物理科學(xué)思維及其培養(yǎng)

張德炳

摘 要： 本文闡述物理課程中的比較思維、類比思維和設(shè)計(jì)思維以及對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)思維；比較思維；類化思維；設(shè)計(jì)思維

物理是融科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法與科學(xué)思維為一體的自然科學(xué)課程 [1 ]。如“牛頓第一定律”的建立，教材是設(shè)計(jì)如下斜面實(shí)驗(yàn)：讓一滑塊在同一斜面的同一高度自由滑下，然后在不同粗糙程度的水平面上滑行，水平面越光滑，滑塊滑行的距離就越長(zhǎng)。由此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行下面一系列的推理：①滑塊由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止是由于受到摩擦阻力的作用；②在水平面運(yùn)動(dòng)的物體，如果不受摩擦阻力的作用，那么物體將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去；③如果不受力的作用，物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”就是科學(xué)知識(shí)，“控制滑塊下滑條件”的實(shí)驗(yàn)就是科學(xué)方法，而由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行推理就是科學(xué)思維過程。應(yīng)該說，物體在水平面滑動(dòng)的事實(shí)是人們司空見慣的一種生活現(xiàn)象，然而伽利略卻能設(shè)置特定的斜面實(shí)驗(yàn)并透過運(yùn)動(dòng)的表面現(xiàn)象而發(fā)現(xiàn)“力和運(yùn)動(dòng)”的本質(zhì)聯(lián)系，這就是科學(xué)方法和科學(xué)思維的力量?？梢?，在人們認(rèn)識(shí)并改造自然的實(shí)踐活動(dòng)中，科學(xué)方法與科學(xué)思維比科學(xué)知識(shí)更重要，這也正是物理課程倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)所在，即重視科學(xué)方法的領(lǐng)悟與科學(xué)思維的培養(yǎng)。本文就物理課程中幾種科學(xué)思維及其對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)，談?wù)剛€(gè)人的認(rèn)識(shí)。

1 比值概念中的比較思維

比值概念，在物理量的定量描述方面，指某一個(gè)量等于其它兩個(gè)量的比值。如密度ρ=、功率P=、電阻R=等。用比值方法來定量描述概念，不僅是物理中最常見的一種科學(xué)方法，也是其它學(xué)科的常見方法，如化學(xué)中的“溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=溶質(zhì)的質(zhì)量/溶液的質(zhì)量”、經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率=當(dāng)年的經(jīng)濟(jì)總增長(zhǎng)量/上一年經(jīng)濟(jì)總量”等。應(yīng)該說，物理中的比值概念，它體現(xiàn)的是某種事物的過程特征或?qū)傩蕴卣鞯取?/p>

比值概念C=的認(rèn)知基礎(chǔ)是理解“”的含義，如速度概念，關(guān)鍵是能把“”理解為單位時(shí)間物體所所通過的路程，而要形成這樣的理解又在于如何辨析運(yùn)動(dòng)快慢中的比較思維。所謂比較思維，就是指“同中辨異”或“異中求同”的思維方法，并從中發(fā)現(xiàn)問題的特征或特性。[2 ]在速度概念的建構(gòu)中，教材是引導(dǎo)學(xué)生通過“比一比，跑一段相同的路程，看誰先到達(dá)終點(diǎn)”和“比一比，用相同的時(shí)間，看誰跑的路程長(zhǎng)”來領(lǐng)悟比較運(yùn)動(dòng)快慢的方法，然后教材就直接陳述：“在物理學(xué)中，將物體在一段時(shí)間內(nèi)通過的路程與這段時(shí)間的比值稱為速度”，至于為什么可以利用路程與時(shí)間比值形式來表征運(yùn)動(dòng)的快慢，學(xué)生仍是一知半解。正是由于教材的這種編排，教師們很少在突破這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)問題上下功夫，以至錯(cuò)過了培養(yǎng)比較思維的教學(xué)良機(jī)。

對(duì)于促進(jìn)學(xué)生對(duì)速度比值概念的建構(gòu)，教學(xué)中可以設(shè)計(jì)如下定量分析問題：

問題：物體A、B、C分別在水平面上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間與所通過的路程分別為：sA=300m，tA=20s，sB=300m，tB=30s，sC=450m，tC=30s，哪個(gè)物體運(yùn)動(dòng)最快，哪個(gè)物體運(yùn)動(dòng)最慢？

