談物理教與學思維的表達形式及轉化——以“波的形成與傳播”課堂教學為例

王忠明

（張家港外國語學校，江蘇 張家港 215600）

教師主要任務是如何組織知識，并根據學生的特點以某種形式呈現知識.不論是組織知識，還是呈現知識，它們包含了教師在教學設計和教學過程中的思維過程.同樣，不論學生在接受知識、還是在探究、發現知識的過程中都涉及到知識的同化過程.在學生同化知識的過程中涉及知識的感知、記憶、判斷、推理，同時同化與順應不是單向的，雙向多層次、多次完成的.學生在同化和順應的過程中同樣包含了豐富的思維過程.

但是不論是形成概念、還是歸納或演繹出規律，亦或運用概念和規律解決問題時采用分析與綜合等思維形式，這些物理思維的特點都具內潛性、簡縮性和觀念性.有效教學的最基本要求就是有效溝通，也就是說要將科學家的思維通過教學設計暴露在教師自己感官面前.教師的教學思維通過生動、有效的教學過程暴露在學生各類感官面前.真如夸美紐斯所說：一切知識都是從感官的感覺開始的，應該把通過感官所獲得的客觀事物感覺經驗作為教學的基礎.學生在主動接受知識或者探究知識的過程中應該通過自然、生態的課堂活動有效表達自己的思維過程.三種思維的有效表達，將有助于教師和學生迸發出可貴的思維火花，或暴露出隱藏的思維障礙，提高學生知識生成的自主性、有序性.

一般來說，教師表達思維主要有下面幾種方式：演示實驗、實物、模型、多媒體動畫演示或視頻資料、圖像或圖表、語言、文字或者符號.其中文字和符號屬于抽象、非直觀的思維表達；語言是一種發聲的符號，但生動的語言不僅給人強烈的感染力，而且形象、生動的描述會在人的心理產生一副相對應的物理情景，因此語言具有一定的直觀性；圖像或圖表帶有一定的抽象性，它簡潔但內涵豐富，因此需要讀圖的學生有一定的閱圖能力，但其主要以直觀表達為主，而且有時會有一圖勝千言的感覺；其他的表達方式屬于直觀的思維表述方式.下面以“波的形成與傳播”課堂教學為例談物理教與學思維的表達形式及轉化.

1 生成概念內含的思維表達形式與轉化

物理概念是一類物理現象和物理過程的共同性質和本質特征在人們頭腦中的反映，是對物理現象和物理過程的抽象化和概括化的思維形式.根據該定義，有兩點值得我們注意：其一，概念是性質在頭腦中的反映，簡單地說就是表象，就是現象或過程的性質在頭腦中形象，這個形象可以是靜止的，也可以是運動的、變化的.要確保表象正確，我們的現象和過程就一定要具體、形象，并且能反映現象和過程的正確性質.其二，概念是抽象的、概括的，因此我們在教學過程中有必要把抽象的概念具體化，把概括的性質和特征詳細化、形象化.下面以“波”這一概念的引入和生成來說明內含的思維表達形式與轉化.

1.1 波概念的引入——展示教師的思維過程

圖1

首先（實驗）演示實驗波動，如圖1所示.提示學生注意教師手的運動方式，觀察繩子上“波浪”的前進.

其次（文字、語言）板書：振動的傳播叫波動，簡稱波.

最后（語言）提問：什么是振動？

回答：質點以某一位置做周期性運動.

提問：怎樣理解“傳播”？

回答：繩子上不動的部分隨著時間推移，也開始“動”起來.

1.2 波概念的生成——暴露學生思維過程

首先（視頻）提供深海處的海浪和原子彈的沖擊波視頻.

提問：視頻展示的是否是波？學生回答：是波.

其次（語言）提問：聲音是波嗎？學生回答：是波，是聲波.

提問：既然聲波是波，就應該看到振動和振動的傳播，那我們如何看到呢？學生回答：用講臺上的喇叭發聲來做實驗.

