試論牛頓第一定律的學(xué)習(xí)機(jī)制與教學(xué)

劉紫微 陳 剛

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院,上海 200062)

當(dāng)前教學(xué)論領(lǐng)域主要有兩類研究取向:基于哲學(xué)和教學(xué)實踐經(jīng)驗總結(jié)的教學(xué)論,和基于學(xué)習(xí)心理學(xué)和實證研究的教學(xué)論.哲學(xué)經(jīng)驗取向的教學(xué)論確實提出了“學(xué)生為本”“量力施教”等符合教學(xué)規(guī)律的教學(xué)原則,但對具體一節(jié)課的規(guī)劃缺乏直接指導(dǎo)性.[1]學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示出了學(xué)習(xí)的內(nèi)部機(jī)制,證明學(xué)生學(xué)習(xí)的過程實則是進(jìn)行信息加工的過程,符合學(xué)習(xí)機(jī)制的教學(xué)才是有效的教學(xué),這為教學(xué)指明了方向.[2]

1 物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)機(jī)制

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映,是物理事物的抽象.物理規(guī)律是物理現(xiàn)象、過程在一定條件下發(fā)生、發(fā)展和變化的必然趨勢及其本質(zhì)聯(lián)系的反映.[3]學(xué)習(xí)心理學(xué)表明,學(xué)生是經(jīng)歷理論分析或?qū)嶒灇w納途徑,通過一系列邏輯加工過程習(xí)得物理概念和規(guī)律意義的.基本的邏輯加工機(jī)制主要有探究因果聯(lián)系的穆勒五法(求同法、差異法、求同求異法、剩余法和共變法)及演繹推理.[4]

以共變法為例.共變法是通過考察被研究現(xiàn)象發(fā)生變化的若干場合中,確定是否只有一個情況發(fā)生相應(yīng)變化,如果是,那么這個發(fā)生了相應(yīng)變化的情況與被研究現(xiàn)象之間存在因果聯(lián)系.[2]其結(jié)構(gòu)如表1.

表1 共變法的邏輯結(jié)構(gòu)

2 牛頓第一定律的學(xué)習(xí)機(jī)制

2.1 學(xué)習(xí)中獲得的結(jié)論

牛頓第一定律的內(nèi)容為:一切物體在沒有受到力的作用時,總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài).為總結(jié)得出牛頓第一定律,實際教學(xué)中應(yīng)獲得如下兩個子結(jié)論.

結(jié)論1:原先靜止的物體,不受外力,將保持靜止.

結(jié)論2:原先運動的物體,不受外力,將保持勻速直線運動.

2.2 結(jié)論獲得的基本機(jī)制

2.2.1 結(jié)論1的學(xué)習(xí)機(jī)制

生活中有很多相關(guān)事例,因此可選擇理論分析途徑,引導(dǎo)學(xué)生舉例,如靜止放置在桌面的文具盒、靜止放置在地面的紙箱、靜止懸掛在墻面的相框,不對其施加外力,它們?nèi)员３朱o止.再通過求同法獲得結(jié)論1,此為推理1.

2.2.2 結(jié)論2的學(xué)習(xí)機(jī)制

從初中教材中可看出,這一結(jié)論的獲得采用實驗歸納途徑.通過單斜面實驗獲得子結(jié)論2.1,即物體運動距離與所受阻力大小之間的關(guān)系.這一結(jié)論是通過共變法獲得的(如表2).

表2 運用共變法獲得結(jié)論2.1

由結(jié)論2.1獲得結(jié)論2需要運用極限推理,其基本思想是:若A和B有關(guān),且有程度上的連續(xù)變化,可通過將B條件極端化(極大或極小),從而推測在此條件下A所達(dá)情形.由于B條件極端化,往往在現(xiàn)實生活中無法實現(xiàn),故也可稱為“理想實驗法”.

