還原規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程 發(fā)展理性思維能力

【摘 要】結(jié)合“折射定律”的教學(xué)實(shí)踐，闡述“還原規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程”的教學(xué)策略對于發(fā)展學(xué)生理性思維能力的必要性，以促進(jìn)高中物理規(guī)律教學(xué)的創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】還原 發(fā)現(xiàn)過程 教學(xué)實(shí)踐 理性思維

物理學(xué)是文藝復(fù)興時期在歐洲建立的，物理學(xué)和天文學(xué)一起是最早建立起來的自然科學(xué)，其他學(xué)科的建立要晚一兩個世紀(jì)。物理學(xué)從建立的那天起就是一門既有縝密的實(shí)驗(yàn)或觀測，又有以數(shù)學(xué)為手段的理論思維的嚴(yán)格科學(xué)。物理學(xué)給人類最重要的貢獻(xiàn)就是物理學(xué)獨(dú)特的思維方法。物理思維方法是物理學(xué)的核心，它體現(xiàn)了物理學(xué)的獨(dú)特的價值和無窮的魅力。從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的角度來看，優(yōu)秀的思維品質(zhì)是學(xué)生最重要的素養(yǎng)。因此，教師在傳授物理學(xué)科知識的同時，最重要的任務(wù)是教導(dǎo)學(xué)生科學(xué)的思想方法，要讓學(xué)生進(jìn)入物理思維的世界，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的習(xí)慣，那就是重證據(jù)，重理性思維（即邏輯思維）。[1]

數(shù)學(xué)家華羅庚對他的學(xué)生這樣說：“學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，最好是到數(shù)學(xué)家的字紙簍里去找材料?！逼鋵?shí)，學(xué)習(xí)物理又何嘗不該如此？字紙簍里的草稿紙上蘊(yùn)含著科學(xué)家卓越的智慧、深邃的思想、科學(xué)的思維過程，還有探索發(fā)現(xiàn)的艱辛歷程。因此，物理課上，筆者經(jīng)常喜歡問的一個問題是：“物理學(xué)家是怎樣知道的？”比如，盧瑟福是怎樣知道原子的結(jié)構(gòu)的？楞次怎么會想到用感應(yīng)電流的磁場B′這個“中介”來描述感應(yīng)電流I感的方向與原磁通變化△Φ0的關(guān)系的？開普勒是怎樣發(fā)現(xiàn)行星的公轉(zhuǎn)周期與軌道半長軸之間的定量關(guān)系的？物理學(xué)家怎么會想到用左手來判斷安培力、磁場、電流三者之間的方向關(guān)系的？等等。

“折射定律”的發(fā)現(xiàn)過程蘊(yùn)含著“抽象與概括、分析與綜合、推理與判斷”等最基本的科學(xué)思維方法，是很有“發(fā)現(xiàn)價值”的教學(xué)內(nèi)容。

一、發(fā)現(xiàn)“折射定律”的教學(xué)實(shí)踐

筆者結(jié)合“折射定律”的教學(xué)實(shí)踐，闡述“還原規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程”的教學(xué)策略對于發(fā)展學(xué)生理性思維能力的必要性，以促進(jìn)高中物理規(guī)律教學(xué)的創(chuàng)新。

（一）提出問題

光從空氣斜射入水（或玻璃）中，入射角i（以下稱空氣角i）增大時，折射角r（以下稱介質(zhì)角r）也隨之增大，那么介質(zhì)角r與空氣角i之間究竟存在怎樣的定量關(guān)系？

（二）收集數(shù)據(jù)

為了能夠方便地測出光在玻璃磚中的介質(zhì)角r，教師事先要指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用插大頭針的方法（如圖1所示）確定入射光線和折射光線，從而可以利用量角器測出空氣角i和介質(zhì)角r的度數(shù)。

考慮到一節(jié)課45分鐘的限制，如果讓每一位學(xué)生都測量表1中全部的9組數(shù)據(jù)，會花費(fèi)很多的課堂時間，而本節(jié)課的核心內(nèi)容在于，如何尋找介質(zhì)角r和空氣角i之間的定量關(guān)系，即如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理，并從中體驗(yàn)科學(xué)家研究問題的思維方法。因此，筆者將學(xué)生分為8個小組（每個小組4位同學(xué)），每個實(shí)驗(yàn)小組只需要測量表1中第2至第9組中的一組數(shù)據(jù)。

（三）分析論證

師：表格中的數(shù)據(jù)一定蘊(yùn)含著介質(zhì)角r和空氣角i之間的定量關(guān)系，它會是一種怎樣的定量關(guān)系呢？

生：r∝i，r∝i2，r∝i3，……

師：研究問題一般都是從簡單到復(fù)雜，所以先假設(shè)r∝i。如何方便、快捷地處理和分析表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呢？

生：作圖法——利用Excel的圖表功能作出如圖2所示的介質(zhì)角r和空氣角i的關(guān)系圖象。從圖象明顯看出，r與i之間并不是簡單的正比關(guān)系。

