物理教學(xué)中的“原型啟發(fā)”策略

徐立海 孔賽芝

(玉環(huán)楚門中學(xué),浙江玉環(huán) 317605)

物理教學(xué)中的“原型啟發(fā)”策略

徐立海 孔賽芝

(玉環(huán)楚門中學(xué),浙江玉環(huán) 317605)

1 什么是原型啟發(fā)

當(dāng)我們進(jìn)行創(chuàng)造性思考、解決問題時(shí),往往會(huì)從其他事物中得到解決問題的啟示,從而找到解決問題的方法和途徑.心理學(xué)上把這種具有啟發(fā)作用的事物稱作原型.原型之所以具有啟發(fā)作用,主要是因?yàn)樵团c所要解決的問題之間有某些共同點(diǎn)或相似點(diǎn),通過聯(lián)想找到解決問題的新方法.當(dāng)年阿基米德受身體浸入浴桶時(shí)一部分水就從桶邊溢出的啟發(fā),解開了王冠之謎,并發(fā)現(xiàn)了阿基米德定律.美國核物理學(xué)家格拉塞爾受啤酒杯中一串串上升的氣泡的啟發(fā),發(fā)明了氣泡室并榮獲了1960年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).將原型啟發(fā)的思維機(jī)制引入到物理教學(xué)中,通過原型進(jìn)行聯(lián)想或類比,不僅能啟發(fā)學(xué)生理解物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律和找到解決問題的方法,而且能使學(xué)生學(xué)會(huì)方法,有效地提高創(chuàng)造性思維能力,優(yōu)化思維策略.

2 原型啟發(fā)的類型

2.1 生活啟發(fā)

學(xué)生進(jìn)入課堂都帶著自己獨(dú)特的生活經(jīng)歷和體驗(yàn),帶著自己對自然、對事物的認(rèn)識(shí)、看法和態(tài)度,已經(jīng)具有豐富的物理表象、感性認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)方法.在物理教學(xué)中,用學(xué)生身邊的事例作為學(xué)習(xí)的原型,可啟發(fā)學(xué)生的思維,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,幫助學(xué)生理解物理概念和掌握物理規(guī)律.例如,在“晶體二極管”教學(xué)時(shí),為了讓學(xué)生理解二極管單向?qū)щ娦缘奶匦?教師可以啟發(fā)學(xué)生列舉生活中單向?qū)ǖ睦?如江南水鄉(xiāng)人抓黃鱔用的竹簍的口子,自行車、汽車輪胎的氣門.在“電源和電流”教學(xué)時(shí),以水流、水泵和水位差為生活原型,分別用來類比電流、電源和電勢差.在學(xué)習(xí)楞次定律時(shí),為了讓學(xué)生更好地理解“阻礙”的物理本質(zhì),可以尋找以下生活原型進(jìn)行比喻:當(dāng)人踩到爛泥塘上時(shí),泥土?xí)璧K你踩入泥里,也會(huì)阻礙你拔出腿來.又如下雨天打著雨傘,由于受到雨滴頻繁地撞擊而產(chǎn)生向下的壓強(qiáng),以此為原型用來啟發(fā)聯(lián)想,氣體分子頻繁地撞擊器壁,將會(huì)對器壁產(chǎn)生壓強(qiáng).

2.2 舊知啟發(fā)

2.3 模型啟發(fā)

在物理題解教學(xué)中要先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物理問題情景構(gòu)建出典型形象,形成正確清晰的物理圖景;在此基礎(chǔ)上,再啟發(fā)學(xué)生活化構(gòu)建的典型形象,將物理問題轉(zhuǎn)化為物理原型.

母題.如圖1所示,ad、ac、ab是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿,a、b、c、d位于同一圓周上,a點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn),d點(diǎn)為最低點(diǎn).每根桿上都套著一個(gè)小滑環(huán)(圖中未畫出),3個(gè)滑環(huán)先后從a處釋放(初速為0),用t1、t2、t3依次表示滑環(huán)分別從a處到達(dá)b、c、d所用的時(shí)間,則

解析:(D)選項(xiàng)正確.構(gòu)建典型模型:物體從最高點(diǎn)開始沿光滑軌道滑到圓周上任意點(diǎn)的時(shí)間都相等.

