在模型構(gòu)建過(guò)程中滲透物理思想方法

徐光輝

（余姚市第八中學(xué)，浙江 余姚 315400）

物理學(xué)科背后總是隱藏著具有深刻意義的學(xué)科思想和方法，同時(shí)又是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的能力所在，《物理學(xué)》是一部科學(xué)史，更是一部思想史，通過(guò)“展現(xiàn)學(xué)科知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程”，深入挖掘?qū)W科知識(shí)背后隱含的科學(xué)方法，在體驗(yàn)方法的過(guò)程中逐漸滲透學(xué)科思想，從而真正提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，這樣的教學(xué)才是經(jīng)得住時(shí)代考驗(yàn)的教學(xué).

物理教學(xué)不是一個(gè)傳授物理知識(shí)的簡(jiǎn)單過(guò)程，更應(yīng)該是一個(gè)傳授物理知識(shí)的同時(shí)挖掘和滲透科學(xué)方法的過(guò)程，而學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中同時(shí)也在通過(guò)自己的努力領(lǐng)會(huì)并掌握物理思想方法，提高自己的求知能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力，從而發(fā)展和完善自己的物理科學(xué)素質(zhì).為了適應(yīng)物理新課程改革的需要，提高學(xué)生能力、發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，研究科學(xué)方法在課堂教學(xué)實(shí)踐中的滲透已經(jīng)十分必要和迫切.

1 兩個(gè)案例

1.1 微小形變的教學(xué)

人教版高中物理必修一“彈力”中微小形變的教學(xué)過(guò)程.從知識(shí)層面來(lái)看，教學(xué)過(guò)程很簡(jiǎn)潔，就是物體受力后會(huì)發(fā)生形變，形變有大有小.然而，當(dāng)形變很小時(shí)如何觀察并顯示呢？教材從不同的角度展示物體發(fā)生彈性形變的各種情況，對(duì)物體發(fā)生微小形變?cè)O(shè)計(jì)了2個(gè)實(shí)驗(yàn)，第1個(gè)是用細(xì)管子的液面升降來(lái)顯示玻璃瓶發(fā)生微小形變的變化.第2個(gè)就是顯示桌面發(fā)生微小形變的演示實(shí)驗(yàn)，按照教材的操作實(shí)際是很難看到這樣的微小形變，學(xué)生更是將信將疑，難以理解.

因此筆者在教材安排的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上有又進(jìn)行了如下改進(jìn)：把一鐵架臺(tái)放在桌面上，鐵架臺(tái)上固定一可伸縮的輕桿（可用伸縮筆或天線代替），在輕桿的末端用紅色的橡皮泥（起到現(xiàn)象更明顯的作用）如圖1所示，先讓輕桿伸出一定的長(zhǎng)度，用力壓桌面，可以發(fā)現(xiàn)輕桿末端橡皮泥的位置有微小的晃動(dòng)，但不明顯，接著把輕桿拉伸一些，再用力壓桌面，會(huì)發(fā)現(xiàn)輕桿末端橡位置變化明顯移動(dòng)，接著再把輕桿拉伸一些，現(xiàn)象更明顯.但輕桿的長(zhǎng)度總是有限的，接著可以用一束光線代替輕桿（可用激光二極管），讓光線射到墻上，觀察墻上光斑的位置.這樣一來(lái)，用力壓桌面的時(shí)候，墻上的光斑移動(dòng)就非常明顯了.演示完成后請(qǐng)學(xué)生就實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)技能方法上作一反思總結(jié)回顧.

圖1 微小形變的放大實(shí)驗(yàn)示意圖

通過(guò)上述改進(jìn)：學(xué)生不但觀察到桌面受壓力后發(fā)生的形變的事實(shí)，體驗(yàn)上更真實(shí)，通過(guò)這樣的過(guò)程設(shè)計(jì)，學(xué)生很自然地明白實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所隱含的變換、放大的思想，（鐵架臺(tái)輕桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變換；輕桿向上拉伸及激光束實(shí)現(xiàn)了放大）；實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行伴隨著實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)和科學(xué)思想的領(lǐng)悟，特別是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讓學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)成功的地方，這不僅促進(jìn)學(xué)生掌握和領(lǐng)悟科學(xué)方法、科學(xué)思想、科學(xué)智慧，而且對(duì)提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)起到一定的積極作用.

教學(xué)過(guò)程中教師不僅要讓學(xué)生不必神秘科學(xué)思想和科學(xué)方法，讓學(xué)生知道科學(xué)思想與方法只不過(guò)是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和處理問(wèn)題的過(guò)程中所應(yīng)用的一些“想法”和“做法”，科學(xué)的思想方法來(lái)源于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)探究的重要意義突顯出來(lái)了.同時(shí)要求學(xué)生明白，科學(xué)的創(chuàng)新首先是科學(xué)意識(shí)的創(chuàng)新和科學(xué)方法技能的創(chuàng)新.