最后（實驗、語言）演示 “聲波”形成的實驗.在喇叭發出聲音時，如果在喇叭的紙盆上放置小砂子，如圖2所示，提問：小砂子會出現什么現象？學生回答：小砂子會出現跳動.再問：如果在發出聲音的喇叭旁邊放置一支點燃的蠟燭，如圖3所示，蠟燭的火焰會出現什么現象？學生回答：火焰會左右搖擺，說明空氣在振動.演示實驗驗證學生剛才的“猜測”.

圖2

圖3

一些簡單概念，比如當要學習的概念已經有了上位概念（如，波）之后，在學習下位概念（如橫波、縱波）時，完全可以讓學生閱讀課本上相關概念的文字敘述之后，再通過直觀的視頻演示來形成對概念的理解，如圖4所示.相反，一些非常抽象的概念，特別是一些在學生認知結構中從未有“固定點”的概念的形成就更要用形象的、直觀的方式來幫助學生生成概念.最能說明這一特點的概念就是電場，當年法拉第就是用“形象的”電場線來表達“抽象的”電場.

圖4

從上面的分析可以看出，物理概念是從大量的物理現象和過程中抽象出來的，它深刻地反映了事物的共同特征和本質屬性，可說是濃縮了的知識點.為使學生更好地理解概念，就應將它的形成過程重新“還原”，使其濃縮的物理意義充分“稀釋”.——如果把物理概念喻作“溶質”，那么“溶劑”就是學生學習的認知規律，而“溶液”則是引人入勝的教學情景與過程.這個引人入勝的教學情境和過程就要依靠展示師生的思維過程.暴露思維過程就要依靠一定的手段，比如在上面教學過程中就使用了直觀的演示實驗、視頻（包括真實生活中的視頻和動畫技術）、師生的語言；當然也包括抽象的文字與符號.學生頭腦的中的概念及相關的概念可以用現實的生活情境、口頭語言、書面符號來表達，當概念在這幾種表達中相互轉化時，學生就獲得了相應概念的意義，自然而然在其知識結構中生成了概念.

2 物理規律形成與應用內含思維的表達形式與轉化

物理規律反映的是物理概念之間的聯系，從這個意義說來，物理規律是壓縮了的知識鏈.整個物理規律教學的著眼點，是以學生的認知過程為主線，將科學家的原發現過程，從教育與教學的角度，進行必要的剪輯和編制，讓學生追根溯源，把他們推至問題開始的地方，從而使教學過程真正成為學生主動參與的“再發現”、“亞研究”過程.

從另外一個側面講，物理規律的形成和應用從知識的狀態和表現上來說屬于程序性知識.對于程序性知識，同樣可以用直觀的方式來表達師生在教學過程內含的思維過程.通過直觀的思維表達形式來表現出“如何做”、如何“思考”，讓人一目了然.“看”是人與生俱來的一種能力，所以當用文字語言無法闡釋清楚時，就用“圖”來說明白.下面以“波是如何形成與傳播”這個問題來說明思維的表達.

2.1 物理規律的生成——通過教師的教學設計和教學過程揭示科學家的思維過程

波的形成是本節課的教學難點.之所以成為難點，原因有以下3點：其一，學生在學習波之前研究都是一個質點的運動，研究兩個質點之間的相對運動已經是高難度的問題.在波動中，繩子上各個質點都在運動，而且它們運動的步調不一定一致；其二，介質中的各點依次開始振動起來，振動知識是剛學習的內容，在學生的認知結構中還不穩定、不清晰；其三，波的形成涉及質點振動和振動的傳播兩種運動.為解決上面的難點，有必要將科學家的思維直觀地表達出來.

首先（實驗）做繩波形成的演示實驗，如圖5（a）所示.

圖5

其次（圖像）因為是繩子上各個質點都要參與運動，所以直觀地表示繩子上的各個質點.如圖5（b）－（d）所示.

