慣性概念建立過程的邏輯問題及解決

羅國忠

(廣西教育學(xué)院教研部,廣西 南寧 530023)

慣性概念建立過程的邏輯問題及解決

羅國忠

(廣西教育學(xué)院教研部,廣西 南寧 530023)

一些初中物理教材和教學(xué)從牛頓第一定律引出慣性概念時,存在邏輯缺失、突兀生硬的問題,導(dǎo)致學(xué)生囫圇吞棗. 基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和推理規(guī)則,本文重新設(shè)計了以演繹為主和以類比為主的兩條推理路線,循序漸進展開推理過程,使學(xué)生不僅自然順暢建立了慣性概念,還得到了思維熏陶和訓(xùn)練,從而達(dá)到學(xué)會、會學(xué)和樂學(xué)三維效果.

慣性;難點;演繹推理;類比推理;無意義學(xué)習(xí)

慣性概念一直是初中物理教學(xué)的重要難點,其研究頗多,但研究者關(guān)注更多的是慣性概念的理解,較少關(guān)注慣性概念的建立過程. 這一研究現(xiàn)狀不利于慣性概念教學(xué)難點的全面突破,因此本研究主要關(guān)注慣性概念的建立過程. 從推理思維視角進行比較,發(fā)現(xiàn)教材和教學(xué)主要以兩種方式建立慣性概念:第1種從實驗中引出慣性概念,屬于歸納推理;第2種從牛頓第一定律中引出慣性概念,屬于演繹推理. 筆者發(fā)現(xiàn),在演繹推理時教材和教學(xué)存在邏輯缺失、突兀生硬的問題,以致學(xué)生似懂非懂、囫圇吞棗. 本文以一套教材及相應(yīng)教學(xué)為例[1],分析慣性概念建立過程存在的邏輯缺失問題,并嘗試改進.

1 問題的發(fā)現(xiàn)及歸因

1.1 教材片斷

教材在得出牛頓第一定律以后,接著敘述:牛頓第一定律指出,不受力時,原來靜止的物體將保持靜止,原來運動的物體將保持勻速直線運動狀態(tài)不變. 物理學(xué)中,把物體保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)叫做慣性.

1.2 教學(xué)片斷

在一節(jié)課上,教師基本按照教材的思路進行教學(xué).在得出牛頓第一定律以后,教師說道:從牛頓第一定律可知,不受力時,原來靜止的物體將保持靜止,原來運動的物體將保持勻速直線運動狀態(tài)不變. 物理學(xué)由此認(rèn)為物體具有保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì),這個性質(zhì)就叫慣性……

一個學(xué)生提出疑問:為什么根據(jù)“不受力時,原來靜止的物體將保持靜止,原來運動的物體將保持勻速直線運動狀態(tài)不變”,就可以知道“物體具有保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)”?

疑問出乎意料,故教師楞了一下,反問學(xué)生:難道還看不出來嗎?

學(xué)生小聲咕嘟:怎么看?看不出……

從邏輯關(guān)系看,“不受力時,原來靜止的物體將保持靜止,原來運動的物體將保持勻速直線運動狀態(tài)不變”是現(xiàn)象或結(jié)果,而“物體具有保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)”是現(xiàn)象的原因,即兩者是因果關(guān)系. 以上教材和教學(xué)進程都是先結(jié)果后原因,在邏輯上屬于由結(jié)果追溯原因,但追溯直截了當(dāng),沒有推理分析,沒有商量余地,這樣陡然的變化讓學(xué)生猝不及防,一時回不過神,出現(xiàn)理解障礙,才會發(fā)出疑問,而教師則以反問“難道還看不出嗎”來加以回應(yīng),意味著推理分析用不著. 學(xué)生需要推理分析,而教材和教師沒有推理分析,讓學(xué)生口服心不服,只能囫圇吞棗,出現(xiàn)了奧蘇貝爾所稱的無意義學(xué)習(xí)的典型癥狀,違背了“尊重學(xué)生主體、順應(yīng)學(xué)生認(rèn)知”的新課程理念.

1.3 歸因分析

1.3.1 教材和教師不知道怎樣推理分析

從牛頓第一定律引出慣性概念,真的用不著推理分析嗎?要回答這個問題,不妨先看看什么情況用不著推理分析?