因此,在學(xué)生獲得結(jié)論2.1后,教師可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行極限推理(推理3):物體運動距離與物體所受阻力大小有關(guān),阻力越小,物體運動距離越遠(yuǎn).則若物體不受阻力,物體運動距離將無限遠(yuǎn),即物體將一直運動下去.且因為沒有影響其運動的因素,物體將保持原來的速度勻速直線運動下去.

高中教材選用了與初中形式不一的雙斜面拼接實驗,則相應(yīng)的學(xué)習(xí)機(jī)制如下.

(1) 通過共變法獲得子結(jié)論:“物體沖上另一斜面到達(dá)的高度與所受阻力大小有關(guān),阻力越小,物體到達(dá)高度越接近原高度”.

(2) 通過極限推理獲得子結(jié)論:“若沒有摩擦,物體沖上另一斜面時將能上升到原高度”.

(3) 減小右側(cè)斜面傾角,再運用一次極限推理得到結(jié)論2.

2.3 學(xué)習(xí)機(jī)制討論

2.3.1 初、高中的學(xué)習(xí)機(jī)制一致

由上述分析可知,雖然初、高中教材選用了不同的實驗裝置,但都是通過求同法獲得結(jié)論1,通過共變法和極限推理獲得結(jié)論2.初、高中所獲結(jié)論和邏輯過程是一致的,表明其學(xué)習(xí)機(jī)制是一致的.

2.3.2 不宜擴(kuò)大理想實驗法的適用范圍

“理想實驗法”時常與“牛頓第一定律”一起被提及.但目前許多教材和教師擴(kuò)大了理想實驗法的適用范圍,夸大了它的作用.如人教版高中物理教材中對“理想實驗”的描述為:當(dāng)然,我們不能消除一切阻力,也不能把第二個斜面做得無限長,所以伽利略的實驗是個“理想實驗”.[5]這樣的描述易使學(xué)生誤認(rèn)為伽利略的這項研究就只用到了理想實驗法.

實際上,理想實驗是人們以真實的科學(xué)實驗為基礎(chǔ),以邏輯法則為依據(jù),運用豐富的想象力,在思維中設(shè)計出的“實驗過程”.因此也可以說,理想實驗法是人們借助于邏輯推理,在思想上塑造的一個假想的、理想化過程.[6]即如前文所述,理想實驗法的核心實際是“極限推理”這一邏輯推理方法,它只用在由子結(jié)論推導(dǎo)出結(jié)論2的環(huán)節(jié).

盡管理想實驗法對正確認(rèn)識物體運動狀態(tài)與受力間的關(guān)系而言十分關(guān)鍵,但畢竟首先要得出物體運動與摩擦阻力之間的關(guān)系,而這一結(jié)論顯然是遵循物理研究的方法實現(xiàn)的.也就是說伽利略的研究整體上是遵循了科學(xué)研究的一般方法,只是在特定環(huán)節(jié)中運用了理想實驗法.因此,教師應(yīng)在教學(xué)中給學(xué)生講清楚研究的各個環(huán)節(jié)采用的方法,并幫助學(xué)生正確理解理想實驗法,不宜擴(kuò)大理想實驗法的適用范圍,夸大其在此實驗中的作用.

3 牛頓第一定律的教學(xué)

“牛頓第一定律”在初、高中重復(fù)出現(xiàn),雖然兩階段學(xué)習(xí)機(jī)制一致,但在教學(xué)重點上可以有所差異.

3.1 初中教學(xué)

學(xué)生在初中初次接觸牛頓第一定律,因此應(yīng)以獲得結(jié)論為核心目標(biāo).加之教材上已給出明確的實驗設(shè)計,因此教學(xué)重點可聚焦在執(zhí)行實驗獲得數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)獲得結(jié)論兩個環(huán)節(jié),著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維,讓學(xué)生學(xué)會用推理的方式獲得結(jié)論,并掌握牛頓第一定律的內(nèi)容與內(nèi)涵.

