初中物理“定標(biāo)”思想及其培育

石堯 張利民 趙洪慧

摘要 “定標(biāo)”思想在物理學(xué)領(lǐng)域中具有重要價值與地位。初中物理教學(xué)既要厘清物理知識中蘊(yùn)含的“定標(biāo)”思想，又要明晰物理方法中蘊(yùn)含的“定標(biāo)”思想，并在此基礎(chǔ)上從知識習(xí)得與知識應(yīng)用兩個層面進(jìn)一步探討協(xié)助學(xué)生領(lǐng)悟“定標(biāo)”思想的具體操作方案。

關(guān)鍵詞 初中物理? 物理思想? “定標(biāo)”思想? 物理方法

石堯，張利民，趙洪慧.初中物理“定標(biāo)”思想及其培育[J].教學(xué)與管理，2022（19）：57-59.

“標(biāo)準(zhǔn)”是衡量事物的準(zhǔn)則，被選為標(biāo)準(zhǔn)的事物，往往具有參照性與恒常性等特點(diǎn)。當(dāng)前，“確定標(biāo)準(zhǔn)”已然成為人們生活工作中的一項必備環(huán)節(jié)，并從中提煉與升華出一種被稱為“定標(biāo)”的物理思想。作為一種重要且普適性極強(qiáng)的物理思想，“定標(biāo)思想”亦稱“確定標(biāo)準(zhǔn)的思想”，是指人們在進(jìn)行描述、判斷、比較前，須先確定出一個衡量的標(biāo)準(zhǔn)，以此作為參照和依據(jù)。凡是領(lǐng)悟了定標(biāo)思想的人，不僅具備在生活工作中自覺確定標(biāo)準(zhǔn)的意識，而且擁有準(zhǔn)確選擇標(biāo)準(zhǔn)的能力。進(jìn)一步而言，“定標(biāo)”思想是形成“標(biāo)準(zhǔn)觀”的基礎(chǔ)與前奏，并為人們養(yǎng)成自覺遵守標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。那么，作為物理教師，該如何借助物理教育教學(xué)幫助學(xué)生領(lǐng)悟，并形成定標(biāo)思想，就成為了我們要研討的重要議題。

一、中學(xué)物理“定標(biāo)”思想的顯化研究

回溯物理學(xué)發(fā)展史，我們不難發(fā)現(xiàn)，很多物理知識與物理方法在創(chuàng)立之初，都源自“確定標(biāo)準(zhǔn)”這一目的。因此，物理思想與物理知識、物理方法之間就天然存在著一種“因果對應(yīng)”的關(guān)系。于是，我們采用“對應(yīng)”的方式，以初中人教版物理教材為出發(fā)點(diǎn)，分別顯化其中蘊(yùn)含“定標(biāo)”思想的物理知識和物理方法，并闡明“定標(biāo)”思想在其間發(fā)揮的作用，希冀為“定標(biāo)”思想的教育教學(xué)做好鋪墊。

1.厘清物理知識中蘊(yùn)含的“定標(biāo)”思想

如前所述，很多物理知識尤其是物理概念都出于“確定標(biāo)準(zhǔn)”這一目的，蘊(yùn)含著“定標(biāo)”的思想。于是我們以物理知識的內(nèi)涵和意義為切入點(diǎn)，找尋與“定標(biāo)”思想關(guān)涉密切的知識點(diǎn)，并予以對應(yīng)式顯化（見表1）。首先，物理量單位的創(chuàng)立就與“定標(biāo)”思想有著千絲萬縷的聯(lián)系。以長度單位為例，人們?yōu)榱司珳?zhǔn)描述物體的長短，破解視差造成的困擾，定義了寸、尺、米等一系列長度單位作為標(biāo)準(zhǔn)量，用于與待測物體的比較;再如，在探究反射定律與折射定律前，要先建立法線的概念，也是出于確定標(biāo)準(zhǔn)這一目的，如此一來，以法線為參照標(biāo)準(zhǔn)，描述反射光線所在的平面，以及反射光線和入射光線位置的關(guān)系就變得容易多了;此外，在運(yùn)動學(xué)中，由于運(yùn)動與靜止的相對性，人們想要準(zhǔn)確描述物體的運(yùn)動狀態(tài)，就必須首先確定出參照的標(biāo)準(zhǔn)，即參照物或參考系?？梢?，單位、法線、參考系等物理知識的本質(zhì)都蘊(yùn)含著“定標(biāo)”思想，是向?qū)W生進(jìn)行“定標(biāo)”思想教育的良好載體。

