張義 馮興 汪建 殷鵬飛 孫希媛 王開明
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系 四川 雅安 625014)
在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,知識(shí)的獲取已非常便捷,大學(xué)的任務(wù)已逐漸從知識(shí)的傳授向能力的培養(yǎng)方向發(fā)展.教育部在2010年頒布的《高等學(xué)校應(yīng)用物理學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中首次強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生敢于和善于提出問題的能力,具有獨(dú)立思考和批判精神,創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維[1].因此好的教師應(yīng)該是一個(gè)激勵(lì)者,善于激活學(xué)生的思維和大腦,激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑.那么如何激發(fā)出學(xué)生的問題呢?有專家將課堂問答分為以學(xué)為中心和以教為中心的課堂問答過程[2].傳統(tǒng)的以教為中心的課堂問答中,教學(xué)內(nèi)容是固定的,不僅學(xué)生無疑問,教師也無,教師只是教材內(nèi)容的忠實(shí)傳遞者.在這個(gè)過程中,學(xué)生只是被動(dòng)地思考問題,思想和情緒很平淡,因此很難激發(fā)學(xué)生主動(dòng)提出問題.而在以學(xué)為中心的課堂問答過程中教學(xué)內(nèi)容不僅僅是書本上已有的知識(shí)點(diǎn),更是開放性的、探索性的、跟生活緊密聯(lián)系的問題.學(xué)生在遇到這些開放性問題時(shí)會(huì)感到驚訝、困惑、好奇或興奮,而往往這樣更能啟迪思維,激發(fā)智力.
筆者從開放性提問的角度出發(fā),以大學(xué)物理課程中的力學(xué)和光學(xué)內(nèi)容為例,通過結(jié)合科學(xué)發(fā)展史、挖掘習(xí)題深度、設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)、工程案例教學(xué)4種方式,討論了如何挖掘開放性問題,激發(fā)學(xué)生的疑問,培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力.
科學(xué)發(fā)展的過程就是批判性的、不斷接近真理事實(shí)的過程,質(zhì)疑精神對(duì)于自然科學(xué)的發(fā)展至為重要.例如,隨著物理理論的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)幾何光學(xué)中光的直線傳播定律只有在一定前提下才成立[3].因此可在課堂上沿著光的傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)過程依次提出問題,首先問:光在均勻媒質(zhì)里一定沿直線傳播嗎?我們知道光的直線傳播定律必須在光波波長遠(yuǎn)小于障礙物尺寸的前提下才能成立,否則會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象,光會(huì)傳播到幾何陰影中去.由于中學(xué)時(shí)代有學(xué)生已經(jīng)了解了光的衍射,因此部分學(xué)生能夠回答出衍射現(xiàn)象不滿足直線傳播定律的反例.但隨著近代愛因斯坦相對(duì)論的創(chuàng)立,光的傳播規(guī)律又受到了更深刻的撼動(dòng),根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論,質(zhì)量非常大的物體會(huì)導(dǎo)致周圍的時(shí)空彎曲,并使得光線發(fā)生偏折.這個(gè)預(yù)言也在1919年通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:實(shí)驗(yàn)人員觀測了視線掠過太陽附近所看到的恒星位置,證明太陽引力導(dǎo)致恒星光線偏折了1.61弧秒,偏折角度與愛因斯坦所作的預(yù)言非常接近[4].因此可知即使光線處于真空中并且障礙物尺寸遠(yuǎn)大于光波波長的情況下,也可能出現(xiàn)光不沿直線傳播的現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步提出問題:滿足障礙物尺寸遠(yuǎn)大于光波波長后,直線傳播定律就一定成立嗎?此時(shí)學(xué)生更加好奇而疑惑,能夠給出答案的學(xué)生已經(jīng)不多了.但是通過以上結(jié)合光學(xué)發(fā)展史的開放性提問過程,會(huì)使學(xué)生意識(shí)到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證和邏輯推理對(duì)于科學(xué)發(fā)展的重要性,對(duì)獨(dú)立思考和批判性思維有一定的啟發(fā)作用.
