情況下電動(dòng)機(jī)需要的工作時(shí)間,取時(shí)間長(zhǎng)者即可.經(jīng)過(guò)這樣的定性分析,既降低了題意理解上的難度,又理清了解題思路.

應(yīng)該說(shuō),定性分析的教育價(jià)值遠(yuǎn)不止以上所述,但我們不難由此體會(huì)到定性分析與定量分析是辨證統(tǒng)一的,定性分析是定量分析的前提、保障,脫離了“質(zhì)”的定量分析往往容易迷失方向,變成單純的數(shù)學(xué)游戲;定量分析使定性分析更加科學(xué)、精確,脫離了“量”的定性分析往往不夠深入.因此,在教學(xué)中,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生定性分析與定量分析并重,有機(jī)結(jié)合,才能最大程度地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).

1 趙凱華.定性與半定量物理學(xué)[M].北京： 高等教育出版社,1991：87-88.

2 沈金林.關(guān)于理性思辯的哲學(xué)思考與探究應(yīng)用例析[J].物理教師，2005(1)：1-4.

3 宋藝華.例談物理學(xué)中的定性分析與定量分析[J].物理教師，2009(5)：41-42.

2016-10-10)