2.明晰物理方法中蘊(yùn)含的“定標(biāo)”思想

物理方法是物理專業(yè)領(lǐng)域獨(dú)特的認(rèn)知方法，它與物理知識、科學(xué)思維緊密相聯(lián)，是確保物理研究得以順利完成的基本程序，物理方法的運(yùn)用受到物理思想的統(tǒng)攝。在初中物理教學(xué)中，由“定標(biāo)”思想統(tǒng)攝的物理方法主要是控制變量法和比值定義法（見表2）。具體而言，二者的運(yùn)用都涉及到比較思維，控制變量法用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計中定性的比較，比值定義法用于概念定義中定量的比較。而在運(yùn)用比較思維展開這兩種方法時，卻都離不開 “確定標(biāo)準(zhǔn)”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)橹挥性诖_定而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較才有意義，定標(biāo)思想可謂這兩種物理方法的靈魂。進(jìn)一步而言，這兩種物理方法的本質(zhì)實(shí)際是兩種不同的定標(biāo)形式——控制變量法中標(biāo)準(zhǔn)的確定，是通過“保持實(shí)驗(yàn)組和對照組中，影響因變量的干擾變量恒定不變”來實(shí)現(xiàn)的，即控制變量的過程也就是確定比較標(biāo)準(zhǔn)的過程;比值定義法中標(biāo)準(zhǔn)的確定，則是“依靠除法工具將影響因變量的干擾變量統(tǒng)一化為單位物理量”來實(shí)現(xiàn)的，如定義速度時，通過除法確定出單位時間這一標(biāo)準(zhǔn)。

二、“定標(biāo)”思想的培育研究

在明晰了蘊(yùn)含“定標(biāo)”思想的初中各物理知識與物理方法后，接下來我們將著力探討如何協(xié)助學(xué)生樹立“定標(biāo)”的意識，掌握“定標(biāo)”的原則，從而形成“定標(biāo)”的思想。

1.創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，樹立“定標(biāo)”意識

意識是人腦的機(jī)能和屬性，它指導(dǎo)與操控著人們的行為。只有樹立了“確定標(biāo)準(zhǔn)”的意識，人們才能形成“定標(biāo)”的思想，繼而在工作研究之初自覺去確定標(biāo)準(zhǔn)。然而，“定標(biāo)”意識的樹立絕非依靠簡單的傳授就可以完成，它需要借助恰當(dāng)?shù)膯栴}情境，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，使學(xué)生覺察到因未能定標(biāo)而出現(xiàn)的謬誤。經(jīng)過大量教學(xué)實(shí)踐，我們梳理出從知識習(xí)得與知識應(yīng)用兩個層面輔助學(xué)生樹立“定標(biāo)”意識的途徑。