對(duì)于A和B，學(xué)生可以通過“路程相同，比較時(shí)間長(zhǎng)短”來比較兩者的運(yùn)動(dòng)快慢，對(duì)于B和C，學(xué)生也可以通過“時(shí)間相同，比較路程長(zhǎng)短”來比較兩者的運(yùn)動(dòng)快慢，顯然，這兩種比較方法均是“同中辨異”的比較思維。然而對(duì)于A和C，時(shí)間和路程均不同，如何比較，學(xué)生往往不知所措，如果教學(xué)中提出“如何將A和C的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為‘時(shí)間相同或路程相同的情形來進(jìn)行比較”的問題，那么學(xué)生就有可能想到利用“”的方法來計(jì)算“單位時(shí)間里通過的路程”，或想到利用“”的方法來計(jì)算“單位路程里所用的時(shí)間”來比較兩者的運(yùn)動(dòng)快慢。顯然，這時(shí)學(xué)生對(duì)描述運(yùn)動(dòng)快慢的比值概念就會(huì)有著本質(zhì)性的理解，這就是培養(yǎng)學(xué)生比較思維的有效教學(xué)。

2 問題分析中的類化思維

利用已有知識(shí)與方法來分析并認(rèn)識(shí)新問題，即“以舊探新”的方法是學(xué)生開展有效學(xué)習(xí)的具體表現(xiàn)，然而學(xué)生能否將新問題轉(zhuǎn)化為自己所熟悉的問題，其中去決定性作用的是學(xué)生的類化思維。所謂類化思維，就是指把新問題直接類同為熟悉的問題，或通過合理的變換而轉(zhuǎn)化為已知的問題并納入已有的知識(shí)建構(gòu)中來認(rèn)識(shí)新問題的思維方法 [2 ]。如“壓強(qiáng)”概念，它與“壓力”和“受力面積”這兩個(gè)因素有關(guān)，其中一個(gè)是正相關(guān)關(guān)系，另一個(gè)反相關(guān)關(guān)系，而速度概念也正好是與“路程”正相關(guān)而與“時(shí)間反相關(guān)”，因此壓強(qiáng)概念就可以直接類同于速度概念的來理解，即壓力與受力面積的比值就可以描述壓強(qiáng)的作用效果。而對(duì)于滑動(dòng)摩擦力大小概念，它也與壓力和接觸面的粗糙程度兩個(gè)因數(shù)有關(guān)，但它們都是正相關(guān)的關(guān)系，所以它就不能類同于速度概念來認(rèn)知，也不能用“壓力/動(dòng)摩擦因素”的比值關(guān)系來描述摩擦力大小概念。再如在學(xué)生學(xué)習(xí)了“二力平衡”知識(shí)后提出“三力平衡”問題，如果學(xué)生能把其中的兩個(gè)力等效看作是一個(gè)力，而且能領(lǐng)悟到這個(gè)等效力與第三個(gè)力“大小相等且方向相反”，那么這就是類化思維以促進(jìn)認(rèn)知的效果。至于這個(gè)等效力與這兩個(gè)力具有怎樣的關(guān)系，或怎樣求算這個(gè)等效力，這正是促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新問題并提出新問題且開展進(jìn)一步探究性學(xué)習(xí)的起步。

類化思維不僅在促進(jìn)學(xué)生分析并認(rèn)知新問題方面有著良好的作用，而且在引導(dǎo)學(xué)生分析與解決問題方面也有這獨(dú)特的效果。如《光的折射》，教材是以“鉛筆的一段置于裝有水的杯中，鉛筆在水面處‘折斷，水中的那一段明顯變粗”的現(xiàn)象作為課題導(dǎo)入，對(duì)于水中那段明顯“變粗”現(xiàn)象，學(xué)生往往感到困惑，然而在學(xué)習(xí)了《科學(xué)探究：凸透鏡成像》課題后，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生分析“變粗”原因，如果學(xué)生能把水杯類化為凸透鏡，那么學(xué)生就能立即能領(lǐng)悟鉛筆“變粗”是凸透鏡成放大虛像的原因。

對(duì)學(xué)生類化思維的培養(yǎng)，教學(xué)中要有意識(shí)地滲透思維訓(xùn)練。如在《壓力的作用效果》課題教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生算出了一張報(bào)紙平放在水平桌面所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為0.5Pa后，再要求學(xué)生估算物理課本放在桌面上所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，如果學(xué)生能采用“課本總頁面數(shù)÷2”而迅速地估算出壓強(qiáng)值，這何以不是類化思維而形成的計(jì)算智慧！

從類化思維的形式而言，它可以分為物理模型的類化（如水杯類化為凸透鏡）、物理?xiàng)l件的類化（如三力平衡類化為二力平衡）、事物特征的類化（如壓強(qiáng)比值特征類化為速度比值特征）、研究對(duì)象的類化（如把課本對(duì)桌面的壓強(qiáng)類化為一疊報(bào)紙對(duì)桌面的壓強(qiáng)），等等。但不論哪一種類化形式，兩者之間必定存在著某種相同點(diǎn)或相似，而這種相同點(diǎn)或相似點(diǎn)正是形成類化思維的基礎(chǔ)，教學(xué)中必須讓學(xué)生對(duì)此有著明確的認(rèn)識(shí)。