再次（動畫）為直觀表達波源處質點帶動后續質點振動，動畫演示繩子上第1個質點到第3個質點剛開始的運動情況.如圖5（e）所示.并講解：由于繩子不能間斷，所以在繩上各質點之間的相互作用力作用下，繩子上各質點依次開始做受迫振動，質點的振動周期相同.

最后（動畫）多媒體動畫演示繩子上各個質點的振動和振動的傳播兩種運動.如圖5（f）所示.

2.2 物理規律的應用——通過學生反饋的問題揭示學生思維中存在的缺陷

波傳播的規律是本節課的重點.經過上面波形成的教學，教師提供了如圖6中6張波形成過程中的照片，分別是波源開始振動計時的t＝0，t＝T/4，t＝T/2，t＝3T/4，t＝T，t＝5T/4 6個時刻的照片.要求學生根據波形成的教學過程和這6張照片，找出波傳播過程中的規律.

圖6

經過學生分組討論之后，各組代表提出了各自的觀點（該過程中思維的表達方式有圖像、討論、文字）.按照學生的思維順序，將學生討論的結果整理如下：

（1）波的傳播過程中，包含質點的振動和波峰、波谷的運動.

（2）振源的振動是一個簡諧振動，繩子上其他各個質點振動之后也是簡諧振動.

（3）繩子上各個質點開始振動的方向與振源的起振方向相同.

（4）從第4點開始起動到第7點開始起動需要的時間跟從第7點起動到第10個點開始起動需要的時間相等.

（5）在t＝T/4之后，1、2、3、4四個質點形成的連線“形狀”向右運動，且速度的大小不變.

（6）“形狀”的運動方向與繩子上質點的運動方向相互垂直.這兩種運動在大小上沒有必然的聯系.

（7）“波形”在某一時刻具有空間上的周期性.

（8）“波形”向外傳播一個波長，振源的質點振動了一個周期.

（9）可以畫出再過T/4之后的波形.甚至可以畫出任意時刻的波形圖.

以上9個觀點經過學生分析、論證之后得以確認.教師要求學生對上面9點結論用圖表的方式進行總結.經過討論得到如圖7.（該過程中思維的表達方式主要有圖表、討論.）

圖7

從上面的分析可以看出，在物理課堂教學中，并存著三種思維活動，即教科書（或可以稱為物理學家，只是教科書的編撰考慮了知識的邏輯性和歷史性）表現的思維活動、教師的思維活動以及學生的思維活動.教學中應將三種思維過程盡量開放，形成一個和諧互補的有機整體，從而有效地促進學生的思維發展.作為教師，第一，要揭示教科書的思維過程.教師要把蘊含在字里行間的科學家的思維結晶開發出來，讓學生循著前人的思維歷程去親身體驗，使他們不僅從中獲取知識，更能受到科學思維的熏陶.第二，要盡量用各種直觀的表達方式展現教師的思維過程.教師要敢于、并善于把自己原始的、有序的、經過整合過的思維過程充分展現在學生面前，讓他們去評價、思索，從而達到啟迪學生思維的目的，促進學生知識的同化和順應.教師的思維活動在這三種思維中起著承上啟下的作用，因而教師思維的表達方式及其相互之間的轉化是有效教學的關鍵所在.第三，通過師生、生生之間的討論、教師提問、課堂練習等方式，使學生的思維活動軌跡自發（或誘發）地暴露出來，讓教師了解學生思維存在缺陷，促使教師轉化思維的表達方式來適合學生知識序的生成、思維序的順暢.教師的思維說到底是為學生的思維服務，為學生的知識生成服務.

最后，有一點需要注意，教師不能為直觀而直觀，“在處理所有的實物時都滲透著推理……，只教授事物而沒有思維，只有感官知覺而沒有與之相關聯的判斷，這是最不符合自然本性的”.