不容置疑，知識習(xí)得的過程也是學(xué)生發(fā)展能力，形成學(xué)科思想的過程。這里我們可以借助物理概念的建立過程，使學(xué)生意識到“確定標(biāo)準(zhǔn)的重要性”。以壓強(qiáng)概念的建立為例[2]，我們首先以“如何比較壓力作用效果”的樸素動機(jī)破題，繼而提出假設(shè)——“通過直接比較壓力的大小，判斷壓力作用效果的強(qiáng)弱”，在該方案得到學(xué)生認(rèn)可后，我們隨即選擇如圖1所示的器材開展實(shí)驗(yàn)，即自重與底面積（受力面積）皆不相等的兩個秤砣。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將看到“自重（壓力）大的秤砣，作用效果弱”;“自重（壓力）小的秤砣，作用效果強(qiáng)”的現(xiàn)象。顯然與先前的假設(shè)相悖。接下來，教師從該現(xiàn)象入手，引導(dǎo)學(xué)生找尋上述謬誤產(chǎn)生的根源——比較時沒有選取相同的標(biāo)準(zhǔn)，從而使學(xué)生感悟到“確定標(biāo)準(zhǔn)”的重要性，然后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對受力面積做標(biāo)準(zhǔn)上的統(tǒng)一，即利用除法工具將標(biāo)準(zhǔn)定為“單位面積所受壓力的大小”，從而產(chǎn)生一個可以描述壓力作用效果的新物理量——壓強(qiáng)。這樣，學(xué)生在解決認(rèn)知沖突，建立物理概念的過程中，將會深刻體悟到“確定標(biāo)準(zhǔn)”的重要意義，逐步樹立起“確定標(biāo)準(zhǔn)”的意識。

習(xí)題是鞏固學(xué)生知識的重要抓手，同時也是幫助學(xué)生建立“定標(biāo)”意識的良好載體。結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們選取了“實(shí)驗(yàn)證偽題”作為幫助學(xué)生樹立“定標(biāo)”意識的門徑。這是因?yàn)?，一方面?shí)驗(yàn)證偽題的解題過程大都以“定標(biāo)”思想為主旨進(jìn)行展開;另一方面其總能呈現(xiàn)出似是而非的、與科學(xué)真理相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，極易引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。譬如這樣一道證偽題——小明在學(xué)習(xí)“探究壓力作用效果的影響因素”時，在水平桌面上做了如下實(shí)驗(yàn)：將質(zhì)量分布均勻的物體沿豎直方向切成大小不同的兩塊。將左邊部分移開后，發(fā)現(xiàn)剩余部分對泡沫的壓力作用效果沒有變化，所以得出結(jié)論：壓力的作用效果與受力面積無關(guān)。你同意小明的觀點(diǎn)嗎？請說明理由?？梢姡}目中小明同學(xué)之所以得出了與科學(xué)真知不符的結(jié)論，其根源就在于設(shè)計實(shí)驗(yàn)時沒有將壓力大小這一影響變量予以控制，即在比較壓力作用效果前，沒有確定合理的比較標(biāo)準(zhǔn)。因此在講解題目時，教師首先就要向?qū)W生揭示“確定標(biāo)準(zhǔn)的重要性”，這樣才能抓住此類問題的“牛鼻子”，然后再結(jié)合具體的題目情景和學(xué)生大腦中儲備的物理知識，幫助學(xué)生找到需要確定的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。

2.把握教學(xué)契機(jī)，明晰“定標(biāo)”原則

在“定標(biāo)”意識建立后，如何確定與選取標(biāo)準(zhǔn)，又成為了另一個需要學(xué)生明晰的要務(wù)，即我們不僅要“定標(biāo)”，更要“有效定標(biāo)”。的確，“標(biāo)準(zhǔn)”的選取與確定不能隨心所欲，必須恪守一定的原則，如恒常性、穩(wěn)定性等。這里，教師同樣可以從知識習(xí)得與知識應(yīng)用兩個層面幫助學(xué)生掌握標(biāo)準(zhǔn)確定的原則。