(1) 兩者關(guān)系非常簡單,簡單到一目了然,不言自明.例如,迎面來了一只動物,教師說:這只貓真可愛.如果有人偏要較勁:為什么說它是貓呢?教師可以反問:難道還看不出嗎?因為凡是見過貓的人,其頭腦儲存著各種貓形象,只需把所見動物與各種貓形象進行模糊而快速地整體比較,就可迅即識別,這個識別過程是形象思維,根本用不著“因為……所以它是貓”的抽象思維,即用不著推理分析,只能意會不能言傳. 如果硬要推理分析,反而將簡單問題復(fù)雜化,多余累贅. 那么,對于“不受力時,原來靜止的物體將保持靜止,原來運動的物體將保持勻速直線運動狀態(tài)不變”現(xiàn)象,能一目了然地看出其原因是“物體具有保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)”嗎?顯然學(xué)生看不出,否則他們就不會質(zhì)疑和抱怨了.

(2) 靈感、頓悟.例如,當(dāng)年牛頓發(fā)現(xiàn)各種物體不管怎樣拋出去,最后都會落到地面,為什么會這樣呢?牛頓一直苦思冥想,始終無果,終于有一天坐在蘋果樹下,被蘋果砸中了腦袋而靈感迸發(fā):哦……這應(yīng)該是物體受到地球引力所致.諸如此類的大量例子說明,靈感的出現(xiàn)既有必然性也有偶然性,必然性指的是經(jīng)過認(rèn)真思考,思維能量積蓄到思維閾限時,就有可能出現(xiàn)思維躍遷;偶然性指的是思維躍遷出現(xiàn)在什么場合、時間等不確定,有時可遇不可求,你想時它不來,你不想時它來了[2]. 但是,這里學(xué)生根本沒有思考余地,更不用說苦思冥想了,這時靈感會輕易來嗎?

以上分析說明,既非簡單的一目了然,也非玄妙的靈感、頓悟而獲知“物體具有保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)”. 既然如此,就應(yīng)該按照學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和推理規(guī)則,明確地展開推理分析,以理服人.

既然用得著推理分析,為什么教材和教師沒有推理分析呢?為了弄清原因,下課后筆者與執(zhí)教教師、幾十名聽課教師座談交流. 教師的反饋大致有幾種:教材是專家編的,不會有問題吧?教材這樣編,就這樣教唄;這也覺得有些不順,但也沒多想;也想過,但一下子想不出辦法…也就是說,一些教師沒有意識到問題,一些教師意識到問題,但找不到更好的解決辦法,只好“原汁原味”地教教材. 或者說,教材和教師之所以沒有推理分析,倒不是推理分析多余累贅,更可能的是教材編者和教師都不知道怎樣推理分析,無奈之下只好直截了當(dāng)、略掉推理分析了.

1.3.2 教材和教師隱含著殘缺的推理分析

盡管教材和教師沒有明確地推理分析,但實際上隱含著推理分析. 要弄清其隱含怎樣的推理分析,首先要知道什么是推理?所謂推理,就是根據(jù)一個或一些判斷得出另一個新判斷的思維形式. 推理可分為演繹推理、歸納推理和類比推理,演繹推理是從一般到個別,歸納推理則從個別到一般,類比推理則從個別到個別. 從牛頓第一定律中引出慣性概念,這種方式不符合歸納和類比的特征,那就是演繹了. 演繹推理的一種典型形式是三段論,它包含3個部分:大前提——一般原理,小前提——特殊情況,結(jié)論——根據(jù)一般原理對特殊情況作出判斷. 從三段論的角度來看,如果把牛頓第一定律當(dāng)成一個前提,則慣性就是結(jié)論. 很明顯,這個三段論缺少了一個前提,邏輯鏈條出現(xiàn)了殘缺,屬于邏輯缺失,難怪學(xué)生會出現(xiàn)認(rèn)知障礙.

2 問題的解決

基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和推理規(guī)則,重新設(shè)計了以演繹為主和以類比為主的兩條推理路線,循序漸進地展開推理過程.

2.1 以演繹推理為主,歸納推理和類比推理為輔

如果采用演繹推理的三段論,首先要尋找并補足缺失的前提. 如果把牛頓第一定律所描述的“不受外力的物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變”看成小前提(特殊情況),則需要尋找并補足缺失的大前提(一般原理). 已知小前提和結(jié)論,根據(jù)三段論進行反向追溯,可以推知大前提應(yīng)該是“物體或物質(zhì)某方面保持不變是一種性質(zhì)”.

2.1.1 運用歸納推理得到大前提

啟發(fā)回憶:一個物體不管位置、形狀、狀態(tài)等怎樣變化,其質(zhì)量保持不變,這是物體的一種性質(zhì);一種物質(zhì)不管位置、形狀等怎樣變化,只要狀態(tài)不變,其密度也保持不變,這是物質(zhì)的一種性質(zhì)……

不完全歸納推理:這些例子表明,物體或物質(zhì)某方面保持不變是一種性質(zhì).