子題1.如圖2所示,AO、AB、AC是豎直平面內(nèi)的3根固定的細(xì)桿,A、O位于同一圓周上,A點(diǎn)位于圓周的最高點(diǎn),O點(diǎn)位于圓周的最低點(diǎn),每一根細(xì)桿上都套有一個(gè)光滑的小球(圖中未畫出),3個(gè)環(huán)都從A點(diǎn)無初速地釋放,用T1、T2、T3表示各環(huán)到O、B、C時(shí)所用的時(shí)間,則

解析:受母題模型的啟發(fā),可以得出選項(xiàng)(D)正確.

子題2.在離坡底10m的山坡上豎直地固定一長10m的直桿AO(即BO=AO=10 m).A端與坡底B間連有一鋼繩,一穿心于鋼繩上的小球從A點(diǎn)由靜止開始沿鋼繩無摩擦地滑下,如圖3所示,則小球在鋼繩上滑行的時(shí)間為(取g=10 m/ s2)

圖3

解析:受母題的模型啟發(fā),以

3 原型啟發(fā)的教學(xué)價(jià)值

3.1 促進(jìn)知識(shí)的理解

物理學(xué)中的概念、規(guī)律和方法多數(shù)是非常抽象的,所以在教學(xué)中學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知及心理障礙.但學(xué)生在生活中和以往的學(xué)習(xí)中已經(jīng)習(xí)得了豐富的物理表象、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和解決問題的方法,教師在教學(xué)中要善于運(yùn)用原型啟發(fā)的策略,將新事物與舊事物、新問題與舊問題進(jìn)行類比,激活和運(yùn)用學(xué)生頭腦中原有的經(jīng)驗(yàn)和方法,以此來同化抽象的新知識(shí)和解決棘手的新問題.例如,“電場”概念的建立是極為重要的,但由于此概念比較抽象,學(xué)生往往難以理解.可以用力學(xué)中所學(xué)重力場為原型與之進(jìn)行類比啟發(fā):地球周圍存在著重力場,地球上所有物體都處于重力場中,都受到了地球的作用——重力.同樣,電荷的周圍存在著電場,電場對處于其中的電荷有電場力的作用(如點(diǎn)電荷間的庫侖力的作用).再由物體在重力場中具有了與地球位置有關(guān)的重力勢能,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出,檢驗(yàn)電荷在電場中也應(yīng)具有與場源電荷位置有關(guān)的電勢能.勻強(qiáng)電場中帶電粒子以垂直于場強(qiáng)方向射入電場后的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)相類比等.如此類比,相當(dāng)于在新舊知識(shí)間架起了一座橋梁,讓學(xué)生能夠從已掌握的舊知識(shí)中順利地接受和理解新知識(shí).

有些概念、知識(shí)若僅僅從概念之間、數(shù)學(xué)推導(dǎo)上進(jìn)行討論和分析,學(xué)生常常似懂非懂,他們雖然相信教師的講解,推導(dǎo)是正確的,但他們并沒有領(lǐng)悟,他們的思維找不到堅(jiān)實(shí)的立足點(diǎn),新的知識(shí)游離于知識(shí)框架之外,這時(shí)若利用學(xué)生熟悉的原型進(jìn)行啟發(fā),許多問題能“迎刃而解”.例如,“一初速度為零的物體做加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)其加速度逐漸減小的過程中,其速度將如何變化?”,對于這一問題,學(xué)生初學(xué)時(shí)總覺得加速度減小,速度必應(yīng)減小.可用“人的身高增長”作為原型進(jìn)行啟發(fā):人從出生到成人,其身高逐漸增高.當(dāng)人的年齡接近成人階段,其身高增長速度將逐漸減慢,但人的身高卻仍在繼續(xù)增高,只是增高變緩了,而并非人越長越短.當(dāng)身高停止增長,人的身高達(dá)到了他一生中的最大身高.這樣用學(xué)生生活中熟悉的事物來對比,也就不難對上述問題做出回答了.