首先是知識習(xí)得層面的操作。教師須以教材為出發(fā)點(diǎn)，并進(jìn)行合理發(fā)散，創(chuàng)設(shè)幫助學(xué)生掌握定標(biāo)原則的契機(jī)。以單位原器的歷史變遷為例，眾所周知，當(dāng)前人們對于1米、1千克等標(biāo)準(zhǔn)量的規(guī)定，已不再使用米原器、千克原器這些具體的物體了，而是轉(zhuǎn)向求助自然界的常量，如借助真空中的光速描述1米，普朗克常量描述1千克，其轉(zhuǎn)變動因正是基于對標(biāo)準(zhǔn)“恒常性、穩(wěn)定性”的考量。故而在教學(xué)中，教師可先向?qū)W生指明“轉(zhuǎn)變”的原因——被選為標(biāo)準(zhǔn)的事物須具備恒常性與穩(wěn)定性的特點(diǎn)，米原器、千克原器隨著歲月的變遷已不再精準(zhǔn)，不適合作為測量的標(biāo)準(zhǔn)了，需要另立新的標(biāo)準(zhǔn)。這里可以新聞報道的形式呈現(xiàn)傳統(tǒng)米原器、千克原器精度失真的事實(shí)，并搭配新聞報道的圖片，以示權(quán)威性。然后詢問學(xué)生：如果你是標(biāo)準(zhǔn)的制定者，該如何選擇新的標(biāo)準(zhǔn)避免上述問題的出現(xiàn)呢？最后，立足自然常量“恒常性”和“穩(wěn)定性”的特點(diǎn)，向?qū)W生揭示新的定義方式。不難看出，整個過程教師的話語無須太多，通過“闡述事實(shí)”“提出問題”“依據(jù)原則定標(biāo)準(zhǔn)”三個小環(huán)節(jié)，就完成了使學(xué)生領(lǐng)悟“恒常性、穩(wěn)定性”定標(biāo)原則的任務(wù)。

接下來是知識應(yīng)用層面。我們可以設(shè)計合理的問題，讓學(xué)生通過體驗(yàn)問題的解決過程進(jìn)而掌握標(biāo)準(zhǔn)確定的原則。以《重力》一節(jié)的教學(xué)為例，在學(xué)生了解了“重力常量（重力加速度）g會隨位置的改變而改變”這一規(guī)律后，教師可以順勢設(shè)計這樣一個問題：“人們在郵寄包裹時，總是按照包裹的質(zhì)量計價，而非包裹的重力，你能說出其中的奧秘嗎？”抑或?qū)⑦x擇權(quán)交予學(xué)生，即提出：“在郵寄包裹時，你認(rèn)為是按照包裹的質(zhì)量進(jìn)行計價合理，還是按照包裹的重力進(jìn)行計價合理？請說明理由?！辈浑y看出，解決該問題的核心就在于被選為計價標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量是守恒的，不會隨地點(diǎn)的改變而改變，具備恒常性這一特征，而物體的重力則會隨地點(diǎn)的改變而發(fā)生改變。該問題緊密聯(lián)系了學(xué)生日常生活中的熟悉情境，不僅幫助學(xué)生辨別了“質(zhì)量”與“重力”這兩個易混淆的重要概念，而且更為學(xué)生“定標(biāo)原則”的掌握鋪設(shè)出了合理的邏輯通道，可謂一石二鳥。

隨著發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的提出，物理教育除卻承擔(dān)傳授物理知識與物理方法的任務(wù)外，還擔(dān)負(fù)著幫助學(xué)生領(lǐng)悟物理思想和物理觀念的使命。物理思想作為物理方法向物理觀念進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)，其形成與領(lǐng)悟絕不是一蹴而就的，需要教師在教育教學(xué)中采用多種不同的方式，從不同層面加以滲透式強(qiáng)化。有鑒于此，我們首先厘清了定標(biāo)思想的領(lǐng)悟包括“定標(biāo)意識”的建立和“定標(biāo)原則”的掌握兩個部分，然后從知識習(xí)得與知識應(yīng)用兩個層面著手設(shè)計規(guī)劃（如圖2所示），并給出具體案例，最終完成了從“定標(biāo)思想”輸入到“定標(biāo)思想”輸出的完美閉環(huán)。

參考文獻(xiàn)

[1] 石堯，劉艷輝，任煒東.初中物理方法背后的物理思想顯性化研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2022，51（04）：2-4.

[2] 邢紅軍，胡揚(yáng)洋，石堯，等.壓強(qiáng)概念教學(xué)的高端備課[J]，中學(xué)物理教學(xué)參考，2013，42（10）：18-20.

【責(zé)任編輯? ?孫曉雯】