3.2 高中教學(xué)

學(xué)生在高中再次接觸牛頓第一定律時,對其內(nèi)容已有所了解,故而重點不應(yīng)仍為知識點教學(xué).可以在快速回顧完牛頓第一定律的內(nèi)容后,著重介紹亞里士多德和伽利略兩者的研究方法,分析兩者研究的異同和意義.如此將有助于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),讓學(xué)生形成物理觀念,內(nèi)化經(jīng)典物理運動觀的同時,還能形成科學(xué)思維,習(xí)得科學(xué)研究的方法、科學(xué)推理及科學(xué)論證.

3.2.1 亞里士多德的研究方法

為了解釋“推動物體的力不再作用時,原來運動的物體就要靜止下來”這種事實,亞里士多德學(xué)派提出:所有物體都存在一個“自然狀態(tài)”,“靜止”就是地面上物體的“自然狀態(tài)”.物體要違逆“自然狀態(tài)”作受迫運動,必須要外在作用來維持.[7]

因此,亞里士多德學(xué)派通過類似前文推理1的方法得出了結(jié)論1:地面上原先靜止的物體,不受外在作用時,將保持靜止.又通過否定后件式的三段論演繹推理獲得了結(jié)論2:地面上原先運動的物體,不受外在作用時,將回到靜止.邏輯過程如表3.

表3 演繹推理獲得結(jié)論2的邏輯過程

也就是說,亞里士多德關(guān)于運動的研究,采用的是理論分析的研究方法,運用了三段論演繹推理.該研究方法本身是沒有錯的,只是因為演繹推理的大前提是亞里士多德提出的先驗性前提,無法判斷真?zhèn)?才導(dǎo)致了結(jié)論的錯誤.

3.2.2 伽利略的研究方法

伽利略不認(rèn)同亞里士多德的觀點,他認(rèn)為亞里士多德關(guān)于地面物體運動的錯誤之處在于沒有注意摩擦的影響.因此,伽利略先通過斜面實驗得出了摩擦與物體運動間的關(guān)系(類似前文推理2),再通過理想實驗法(類似前文推理3)得出結(jié)論:運動的物體不受外在作用時,將一直運動下去.

可見,伽利略關(guān)于運動的研究,采用的是實驗法的研究方法,但在獲得結(jié)論時,也是運用了邏輯推理的方法.與亞里士多德的先驗性前提不同的是,伽利略首次采用實驗的方法,得出了正確的大前提,從而確保了邏輯推理得出的結(jié)論正確.

3.2.3 兩者研究的異同

亞里士多德和伽利略的研究有一些相似之處,如:都是對未知世界規(guī)律性的解釋;都以客觀世界為認(rèn)識對象;都遵循邏輯.

兩者的研究也存在差異.亞里士多德倡導(dǎo)邏輯理性的研究方法,認(rèn)為分析學(xué)或邏輯學(xué)是一切科學(xué)的工具.但由于大前提大多是無法確定真?zhèn)蔚南闰炐郧疤?并未提出一個可以確定前提客觀性的判定標(biāo)準(zhǔn)或方法,所以研究中總會有許多錯誤的認(rèn)識和結(jié)論.伽利略改進(jìn)了研究方法,其推理的大前提都是有實驗或事實基礎(chǔ)的,并以符合人類邏輯機(jī)制的方式推理獲得結(jié)論.

伽利略的重大貢獻(xiàn)與其說是對亞里士多德理論的修改,不如說是方法上的重大突破.實驗法、理想實驗等方法逐漸形成并得以在研究中確立起來,科學(xué)的研究方法逐漸形成,進(jìn)而使物理走上了獨立發(fā)展的道路,并開創(chuàng)了近代科學(xué).

本文基于學(xué)習(xí)心理學(xué)分析牛頓第一定律的學(xué)習(xí)機(jī)制,是新穎的研究視角,目前少有此類研究.依據(jù)學(xué)習(xí)機(jī)制,明確了理想實驗法的適用范圍及核心,提出了初、高中教學(xué)建議,有利于學(xué)生正確理解牛頓第一定律及理想實驗法,且對發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)具有十分積極的意義.