科學方法在物理核心概念學習進階中的作用

石堯+田成良+趙洪慧

摘 要：正如每一次知識、科技的革新都是技術(shù)、方法的革命一樣，每一次知識的進階、深化，也必須借助科學方法的演進去完成.因此，選擇適當?shù)目茖W方法作為學習進階的教學路徑，就可以使學生不必彷徨于“荊棘”之中，從而快速且高效地同化新知識，順利完成學習進階.

關(guān)鍵詞：重力場強；學習進階；科學方法；比較思想

學生的認知發(fā)展過程一直是科學教育界普遍關(guān)心的問題.基于知識碎片理論，教學論專家們認為“學生的認知思維發(fā)展過程具有進階的特點”，并據(jù)此提出了“學習進階”教學理論[1].目前“學習進階”的研究主要集中在兩個方面：一是認知發(fā)展的路徑；二是認知發(fā)展中用以“踏腳”的具體“腳踏點”.

重力作為中學階段最常見的三大力之一，歷來在力學的知識網(wǎng)絡(luò)中扮演著極其重要的角色，是學生受力分析及后續(xù)學習重力勢能、能量守恒定律的基礎(chǔ).其中，關(guān)于重力常量g存在著不同層次的理解，由此構(gòu)成了學生關(guān)于g的學習進階.

一、重力常量g的三種理解層次

在實際教學中，G和g的關(guān)系共有三種表達形式，即G=mg、g=△S/T2=G/m和G/m=g.顯而易見，三種表達式間的區(qū)別并不是簡單的數(shù)學變換，而是有著不同的物理含義.進一步，主導這三種表達式建立的科學方法也是大相徑庭的（如表1所示）.具體而言，G=mg由比例系數(shù)法得出，表明G與mg在數(shù)值上存在相等的關(guān)系，g只是一個意義不大的常數(shù)；g=△S/T2=G/m實際上是算式a=△S/T2=F/m的變種，依靠物理實驗，利用留痕法、逐差法得到，g在其中代表了加速度（即重力加速度）.在這兩種表達式中“等號”只代表了“數(shù)值上的相等”；而G/m=g中“等號”的含義則發(fā)生了微妙的變化，除了代表數(shù)值上的簡單相等外，還有著“賦值于”的含義，即將g賦給比值式G/m.換句話說，G/m是一個具有實際意義的物理量，是一個整體，并非表達簡單的正反比例關(guān)系.類比電場強度公式F/q=E可以推知，g和E類似，也是代表著一種場的強弱，譯為“重力場強”.

就目前教學而言，g的前兩種含義（即重力常量與重力加速度）已得到明確顯化，為學生熟練掌握，但對于后一種含義（即重力場強），由于各版本教科書均未能予以顯化，故而導致重力場強不為廣大學生（甚至包括一部分中學教師）所知曉.但是就知識結(jié)構(gòu)的完整性與整體性而言，重力場強的切入是必要且必需的.這是因為，力、場、能、熵作為基礎(chǔ)物理教育中的四個核心概念[2]，在中學物理教學中涉及了三個，然而在力學、電學各知識結(jié)構(gòu)的編排上卻未能形成對應(yīng)，有所差異.即電學完全囊括了三個核心概念，而力學則僅有兩個，這一缺憾直接導致力學、電學在隨后的比較教學中喪失了一個必要的融通門徑，有礙于學生整體式認知風格的形成.

其實，上述窘境的出現(xiàn)主要源于兩點，一是高一學生的認知水平和自身知識有限，教師不便于講解重力場強的概念；二是高三階段教師迫于高考壓力，大都無暇顧及此概念，悉心鉆研其引入方式者寥寥無幾，至多只是提一提名稱而已.可想而知，這種隱晦的處理方式必然導致學生對重力場強“一頭霧水”，無法順利完成重力常量g的學習進階.歷經(jīng)思忖，我們認為破除這一問題的門徑在于：為重力場強概念的引入選擇恰當?shù)臅r期，并安排合理的導入方式.

依據(jù)皮亞杰的認知發(fā)展階段理論，學生從高一到高三其心理機能在逐漸成熟，相應(yīng)的認知水平也在不斷提高，由此為學生徹底厘清g的概念，完成相關(guān)學習進階提供了生理上的準備，同時高三階段將對學生大腦中的物理知識進行梳理、整合，使之系統(tǒng)化，而不斷豐富的物理知識正好為學生提供了學習重力場強的“腳踏點”.鑒于此，我們認為重力場強的概念放在高三復習時介入是比較合理的.