師：提醒學(xué)生，圖2所示的圖象除了告訴我們介質(zhì)角r和空氣角i不是簡單的正比關(guān)系之外，能否為我們進(jìn)一步探究r與i的定量關(guān)系提供一些啟發(fā)呢？

生1：圖2所示的圖象是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的曲線，說明有可能是r2∝i，r3∝i，……

生2：根據(jù)圖2所示的圖像，可以發(fā)現(xiàn)：在空氣角i小于30度時，圖象是過坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線，即介質(zhì)角r和空氣角i是成正比關(guān)系的，但在空氣角i大于30度時，圖象變?yōu)榍€，介質(zhì)角r和空氣角i就不是正比關(guān)系了。因此，我認(rèn)為r2∝i，r3∝i，……是不合理的猜想。

師對學(xué)生2“不平?！钡陌l(fā)現(xiàn)表示祝賀，并進(jìn)一步指出：學(xué)生乙的發(fā)現(xiàn)與當(dāng)年開普勒研究折射現(xiàn)象時的發(fā)現(xiàn)是一樣的，真所謂“英雄所見略同”。開普勒在1611年出版的《折射光學(xué)》中記錄了自己的發(fā)現(xiàn)：對于兩種給定的媒質(zhì)，小于30度的入射角同相應(yīng)的折射角成近似固定的比，對于玻璃或水晶，這個比約為3∶2。但這個比對于大的入射角不成立。開普勒試圖通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)精確的折射定律，他的方法雖然是正確的，卻沒有得到其中有規(guī)律性的聯(lián)系。但是，開普勒的研究為后來斯涅耳發(fā)現(xiàn)折射定律起到了重要的啟示作用——轉(zhuǎn)變探究的思路，不直接尋找介質(zhì)角r和空氣角i之間的定量關(guān)系。

生：斯涅耳是怎樣發(fā)現(xiàn)折射定律的呢？

師：斯涅耳注意到了水中的物體看起來變淺了（即初中物理學(xué)習(xí)過的“眼睛受騙”），并試圖揭開其中的奧秘。通過研究，斯涅耳發(fā)現(xiàn)：①觀察水中的物體A時，我們看到的是位于實(shí)際物體正上方的物體的虛像A′，原理如圖3所示；②對于任意光線，OA∶OA′等于常數(shù)。請同學(xué)們想一想，斯涅耳的發(fā)現(xiàn)能否間接說明介質(zhì)角r和空氣角i之間的定量關(guān)系呢？如果能，那是怎樣的定量關(guān)系？

（四）發(fā)現(xiàn)規(guī)律

生交流討論后回答：如圖4所示，空氣角i和介質(zhì)角r分別屬于△OA′B′和△OAB，根據(jù)三角函數(shù)的知識可以知道：OA=，OA′=，因=常數(shù)，則=常數(shù)。

師充分肯定學(xué)生的發(fā)現(xiàn)，并指出：=n（常數(shù)），就是光的折射定律，亦可稱之為斯涅耳定理，其中n為介質(zhì)的折射率。

二、關(guān)于“折射定律”的教學(xué)探討

對于折射定律的教學(xué)，若采用傳統(tǒng)教學(xué)的方式進(jìn)行，教師會直接要求學(xué)生根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，利用計算器逐一計算出，從而得到折射定律=n（常數(shù)）。上述教學(xué)過程一定是順暢的，規(guī)律的得出也是“水到渠成”的。表面上，學(xué)生在課堂上也經(jīng)歷了探究，學(xué)習(xí)的氛圍也是熱鬧的，但事實(shí)上，學(xué)生的思維是冷卻的。這是因?yàn)?，絕大多數(shù)學(xué)生對于“折射定律”的學(xué)習(xí)存在邏輯思維上的障礙，即學(xué)生會問：物理學(xué)家為什么會想到計算？這樣的教學(xué)過程顯然缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评磉^程，顯得蒼白無力，更無法落實(shí)新課標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)。

鑒于以上分析，筆者認(rèn)為，在物理規(guī)律教學(xué)之前，教師往往需要研究物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，需要對教學(xué)素材進(jìn)行重新組織與完善，以學(xué)生原有的知識水平為起點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)與規(guī)律的真實(shí)發(fā)現(xiàn)過程相似的情境，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的過程，[2]體驗(yàn)科學(xué)家的理性思維過程，汲取他們的智慧，并使之成為學(xué)生科學(xué)思維活動的源頭活水，不斷提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，豐富學(xué)生的思維品質(zhì)。這就是“還原規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程”的教學(xué)策略對于發(fā)展學(xué)生理性思維能力的必要性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙凱華.公民的科學(xué)素養(yǎng)與物理教學(xué)[J].物理教學(xué)探討，2003（1）：2

[2]王俊.“開普勒第三定律”的創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐與探討[J].物理通報，2012（3）：62

（作者單位：江蘇省揚(yáng)州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校，江蘇省揚(yáng)州市第一中學(xué)）