3.2 為探究提供支持

本文開頭就指出,原型之所以有啟發(fā)作用,主要是原型與問題之間有某些相似點(diǎn),通過聯(lián)想,使人很容易找到解決問題的新方法.在物理概念、規(guī)律或結(jié)論的探究階段,當(dāng)探究陷入困境時(shí),教師要趁機(jī)引入物理原型,激發(fā)學(xué)生對所熟悉事物的好奇心與探究欲,啟發(fā)學(xué)生努力思考,喚起他們原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn),找到相應(yīng)的知識(shí)線索,使其豁然開朗,突破困境.

例如,“電場”看不見、摸不到,十分抽象,難以理解.如何來研究和描述這種完全陌生的、甚至有些不可思議的場物質(zhì)呢?由于學(xué)生對電場的存在缺乏感性的認(rèn)識(shí),所以這個(gè)探究性問題的提出會(huì)讓學(xué)生的思維陷入困境.此時(shí),筆者沒有直接向?qū)W生提出“檢驗(yàn)電荷”的設(shè)想,而是先利用“風(fēng)”的生活原型來啟發(fā)學(xué)生的思考.“風(fēng)”雖然是看不見摸不著的物質(zhì),但學(xué)生在生活中已經(jīng)有了對“風(fēng)”的體會(huì).因此從描述風(fēng)入手進(jìn)而將描述風(fēng)的方法遷移到描述場,學(xué)生很容易接受.教學(xué)中,先請每位學(xué)生作一幅表現(xiàn)“風(fēng)”的畫.學(xué)生們作出的畫各種各樣:紅旗飄揚(yáng)的,被吹彎的樹,幾條彎曲的線,用線表示龍卷風(fēng)(龍卷風(fēng)上面還有飛起的人)等.然后總結(jié)學(xué)生畫“風(fēng)”的手法:有借助于實(shí)物(樹、人、旗等)描述的,又有借助于抽象線條描述的.再引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)到用“看得見的”表現(xiàn)“看不見的”這樣的思想方法.最后比較得出:(1)引入“電場線”(類比于抽象線條)用來形象、定性地描述電場; (2)引入“檢驗(yàn)電荷”(類比于樹、人、旗)用來定量地描述電場.

3.3 開拓解題的思路

解題的過程就是還原物理模型的過程,我們遇到的新模型大多數(shù)是在舊模型的基礎(chǔ)上發(fā)展或變通而來的.在解題中應(yīng)用原型啟發(fā)就是依據(jù)新模型的特征,通過思維想象,開拓解題的思路,將新模型向舊模型轉(zhuǎn)化,然后借用舊模型發(fā)揮跳躍性想象解決新問題.

圖4

例如,如圖4所示,一條長為L的細(xì)線,上端固定,下端拴一質(zhì)量為m的帶正電小球.將它置于一勻強(qiáng)電場中,電場強(qiáng)度大小為E,方向水平向右.已知當(dāng)細(xì)線偏離豎直方向α角時(shí),小球處于平衡狀態(tài).如果將細(xì)線偏角從α增大到β,然后將小球由靜止開始釋放,則β角應(yīng)為多大才能使細(xì)線到達(dá)豎直位置時(shí),小球的速度剛好為零?

分析:如果先由能量守恒定律列出方程,然后花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行三角函數(shù)變換,求得β=2α.這樣做計(jì)算過程很繁雜,并且很有可能會(huì)搞錯(cuò).但如果放開思路,打破常規(guī),抓住小球從A點(diǎn)釋放后,將在A、B兩振幅位置之間來回振動(dòng)的特征,聯(lián)想到重力場單擺振動(dòng)這一原型,根據(jù)兩振幅位置對稱于平衡位置,無需計(jì)算,憑直覺思維即可得出正確的結(jié)論.

2010-04-22)

·物理實(shí)驗(yàn)·