在確定重力場強引入的時機后，我們接下來的任務(wù)便是確立重力場強建立的教學路徑.方法主線論代表人物賴格盧特曾說：教學設(shè)計應(yīng)著力于教學過程的改進，最終找到能夠達到最優(yōu)目的的科學方法.故而諸如重力場強這類抽象的概念就要借助于合理的科學方法去引入，以便實現(xiàn)教學模式與學生認知路徑的合理對接[3].

二、重力場強引入的教學路徑研究

問題驅(qū)動教學法是一種以問題為學生學習起點的教學方法，這里教師由知識的傳授者變成了問題的提出者，該方法能很好地提高學生學習的主動性，激發(fā)他們的求知欲.眾所周知，力作為物理學的核心概念，在學生的認知結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用，物理概念的建立往往以分析受力、比較受力為切入點.因此，重力場強的介入就應(yīng)立足于“比較”物體受力“大小”這種樸素的動機.

（一）滲透比較思想 創(chuàng)設(shè)認知沖突

比較是重要的物理思想，著名教育家烏申斯基曾高屋建瓴地指出：比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)[4].比較思想統(tǒng)攝著兩種思維方法，即對比和類比.其中，類比為異中求同，對比為同中求異.物理思想和思維方法均屬于緘默知識，不能靠簡單地口口傳授為學生領(lǐng)悟與習得，須設(shè)法將其完美地融入到日常教學設(shè)計之中，通過積極地設(shè)問與訓練，才能內(nèi)化為學生的能力.

鑒于高二期間學生已充分接觸過電磁場的概念，在大腦中對“場”這種物質(zhì)有了較為深刻的印象.于是為進一步促進“力場”概念的形成，教師可通過類比的方法，為學生指明：“電荷在電場中會受到電場力的作用，小磁針在磁場中也會受到磁場力的作用.這些作用實際上是通過‘場這種物質(zhì)來實現(xiàn)的，同樣除了存在電磁場外，在地球周圍還存在著一種重力場，不同位置的重力場強弱是不同的，如：兩極的重力場就要強于赤道的.”并且借機發(fā)問：我們該如何判斷物體所在位置重力場的強弱呢？進行受力分析往往是解決問題的突破口.大家都知道，在場中的物體必然會受到力的作用，因此我們是否能夠通過比較物體在重力場中受力的大小，從而間接判斷重力場的強弱呢？

對此，學生一般都會存有疑慮，但一時卻難以用精準的語言進行表述，于是教師可引導學生采用歸謬法進行反駁，如：在同一地點上，物體會因自身質(zhì)量的不同而所受重力不同.進一步而言，在月球上100kg的物體受到的重力有163N，而10kg的物體在地球上受到的重力僅有98N，完全與人們平時的經(jīng)驗“地球的重力場強于月球”相悖.可見，單純比較物體的自身重力是無法從定量的角度判斷重力場強弱的，即直接比較物體所受重力的做法是不科學的！那么該怎樣修改先前的假設(shè)呢？這就為下一步教學做好了鋪墊.

（二）針對謬誤根源 重新修改假設(shè)

在隨后的教學環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)順勢啟發(fā)學生去找尋謬誤產(chǎn)生的根源，并嘗試修改原先的比較方法.謬誤的產(chǎn)生源于比較時沒有選取相同的標準，即未能考慮到物體質(zhì)量這一關(guān)鍵因素，因此解決問題的方法就是對物體的質(zhì)量予以“控制”.汲取“物理遵循簡潔之美”的特點，我們選用了除法這種數(shù)學工具來對物體的質(zhì)量進行統(tǒng)一：用物體受到的重力G除以相應(yīng)的質(zhì)量m，得到“單位質(zhì)量物體所受重力的大小”，也就是用比值G/m的形式進行比較.

那么借助比值G/m進行比較能否得到我們期待的結(jié)果呢？以地球和月球的重力場為例，經(jīng)計算可得：地球的G1/m1值等于9.8，而月球的G2/m2值則為1.63，正好與“地球的重力場更強”這一事實相吻合.但這種比較方式卻與我們直接比較物體自身重力的初衷相悖，這個比值的含義究竟是什么，又具有什么特點？由此整個教學步入了一個新的階段.

（三）溫故而知新 詮釋比值內(nèi)涵

針對比值G/m內(nèi)涵的詮釋，教師應(yīng)再次對學生進行點撥：這種用一個比值的形式來表述一個物理概念的做法，我們在前面的學習中早已有過廣泛的接觸，如：密度、電場強度、磁感應(yīng)強度等，類比這些物理量的特點，我們想一想，能否進一步推理出比值G/m的意義呢？

借助這樣的類比，學生便可輕松得出結(jié)論，比值G/m也是一個常數(shù)，和物體受到重力G的大小及物體自身質(zhì)量m均無關(guān)系.它是重力場本身的一種屬性，反映了重力場的強弱，該比值越大，重力場就越強.在此，我們將比值G/m稱為重力場的“重力場強度”，簡稱“重力場強”，用字母g表示.由此從“場”的角度對g的物理意義做出了新的詮釋，將學生對g的理解提升到了一個新的層級.可見，學習物理并不是為了發(fā)現(xiàn)定律，建立概念，而是為了解決問題，待問題解決之后自然會獲得新的知識.