2.1.2 運用三段論進行演繹推理

因為物體或物質(zhì)某方面保持不變是一種性質(zhì)(大前提),而牛頓第一定律告訴我們:不受外力時物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變(小前提),所以不受外力時物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變也是一種性質(zhì)(結(jié)論).

2.1.3 運用類比推理初步定義慣性概念

這種性質(zhì)類似于通常所說的本性或習(xí)慣,因此把不受外力時物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變的性質(zhì)稱為慣性.

2.1.4 運用類比推理拓展慣性概念外延

學(xué)生疑問:受外力時物體也有慣性嗎?

類比啟發(fā):受外力時物體還有質(zhì)量嗎?學(xué)生閱讀時有閱讀能力,不閱讀時還有閱讀能力嗎?以此類推,不管物體是否受到外力,處于什么狀態(tài),它的慣性始終存在.

2.2 側(cè)重運用類比推理

啟發(fā)聯(lián)想:牛頓第一定律已經(jīng)指出,不受外力時物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變. 這意味著什么呢?……暫時想不出也沒關(guān)系,請大家回憶一下,我們有哪些學(xué)過的知識也同樣涉及到某種東西不變的?

回憶舊知:質(zhì)量或密度等概念也涉及某種東西不變. 物理學(xué)把這些不變看成物體或物質(zhì)的一種性質(zhì).

類比遷移:類似地,不受外力時物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變,我們是否也可以把這看成是物體的一種性質(zhì)呢?這種性質(zhì)類似于我們通常所說的本性或習(xí)慣,這樣我們就把不受外力時物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變的性質(zhì)稱為慣性.

……(接下來與第一條路線類似)

實踐表明,以上兩條推理路線邏輯清晰,循序漸進,更符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和推理規(guī)則,因此學(xué)生注意力集中、思維活躍,不僅自然順暢地建立了慣性概念,還得到思維熏陶和訓(xùn)練,達(dá)到了學(xué)會、會學(xué)和樂學(xué)的三維效果.

值得注意的是,兩種推理路線都用到了類比. 類比激活了學(xué)生的已有經(jīng)驗或知識(類象),為新知識(本象)的產(chǎn)生提供了生長點;類比搭建了快捷認(rèn)知通道,讓學(xué)生茅塞頓開,輕松越過認(rèn)知障礙,不僅領(lǐng)略了類比推理的奇妙,還拓展了思維空間. 但是,可能有教師提出疑慮:把物體的慣性與物體的質(zhì)量、物質(zhì)的密度、學(xué)生的閱讀能力進行類比,學(xué)生會不會混淆?例如,盡管每個學(xué)生始終存在閱讀能力,但閱讀能力會發(fā)生波動,經(jīng)過努力也會提高,而一個物體的慣性卻不會發(fā)生變化. 這確實是有益的提醒,不過應(yīng)該知道:任何類比中的本象(這里是慣性)和類象(這里是質(zhì)量、密度、閱讀能力)都不是相同,而是類似,即有同有異,我們利用的是同的方面,同時要警惕異的方面. 給學(xué)生交代清楚,我們是在假定閱讀能力穩(wěn)定前提下進行的類比. 事實表明,學(xué)生容易接受這些類比,也能區(qū)分本象和類象之間的異同,不會產(chǎn)生負(fù)面影響.

3 結(jié)語

這節(jié)課講有形物體的慣性,但教材和教師也暴露了自身無形思想的慣性,教材或教師本位的傳統(tǒng)思想慣性在作祟,以致忽視了“順應(yīng)學(xué)生認(rèn)知”新課程理念. 不同的是,物體慣性不可改變,但思想慣性還是可以改變的,當(dāng)然也不會輕易改變. 不管怎樣,“打鐵必須自身硬”,教材和教師只有打破傳統(tǒng)思想慣性的桎梏,順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,從學(xué)生本位而非教材或教師本位出發(fā)設(shè)計教材、教學(xué),才能讓學(xué)生學(xué)得口服心服,達(dá)到學(xué)會、會學(xué)和樂學(xué)三維效果.

1 華東地區(qū)初中物理教材編寫組. 物理八年級下冊[M]. 廣州: 廣東教育出版社, 2015.

2 田世坤, 胡衛(wèi)平. 物理思維論[M]. 南寧: 廣西教育出版社, 1996.

本文系廣西教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度廣西普通高中課程改革專項課題“高中物理探究教學(xué)有效性的實踐研究”(2013ZJJ042)研究成果之一.

2017-04-12)