讓物理教學(xué)在理性愉悅中實(shí)現(xiàn)主體認(rèn)知

物理教學(xué)常常面臨這樣的困惑：學(xué)生對自然現(xiàn)象（親歷的和觀察的）都十分好奇，一旦進(jìn)入到概念系統(tǒng)就顯得被動(dòng)和消極，原有的活力似乎頃刻消失. 這是因?yàn)楦拍钸^于抽象和牽強(qiáng)，還是因?yàn)閷W(xué)生的思維能力還沒有成熟起來？或許都有影響，但筆者以為，主要是物理教學(xué)的過程、方法和價(jià)值觀脫離了學(xué)生的生命成長.

物理學(xué)是人類科學(xué)與文化的結(jié)晶，是人們認(rèn)識和表述自然的科學(xué)文化體系. 自然現(xiàn)象及其規(guī)律雖然是客觀存在的，是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，但認(rèn)識和表述這些規(guī)律，并構(gòu)建起完整的科學(xué)體系，卻與人類科學(xué)活動(dòng)的起源、文化推演、活動(dòng)方式以及科學(xué)活動(dòng)的代表者——物理先驅(qū)和科學(xué)大師的思維特性、認(rèn)知操作和科學(xué)經(jīng)歷有關(guān). 如果人類重新認(rèn)識自然，雖然自然本質(zhì)是不變的，但認(rèn)識和闡發(fā)自然規(guī)律的符號系統(tǒng)、概念體系、學(xué)科結(jié)構(gòu)等等可能是另外一種形態(tài). 所以，在這個(gè)意義上物理學(xué)是“人化的自然”. “自然人化”的過程即為“經(jīng)驗(yàn)理性”的過程，中學(xué)物理教學(xué)的本質(zhì)內(nèi)涵正是演繹著這個(gè)過程. 顯然，這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)著生命個(gè)體對自然存在的主體解讀. 但中學(xué)物理教學(xué)往往簡單建立起學(xué)習(xí)者對科學(xué)知識的接受橋梁，學(xué)生和教材成為教師操作的課堂要素，物理教學(xué)成為外在于學(xué)習(xí)者的、對自然符號和概念系統(tǒng)的機(jī)械操作，這樣的過程與學(xué)習(xí)者的主體認(rèn)識和發(fā)展無關(guān)，課堂上出現(xiàn)“知識冷漠”現(xiàn)象是必然的. 筆者認(rèn)為，無論從物理學(xué)“人格化”的自然屬性，還是中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)知和情感驅(qū)動(dòng)來看，物理教學(xué)不只是對外部世界的認(rèn)識和反映，而要融入生命個(gè)體與自然存在的互動(dòng)、再認(rèn)和成長，這是學(xué)習(xí)者從感知到理性的“人本化”過程——概念化的物理現(xiàn)象與學(xué)生的思維操作有機(jī)融合，使之發(fā)生對話與共鳴，產(chǎn)生認(rèn)知和探究的理性愉悅，促進(jìn)物理學(xué)習(xí)深入影響學(xué)生的思維方式并積淀為他們的科學(xué)與文化素質(zhì).[1]

現(xiàn)以“熱力學(xué)第二定律”教學(xué)為例，談?wù)勥@一認(rèn)識和實(shí)踐.

一、教學(xué)分析

熱力學(xué)第二定律揭示的是有大量分子參與的宏觀過程的方向性問題，這是熱現(xiàn)象的一個(gè)重要規(guī)律，完整地掌握熱學(xué)知識，必須對它具有正確的認(rèn)識. 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》選修3-3明確的要求是：“通過自然界宏觀過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律. 初步了解熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量. ”[2]實(shí)現(xiàn)這一學(xué)習(xí)目標(biāo)可能出現(xiàn)的困難是：熱力學(xué)第二定律比較抽象，雖然有直接經(jīng)驗(yàn)可以引發(fā)，但概括規(guī)律的過程頗為理性，學(xué)生易停留于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)而難于認(rèn)識深化；規(guī)律的表述比較多樣和“經(jīng)驗(yàn)具體化”，不如熱力學(xué)第一定律那樣給出確定而簡潔的數(shù)學(xué)表述，學(xué)生會有難以捉摸之感；認(rèn)識量化系統(tǒng)無序狀態(tài)的物理量——熵，需建立在一定的概率統(tǒng)計(jì)分析上，會使教學(xué)過程比較瑣碎，數(shù)學(xué)味較濃. 為此，教學(xué)設(shè)計(jì)需這樣展開：梳理經(jīng)驗(yàn)事實(shí)——盡可能多地聯(lián)系學(xué)生已有和能夠接受的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，促進(jìn)認(rèn)識指向集中；引導(dǎo)理性概括——從多種現(xiàn)象中概括出直接規(guī)律，并認(rèn)識多種表述的內(nèi)在一致性；推進(jìn)認(rèn)識深化——引導(dǎo)學(xué)生探求熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)一表述，深入熱現(xiàn)象的微觀機(jī)制了解熵的概念和熵增加原理.