1.2 自由落體運(yùn)動(dòng)的教學(xué)

人教版高中物理必修一“自由落體運(yùn)動(dòng)”輕重物體下落快慢比較的教學(xué)過(guò)程.從知識(shí)層面來(lái)看，通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白在沒(méi)有空氣阻力的影響下，重的物體和輕的物體下落是一樣快的.但在學(xué)生的潛意識(shí)里，根深蒂固的是，平時(shí)觀察到恰恰也是重的物體下落比輕的物體快.

為了展現(xiàn)物理規(guī)律實(shí)驗(yàn)總結(jié)的過(guò)程，更為了讓學(xué)生明白其中知識(shí)點(diǎn)背后的科學(xué)思想和方法，筆者在教材安排的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)如下：用長(zhǎng)約1.5 m一端封閉，一端有抽氣開(kāi)關(guān)的玻璃管，把形狀和質(zhì)量不同的金屬片、羽毛等物品放進(jìn)玻璃管.一端有抽氣開(kāi)關(guān)導(dǎo)管連接抽氣機(jī)，分幾次不同程度的抽氣（先不抽氣，抽部分空氣，抽大部分空氣，盡量抽完空氣至十分稀薄接近于真空），倒立過(guò)來(lái)后觀察幾個(gè)物體下落的快慢程度（如圖2）.

圖2 牛頓管演示羽毛和鐵片自由下落的快慢

表1

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，一邊實(shí)驗(yàn)一邊讓學(xué)生觀察，同時(shí)請(qǐng)學(xué)生思考，并用恰當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言表達(dá)現(xiàn)象并做好記錄在不同狀態(tài)下現(xiàn)象進(jìn)行分析、歸納和總結(jié).（這也是在滲透科學(xué)方法）.我們會(huì)比較明顯的觀察到不同的現(xiàn)象，空氣對(duì)不同物體的作用就十分明顯，這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)采用分段抽氣分別演示，使實(shí)驗(yàn)與思維相結(jié)合，邊實(shí)驗(yàn)、邊思考、邊推理，最終外推至真空中的自由落體，符合物理學(xué)所倡導(dǎo)的真諦，與伽利略理想實(shí)驗(yàn)有異曲同工之妙.

兩個(gè)教學(xué)案例中，學(xué)生通過(guò)這種漸進(jìn)式的條件變化而引起的結(jié)果漸進(jìn)發(fā)展，真正直接感受和體驗(yàn)了科學(xué)研究的方法，尤其是關(guān)于伽利略科學(xué)思想方法的核心：實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推演）相結(jié)合.對(duì)生活中的物理問(wèn)題通過(guò)抓主要因素，忽略次要因素，建立物理模型，提煉物理規(guī)律起到了潛移默化的作用，通過(guò)挖掘物理方法，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的品質(zhì)和科學(xué)的思想.

中學(xué)物理中有很多知識(shí)點(diǎn)、核心概念、規(guī)律的背后隱藏著豐富和樸實(shí)的物理思想和方法，教師在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中要及時(shí)的過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，要用好用足這些知識(shí)點(diǎn)的載體，不斷地挖掘物理學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)的方法，逐漸的滲透科學(xué)思想，發(fā)揮出這種“超學(xué)科”的能力培養(yǎng)，這才是教育教學(xué)的本真.

2 挖掘與滲透物理思想方法的4個(gè)途徑

通過(guò)上述兩個(gè)案例的教學(xué)再設(shè)計(jì)，可以看出物理教學(xué)不再是簡(jiǎn)單的知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和弄懂，而是通過(guò)知識(shí)點(diǎn)這個(gè)載體，通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的這個(gè)途徑，通過(guò)對(duì)教材內(nèi)容的挖掘，逐漸地顯化物理科學(xué)方法，滲透科學(xué)思想，從而提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).結(jié)合平時(shí)的教學(xué)經(jīng)歷和現(xiàn)場(chǎng)，總結(jié)出如何挖掘和滲透物理思想方法的常用途徑，收效甚好.

（1）對(duì)教材所采取的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和拓展，顯化實(shí)驗(yàn)背后的科學(xué)方法、滲透實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的隱含的科學(xué)思想.要在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效地挖掘，尤其是對(duì)實(shí)驗(yàn)的條件，實(shí)驗(yàn)可能失敗的原因，實(shí)驗(yàn)原理的優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)誤差等方面進(jìn)行再研究和再設(shè)計(jì)，如“案例1”中，通過(guò)彈性形變微小量觀察這一目標(biāo)的再研究、再設(shè)計(jì)，利用多次變換、放大等方法，一次次把微小量顯現(xiàn)了出來(lái)，有力地顯示了力作用下形變發(fā)生的必然性事實(shí)，這是科學(xué)方法教學(xué)更是科學(xué)思想滲透.如“案例2”中通過(guò)觀察空氣密度不同的管中二物體下落的時(shí)間差考量，推理和猜想想結(jié)合，外推到真空中時(shí)間差為零的狀態(tài)，與伽利略理想實(shí)驗(yàn)有異曲同工之妙，這些科學(xué)的思想和方法是物理教學(xué)過(guò)程中老師必須得到重視和挖掘的內(nèi)含所在.是整個(gè)物理教學(xué)過(guò)程中必須師生共同參體驗(yàn)的科學(xué)方法和科學(xué)思想.