在課程習(xí)題的講授中,教師如果給出正確的解題步驟,固然能起到鞏固知識(shí)點(diǎn)的作用,但這樣學(xué)生只被動(dòng)的接受,缺少思維的碰撞過程.因此,在習(xí)題的講授中教師可挖掘題目的深度,設(shè)計(jì)一些開放性問題,讓學(xué)生存疑求證.下面以一道剛體力學(xué)題為例予以說明:如圖1所示,兩人各執(zhí)均勻桿(重G,處于水平靜止?fàn)顟B(tài))的一端.當(dāng)左側(cè)人突然放手時(shí),右側(cè)人手上用力變?yōu)槎嗌伲?/p>
圖1 兩人執(zhí)桿習(xí)題示意圖
可先給出一種可能性:“原來兩人執(zhí)桿,后僅一人執(zhí)桿,右側(cè)執(zhí)桿人用力會(huì)變大?”這看似正確的邏輯推論對(duì)不對(duì)呢?大部分學(xué)生通過角動(dòng)量定律的學(xué)習(xí)后可得到如下解題過程:設(shè)左側(cè)人放手后桿的加速度大小為a,角加速度為β,右側(cè)人在左側(cè)人放手前后用力分別為F和F′,基于牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律和角動(dòng)量定律建立以下方程
G-F′=ma
a=0.5Lβ
最后可得F′為0.25G,而兩人執(zhí)桿時(shí)每人用力F為0.5G.可以發(fā)現(xiàn)僅右側(cè)一人執(zhí)桿時(shí),他用力反而變小了,與假想的結(jié)論完全相反,這樣的結(jié)果會(huì)讓學(xué)生感到驚訝、產(chǎn)生疑問,會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步探究的興趣.
接下來教師可引導(dǎo)學(xué)生去反思背后的物理原因,提出問題:相對(duì)于兩人執(zhí)桿,一人執(zhí)桿時(shí)為什么用力反而會(huì)變???用力大小與兩人執(zhí)桿的位置有沒有關(guān)系?如果改變其中一人的位置,剩下的人用力還是變小嗎?這時(shí)的問題就比較深入而有趣了,學(xué)生也想進(jìn)一步去研究執(zhí)桿位置對(duì)用力大小的影響.部分學(xué)生通過計(jì)算可得出以下結(jié)果:以改變右側(cè)人位置為例,以桿中央為原點(diǎn)建立如圖2所示的坐標(biāo)系.
圖2 研究執(zhí)桿位置對(duì)力的影響
a=xβ
最后可得到
而通過力矩平衡可得放手前右側(cè)人的用力為
圖3 放手前后右側(cè)人用力F2與隨x的變化關(guān)系
物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),如果課堂上只有理論教學(xué),學(xué)生難免感到平淡,因此教師可設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)并展開提問,將理論和實(shí)踐聯(lián)系起來.例如伯努利方程的學(xué)習(xí)中,可設(shè)計(jì)出如圖4所示的兩種裝置,與學(xué)生討論.對(duì)于圖4(a)中的空吸裝置,根據(jù)伯努利方程可知,由于出口處的氣體流速小于細(xì)管處的流速,因此細(xì)管處的壓強(qiáng)要小于出口處的大氣壓,最終導(dǎo)致液面上升.授課教師可在學(xué)習(xí)伯努利方程前給出該裝置圖,并提出這樣一個(gè)問題:“在推動(dòng)活塞的過程中,由于氣體被推動(dòng)向前和向下,液面應(yīng)該會(huì)被氣體壓的下降?”由于缺乏流體力學(xué)相關(guān)知識(shí),學(xué)生一般都認(rèn)同這種現(xiàn)象會(huì)發(fā)生.此時(shí)教師可拿出圖4(b)所示玻璃管,將豎直管插入水中,并從左向右對(duì)水平管吹氣,可發(fā)現(xiàn)豎直管中的水面竟然會(huì)上升.接著,伯努利方程學(xué)習(xí)結(jié)束后又可給出圖4(c)裝置,提出問題:如果管徑是均勻的,液面還會(huì)上升嗎?此時(shí)較多學(xué)生會(huì)有以下推論:管徑?jīng)]變化,出口處的氣體流速和中間分支管處的流速相同,分支管處的壓強(qiáng)等于出口處的大氣壓,因此液面高度不變.事實(shí)上,最終通過圖4(d)所示的T形管實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)液面是下降的.這是由于空氣并非理想流體,是可被壓縮的,而伯努利方程僅適用于理想流體,因此管內(nèi)氣體由于被壓縮導(dǎo)致壓強(qiáng)要略大于大氣壓,從而導(dǎo)致液面下降.相反,如果是從水平管右邊吸氣,會(huì)導(dǎo)致氣體膨脹,壓強(qiáng)變小,液面上升.通過該演示實(shí)驗(yàn)的討論,學(xué)生能夠?qū)Σ匠毯屠硐肓黧w的概念有更深刻的理解,并會(huì)發(fā)現(xiàn),許多看似合理的邏輯竟然不對(duì),只有通過親自實(shí)驗(yàn)才能判斷真?zhèn)危?/p>