二、教學(xué)過程

1. 提出問題

熱力學(xué)第一定律（ΔU=Q+W）的本質(zhì)就是能量守恒，由此可知“第一類永動(dòng)機(jī)”是不可能實(shí)現(xiàn)的. 那么，是不是只要滿足能量守恒的物理過程就能夠持續(xù)地、自發(fā)地進(jìn)行下去呢？

我們知道，自發(fā)的熱傳導(dǎo)過程是高溫物體向低溫物體傳熱，傳熱的過程滿足Q吸=Q放 . 反之，熱量可不可以在滿足“Q吸=Q放”的條件下，自發(fā)地由低溫物體向高溫物體傳熱呢？經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這個(gè)過程是不可能自發(fā)進(jìn)行的. 所以，制約熱現(xiàn)象的過程，除了熱力學(xué)第一定律外，還有其他的自然規(guī)律在發(fā)生著作用. （提出問題，初步揭示問題的內(nèi)在含義，引起學(xué)生認(rèn)知需求）

2. 展開討論

（1）類似的例子還很多. （進(jìn)一步聯(lián)系經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的感性認(rèn)識）

擴(kuò)散過程. 如圖l所示，抽去隔板a，兩種氣體相互擴(kuò)散，趨于均勻分布，這是自發(fā)進(jìn)行的過程. 反之，使原來分布均勻的兩種混合氣體相互分離，各居一半的空間，這是非自發(fā)過程.

氣體膨脹. 如圖2所示，打開閥門K，氣體會進(jìn)入另一個(gè)容器，這是自發(fā)進(jìn)行的過程. 反之，分布在兩個(gè)容器內(nèi)的氣體，使其只占據(jù)一個(gè)容器的空間，這是非自發(fā)過程.

（2）初步結(jié)論：自發(fā)熱過程具有方向性. 如果要改變自發(fā)熱過程的方向，需借助于外部作用才能實(shí)現(xiàn). 例如：反向熱傳導(dǎo)——制冷；混合氣體分子分離——過濾；氣體體積減小——做功. 此類過程必然會引起外界的某種變化.（使問題引向深入，逐步揭示宏觀熱過程規(guī)律）

（3）再從能量轉(zhuǎn)化的過程來分析物理現(xiàn)象的方向性. （為熱力學(xué)第二定律的兩種表述作好鋪墊）

機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程可以連續(xù)、完全地進(jìn)行. 例如，運(yùn)動(dòng)的物體由于摩擦而逐漸停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能. 但內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程不可能連續(xù)、完全地進(jìn)行. 如圖3所示，氣缸內(nèi)高壓高溫氣體推動(dòng)活塞對外做功，開始一段過程實(shí)現(xiàn)著內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，當(dāng)氣體膨脹到一定程度，壓強(qiáng)減小到不足以推動(dòng)活塞做功時(shí)，這一過程就停止了. 要繼續(xù)做功的過程，就要從頭開始，排出氣缸內(nèi)已完成做功任務(wù)的廢氣，注入新鮮空氣，噴進(jìn)燃油，點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，重新開始做功過程.

這一過程的特點(diǎn)是：① 內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程需借助一定的工作物質(zhì)（如燃?xì)猓┎拍苓M(jìn)行；② 工作物質(zhì)所處的環(huán)境溫度一定低于其做功過程的溫度，所以工作物質(zhì)必須至少在兩個(gè)不同溫度的熱庫下才能實(shí)現(xiàn)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程；③內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能不可能連續(xù)進(jìn)行，其過程會因?yàn)榕懦鰪U氣和吸進(jìn)燃?xì)舛袛啵虎苡捎谂懦龅膹U氣溫度要高于環(huán)境溫度，故必然隨廢氣帶走一部分不能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱量Q2（圖4）.

設(shè)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量為Ql，氣體膨脹對外做功W，根據(jù)能量守恒有： Ql=W+Q2. 則內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率η=W/Q1×100%. 由于損失的熱量Q2不可避免，所以效率一定小于100%，即任何一部機(jī)器都不可能把內(nèi)能百分之百地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.