（2）要引領(lǐng)學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、歸類(lèi)分析等科學(xué)研究的基本方法.如何有效地進(jìn)行科學(xué)方法的挖掘與滲透，關(guān)鍵在于學(xué)生是否真正參與進(jìn)來(lái)，平時(shí)的教學(xué)中很難看到學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，為此從課堂中要努力讓學(xué)生成為主體，引領(lǐng)學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái).比如常用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格記錄法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)的圖像法，通過(guò)圖像尋找規(guī)律時(shí)采用計(jì)算機(jī)擬合規(guī)律等要經(jīng)常用.“案例2”中的牛頓管演示羽毛和鐵片自由下落的快慢實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，二物下落的時(shí)間差本是一個(gè)定性觀察內(nèi)容，我在教學(xué)實(shí)踐中讓學(xué)生列表記錄，關(guān)注時(shí)間差的變化趨勢(shì)逐漸引導(dǎo)并外推到真空時(shí)的時(shí)間差為零狀態(tài)，這是科學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合的絕好的教學(xué)內(nèi)容，冠以科學(xué)理想實(shí)驗(yàn)并不為過(guò)，讓學(xué)生明白，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是需要科學(xué)思想的，科學(xué)思想是可以由科學(xué)實(shí)驗(yàn)啟迪的.

（3）在物理概念、規(guī)律的教學(xué)中對(duì)科學(xué)方法進(jìn)行挖掘和滲透.物理概念是從大量同類(lèi)物理現(xiàn)象和物理過(guò)程中抽象出來(lái)的，所提示的是客觀事物的共同性質(zhì)和本質(zhì)特征，是構(gòu)成物理理論的細(xì)胞.因?yàn)槊恳晃锢砀拍畹男纬啥急厝话茖W(xué)方法的因素，形成概念的過(guò)程就是應(yīng)用物理科學(xué)方法思維的過(guò)程.所以，教師在概念教學(xué)中應(yīng)按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律教給學(xué)生形成概念的科學(xué)方法.物理規(guī)律是物理現(xiàn)象或過(guò)程內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，在一定條件下發(fā)生、發(fā)展和變化的必然反映，是構(gòu)成物理大廈的磚石和框架結(jié)構(gòu).和物理概念教學(xué)一樣，在探索、總結(jié)物理規(guī)律時(shí)，也應(yīng)重視科學(xué)方法的傳授.物理概念與規(guī)律的建立和發(fā)展，一般會(huì)運(yùn)用觀察和實(shí)驗(yàn)、比較與分類(lèi)、分析與綜合、數(shù)學(xué)方法、歸納與演繹、猜想與假說(shuō)以及理想化方法等物理科學(xué)方法中的一種或幾種，在物理教學(xué)中，要是學(xué)生明確發(fā)現(xiàn)或建立某一概念或規(guī)律所采用的的方法、途徑和具體依據(jù).

（4）關(guān)注生活中的物理、結(jié)合物理學(xué)史等進(jìn)行科學(xué)方法的挖掘與滲透.生活中的物理現(xiàn)象要善于觀察，歸納和總結(jié)，在這種過(guò)程已潛移默化的進(jìn)行了科學(xué)方法的滲透，把生活中的實(shí)際問(wèn)題通過(guò)近似、抽象、建模、提煉等過(guò)程發(fā)展為物理概念和規(guī)律.中學(xué)物理教材涉及到幾十位物理學(xué)家，他們?nèi)〉脗ゴ蟪删偷倪^(guò)程中，所運(yùn)用的科學(xué)研究方法和實(shí)驗(yàn)構(gòu)思的精妙絕倫，為我們提供了取之不盡的科學(xué)方法教育素材，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容介紹物理學(xué)史上科學(xué)家研究物理問(wèn)題科學(xué)方法作為學(xué)生學(xué)習(xí)的范例，則無(wú)疑是實(shí)施科學(xué)方法教育的又一條重要途徑.

3 結(jié)語(yǔ)

核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.物理教育是最能體現(xiàn)科學(xué)精神熏陶的課程教育，在課堂教學(xué)中正確地挖掘物理科學(xué)方法、滲透科學(xué)思想對(duì)物理概念的形成，物理規(guī)律的得出，學(xué)習(xí)興趣的提高，科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)品質(zhì)培養(yǎng)起到不可估量的作用.