回溯重力場強建立的整個心路歷程，我們可以發(fā)現(xiàn)，這種比值定義的方式猶如一條絲線，把知識點一一串接起來，形成了“一方多知”的教學鏈條（如圖1所示），使學生在厘清比值式內(nèi)涵的同時，充分起到溫故而知新的效果.

（四）把握教學契機 實現(xiàn)力電融合

力、電專題的分科設(shè)置雖在一定程度上可以避免知識的混淆，但亦造成了學科知識的割裂.在實際問題解決中，往往會看到學生由于不善于科間綜合，而導致問題不能被順利解決的情境.耗散結(jié)構(gòu)理論就指出，一個系統(tǒng)若要有序，須先開放，即保有物質(zhì)交換的通道.受此啟發(fā)，物理學的各領(lǐng)域之間也勢必要有所融通，要求物理教師幫助學生適時且及時地總結(jié)力、熱、光、電各領(lǐng)域間暗含的普遍性聯(lián)系.

據(jù)此，在最后的教學環(huán)節(jié)中，教師要“趁熱打鐵”，以“場”作為力、電融通的契機，幫助學生對相關(guān)知識進行梳理與整合，這里可繼續(xù)采用比較的方法，配合直觀的圖表（如表2所示），對電學與力學知識展開恰當?shù)念惐扰c對比，從而促進學生大腦中力學和電學知識的融通，達到消弭疏離對峙，冰釋方枘圓鑿的目的.

三、結(jié)語

理解核心概念中每一層次所需的認知水平是不同的，因此學習進階并不是由一個理解層次簡單地躍遷到另一個理解層次，需要依托一定的教學路徑去完成，但教學路徑卻是多種多樣的，有的是遍布荊棘的羊腸小徑，有的是周道如砥的康莊大路，對教學路徑選擇的準確與否決定著學習進階的成敗.

現(xiàn)代教學論研究表明，集體經(jīng)驗的獲取過程并不等同于個體經(jīng)驗的獲取過程，物理知識是數(shù)百年來人類科學文化的結(jié)晶與積淀，需要學生在相對較短的時間內(nèi)吸收并同化這些知識.因此教師在教學中必須為學生鋪設(shè)出獲取知識的邏輯通道，這種邏輯主要靠特定的科學方法來表達.換言之，正如每一次知識、科技的革新都是技術(shù)、方法的革命一樣，每一次知識的進階、深化，也必須借助科學方法的演進去完成.因此，選擇適當?shù)目茖W方法作為學習進階的教學路徑，就可以使學生不必彷徨于“荊棘”之中，從而快速且高效地同化新知識，順利完成學習進階.具體而言，教師不能直接把重力場強的定義式硬生生地拋給學生，這樣只會造成學生死記硬背數(shù)學表達式，而不去關(guān)心知識間的聯(lián)系，無法形成認知結(jié)構(gòu).而我們在重力場強學習進階的教學設(shè)計中，以揭示物理意義為教學目標，綜合運用比較方法，合理創(chuàng)設(shè)認知沖突，巧妙串聯(lián)新舊知識，最終圓滿定義了重力場強這一物理量，并成功詮釋了其含義.

綜上所述，學習進階不是簡單地顯化知識點的每一層含義，期間還涉及方法的更新以及思維的拓展.物理概念進階的背后實質(zhì)上是科學方法的進階.科學方法有效消除了學生認知水平與物理概念自身難度間的剪刀差.在科學方法的輔助下，學生的思維便可拾級而上.

參考文獻：

[1]翟小銘.構(gòu)建學習進階：本質(zhì)問題與教學實踐策略[J].教育科學，2015，31（2）：47-51.

[2]石堯.以科學方法的邏輯展開“磁感應(yīng)強度”概念教學的高端備課[J].湖南中學物理，2013（4）：1-3.

[3]石堯，邢紅軍.以科學方法為中心實施因材施教的物理教學途徑研究[J].課程·教材·教法，2016（3）：98-102.

[4]石堯.對高中物理比值定義法和控制變量法的再思考[J].北京教育學院學報（自然科學版），2015，10（1）：50-53.