3. 理性認(rèn)知

（1）事實(shí)結(jié)論. 上述事例反映了自發(fā)熱現(xiàn)象都有特定的方向性，即宏觀熱過程是不可逆的；自由熱傳導(dǎo)的過程不可逆；分子自由擴(kuò)散的過程不可逆；氣體自由膨脹的過程不可逆；機(jī)械能與內(nèi)能的自由轉(zhuǎn)化不可逆. （學(xué)生從親歷的和觀察的現(xiàn)象中自主得出初步結(jié)果，使認(rèn)知由感性引向理性）

（2）理論概括. 事實(shí)上，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的. 物理學(xué)家綜合了人們對熱現(xiàn)象的觀察和認(rèn)識，概括出反映自然熱過程的方向性的規(guī)律，即熱力學(xué)第二定律，其表述一般有兩種形式. 一是從自發(fā)熱傳導(dǎo)的方向性來表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體（克勞修斯表述）；二是從能量自由轉(zhuǎn)化的方向性來表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響（開爾文表述）. （規(guī)律的概括和表述都有學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)支撐，使主體認(rèn)知與物理知識充分融合，讓學(xué)生在認(rèn)知滿足中獲得發(fā)展）

（3）深化理解. 這兩種表述分別從熱傳導(dǎo)和能量轉(zhuǎn)化的過程來認(rèn)識熱現(xiàn)象的方向性，其本質(zhì)是一致的，即它們是等價(jià)的.例如有人提出，設(shè)法使地球上海水溫度降低0.1℃，就可得到5.8×1023J的熱量，相當(dāng)于1800萬個(gè)100萬kW的核電站一年的發(fā)電量，將會充分滿足人們的需求.這個(gè)美好的愿望能否實(shí)現(xiàn)呢？

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，由第一種表述，一旦海水溫度降低（低于環(huán)境溫度），繼續(xù)從海水中獲得熱量就是非自發(fā)的熱過程，不借助于外界作用是不可能實(shí)現(xiàn)的；由第二種表述，這里只有單一熱庫——海水，沒有另一低溫?zé)釒鞎r(shí)，不可能實(shí)現(xiàn)把海水儲存的內(nèi)能全部用來做功而不引起外界的變化.因此，愿望雖然是美好的，但它不符合自然界的客觀規(guī)律，因而所有企盼內(nèi)能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的“第二類永動(dòng)機(jī)”都不可能實(shí)現(xiàn)，雖然它滿足熱力學(xué)第一定律.

進(jìn)一步展開討論，為什么自然界總能量守恒卻要節(jié)約能源？對此認(rèn)識和解釋必然功到自成，可將學(xué)生引向現(xiàn)實(shí)生活，加深對規(guī)律的理解和對規(guī)律現(xiàn)實(shí)意義的認(rèn)識.

4. 引向深入

以宏觀事實(shí)為基礎(chǔ)概括出的熱力學(xué)第二定律至少有兩種表述（學(xué)生可聯(lián)系其他現(xiàn)象作出更多種表述），這些表述雖然等價(jià)，但在形式和內(nèi)容上缺乏簡潔性和統(tǒng)一性.如何從諸多現(xiàn)象中抓住事物本質(zhì)，給出更具本質(zhì)性的概括，需深入到熱現(xiàn)象的微觀機(jī)制上去認(rèn)識.（適時(shí)引向熱力學(xué)第二定律的微觀解釋，引導(dǎo)學(xué)生自主鉆研和預(yù)習(xí)下節(jié)內(nèi)容，作好分子概率論的初步準(zhǔn)備，為下節(jié)課的展開作出鋪墊，簡化過于煩瑣的概率統(tǒng)計(jì)分析，著重了解熵的概念和熵增加原理）

三、教學(xué)反思

上述教學(xué)過程的體會是：①經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是學(xué)生主體認(rèn)知的基礎(chǔ)，教學(xué)起點(diǎn)應(yīng)從搜集和展開學(xué)生已有的、觀察的和操作的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，幫助學(xué)生引向新知，使生活經(jīng)驗(yàn)和理性認(rèn)知較好地統(tǒng)一；②物理概念和規(guī)律一旦成為學(xué)生的主體認(rèn)知，就發(fā)生了人與自然的互動(dòng)與對話，理性將超越經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生巨大的認(rèn)知穿透力，并可獲取充分的理性愉悅，產(chǎn)生學(xué)習(xí)和探究的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)；③課堂教學(xué)中所謂“自主活動(dòng)過程”和“主體認(rèn)識過程”，不一定就是熱鬧的場面、外在的表現(xiàn)，課堂教學(xué)設(shè)計(jì)不必刻意追求活動(dòng)形式，有些轟轟烈烈的場面也許是“虛假繁榮”，關(guān)鍵是使認(rèn)知體驗(yàn)和思維活動(dòng)進(jìn)入學(xué)生的知識建構(gòu)，成為他們積極的認(rèn)識過程，這樣的教學(xué)過程也一定實(shí)現(xiàn)著學(xué)生的主體認(rèn)知.

參考文獻(xiàn)：

[1]姚天勇.物理教學(xué)要由“物”及“人”[A]//陶洪.著名特級教師教學(xué)思想錄（中學(xué)物理卷）.南京：江蘇教育出版社，2012：506.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2003：30.