圖4 兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)裝置
古往今來,人類創(chuàng)造了許多偉大的科技成就和工程發(fā)明,如蒸汽機(jī)、人造衛(wèi)星、手機(jī)等,而這些科技發(fā)明中的工程元件結(jié)構(gòu),往往經(jīng)歷了長期的實(shí)踐和改進(jìn)才最終成型.因此針對(duì)某個(gè)工程元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以討論,也是鍛煉批判性思維很好的途徑.例如,在剛體力學(xué)的內(nèi)容中可給出發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)圖(圖5),就活塞的形狀進(jìn)行討論.以圖中活塞為研究對(duì)象,進(jìn)行受力分析:活塞除了受到向下的氣體壓力F外,還受到連桿產(chǎn)生的斜向左上的壓力Fl,和左側(cè)氣缸壁向右的側(cè)壓力Fc.在側(cè)壓力Fc作用下,活塞截面會(huì)被擠壓變形成橢圓狀,進(jìn)而可能造成活塞卡死或局部磨損過大.實(shí)際工程中為了解決這個(gè)問題,往往預(yù)先將活塞加工成橢圓柱形,橢圓面的長軸與左右側(cè)壁垂直,以抵消掉擠壓造成的變形.另外由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)活塞頂部溫度高,熱膨脹更大,因此為了防止活塞卡死,其頂部直徑往往要小些,由頂部向下直徑是逐漸增加的,一般呈錐形或階梯型[5].針對(duì)這些工程知識(shí),可以對(duì)學(xué)生提出如下問題:發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部為圓柱形,那其中活塞也是圓柱狀嗎?如果考慮到受力情況和熱脹冷縮呢?通過以上力熱學(xué)分析,學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)原來理所當(dāng)然的結(jié)論卻在實(shí)際應(yīng)用時(shí)因?yàn)橐紤]諸多因素而大相徑庭,意識(shí)到質(zhì)疑的重要性,并對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有所了解.
圖5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)
著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾說過:“經(jīng)過重新檢驗(yàn)的知識(shí)才是可信的,而不能一味相信前人留下來的知識(shí).”[6]而課堂教學(xué)中如果只教課本上正確的知識(shí),不激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑,對(duì)于國家創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是極為不利的.本文討論了開放性提問在大學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力的作用,具體闡述了如何結(jié)合科學(xué)歷史、課程習(xí)題、演示實(shí)驗(yàn)和工程案例設(shè)置開放性問題,以激發(fā)學(xué)生的思維活力和學(xué)習(xí)熱情.通過開放性問題在大學(xué)物理課程中的引入,在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)以學(xué)為中心的課堂問答過程,可以為大學(xué)批判性思維能力的培養(yǎng)提供參考.