3 科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)思維

物理是以生活事實(shí)為基礎(chǔ)并以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為主要手段的科學(xué)課程，不論是物理概念的形成或建構(gòu)，還是物理規(guī)律的導(dǎo)出，幾乎都離不開科學(xué)實(shí)驗(yàn)。教材中的實(shí)驗(yàn)探究過程，既是前人科學(xué)探究過程的模擬再現(xiàn)，也是學(xué)生獲取知識(shí)并提升科學(xué)素養(yǎng)的學(xué)習(xí)過程。尤其是其中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理與方法，不僅是前人科學(xué)家的科學(xué)思維與智慧的結(jié)晶，而且是啟迪學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維的良好載體。

誠(chéng)然，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一種創(chuàng)造性的活動(dòng)，教材實(shí)驗(yàn)中的奇思妙想，它可能是科學(xué)家數(shù)日或數(shù)月乃至數(shù)年的思維產(chǎn)物，更多的是課程研究專家對(duì)前人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改造并使得實(shí)驗(yàn)原理與方法達(dá)到了至善至美。然而要求學(xué)生在有限的課堂學(xué)習(xí)時(shí)間里想到能與教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相媲美的實(shí)驗(yàn)方案，確實(shí)有天方夜譚之嫌。作為促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)形成的物理課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)思維，不僅關(guān)乎課程的教育效益，更關(guān)乎科學(xué)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)乃至國(guó)家與民族的振興。在課堂學(xué)習(xí)過程中，雖然學(xué)生對(duì)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不如教材，或欠妥，甚至幼稚，但它仍然是對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一種經(jīng)歷，一種體驗(yàn)，而這種經(jīng)歷與體驗(yàn)中反思或教訓(xùn)正是催發(fā)智慧性思維的酵母，隨著訓(xùn)練的增多，學(xué)生的對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思維能力自然會(huì)得到一定的提升。

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是使學(xué)生有著明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模龑?dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕虒W(xué)原則是促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)問題的猜想，一旦猜想正確，那么實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)僅是有關(guān)知識(shí)與方法的靈活運(yùn)用。即使所設(shè)計(jì)的方案欠妥，但它離科學(xué)創(chuàng)造的河岸也距之不遠(yuǎn)。

促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)問題的猜想，它可以是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)事物或現(xiàn)象的認(rèn)真觀察，也可以是教師創(chuàng)設(shè)某種問題情境或提出具有啟發(fā)性的問題而加以暗示。如“研究平面鏡成像特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教學(xué)中就可以讓學(xué)生認(rèn)真觀察物體在平面鏡中的所成的像，如果學(xué)生能猜想到“物像大小相等”和“物像到鏡面的距離相等”，那么學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思考就會(huì)聚焦在“如何確定像的位置”和“如何比較物像的大小”這兩個(gè)問題上，如果教師再展示既可以成像又可以透視的毛玻璃，那么學(xué)生們就可能設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案。再如促進(jìn)學(xué)生對(duì)“阿基米德原理”的猜想，教學(xué)中就可以創(chuàng)設(shè)這樣的問題情境：以推導(dǎo)液體壓強(qiáng)公式中的液柱為研究對(duì)象，然后提出如下問題：這個(gè)液柱受到那些力的作用（液柱側(cè)面受到的壓力互相抵消，豎直方向受到液柱重力與液體浮力這兩個(gè)力的作用）？你能猜想到浮力的大小與什么因素有關(guān)？這是一種教學(xué)暗示，如果學(xué)生能猜想到浮力等于所排開液體的重力，那么學(xué)生就能形成對(duì)探究“阿基米德原理”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的頓悟或靈感。從思維培養(yǎng)的角度而言，既可以啟迪學(xué)生對(duì)模型建構(gòu)的抽象思維，又可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思維。

物理科學(xué)思維是人類思維智慧的寶貴結(jié)晶，它是物理課程的精髓，不僅能引導(dǎo)人們探索自然并改造自然，更是人們從事現(xiàn)代化技術(shù)創(chuàng)造發(fā)明的有力武器。它可以使知識(shí)變活，更可以給知識(shí)賦予強(qiáng)大的力量。因而，注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，是物理課程教學(xué)貫徹創(chuàng)新教育的具體表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王較過.物理教學(xué)論[M].西安：陜西師范大學(xué)出版社， 2009：2-3.

[2]黃建明.科學(xué)思維法[M].成都：四川辭書出版社，2007：132-143.