顯化科學(xué)方法視野下物理概念的建構(gòu)邏輯
—— 以“靜摩擦力”教學(xué)為例

李俊永 王長江

(1. 仁懷市周林高級中學(xué)，貴州 仁懷 564500； 2. 安徽師范大學(xué)物電學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

·教育理論研究·

顯化科學(xué)方法視野下物理概念的建構(gòu)邏輯
—— 以“靜摩擦力”教學(xué)為例

李俊永1王長江2

(1. 仁懷市周林高級中學(xué)，貴州 仁懷 564500； 2. 安徽師范大學(xué)物電學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

物理概念教學(xué)有其自身的教學(xué)邏輯,概念的形成亦應(yīng)遵循概念建立的邏輯,把握科學(xué)概念建立過程中的科學(xué)方法以突破概念建構(gòu)的邏輯難點(diǎn)意義重大．本文分析了高中人教版“靜摩擦力”的內(nèi)容編排邏輯,針對其不足以科學(xué)方法為中心闡述了靜摩擦力這一概念獲得及其應(yīng)用過程當(dāng)中的邏輯問題,不斷凸顯科學(xué)方法在物理教與學(xué)中的價(jià)值和意義,以期對物理科學(xué)方法的顯化以有益的啟示．

物理概念; 科學(xué)方法顯化; 靜摩擦力

每個(gè)物理概念形成的背后都隱藏著與之相聯(lián)系的諸多科學(xué)研究方法,物理教學(xué)應(yīng)關(guān)注概念形成中的科學(xué)研究方法并把它們顯化,挖掘并發(fā)揮這些科學(xué)方法自身蘊(yùn)藏的教育價(jià)值對當(dāng)下的物理教學(xué)意義匪淺．本文以高中人教版“靜摩擦力”教學(xué)為例,在顯化科學(xué)方法的視野下研究了靜摩擦力這一概念建構(gòu)過程當(dāng)中的建構(gòu)邏輯,以期有所教益．

1 教材內(nèi)容的分析

摩擦力是高中物理常見且重要的一種類型的力,教學(xué)實(shí)踐表明摩擦力的學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)．該節(jié)內(nèi)容是現(xiàn)行人教版《物理1》中第3章第3節(jié)的內(nèi)容,是與重力、彈力平行設(shè)置的一部分知識,由于該節(jié)內(nèi)容較多,故應(yīng)分散難點(diǎn)進(jìn)行新授課的施教,與教材相匹配的教師用書對此設(shè)置為3課時(shí),其中靜摩擦力的教學(xué)應(yīng)當(dāng)占有1個(gè)課時(shí)．行文伊始教材開門見山地指出“兩個(gè)相互接觸的物體,當(dāng)它們發(fā)生相對運(yùn)動或具有相對運(yùn)動趨勢時(shí),就會在接觸面上產(chǎn)生阻礙相對運(yùn)動或相對運(yùn)動趨勢的力[1]”,以此給出摩擦力的概念,通過“思考與討論”欄目展現(xiàn)3幅小孩推木箱的插圖并設(shè)置了相互接觸的物體相對靜止的時(shí)候是不是也可能產(chǎn)生摩擦力的問題,結(jié)合二力平衡的知識指出摩擦力存在性的事實(shí),進(jìn)一步說明了物體間有相對運(yùn)動趨勢的狀態(tài),逐步比較引入靜摩擦力的概念．對于靜摩擦力的大小研究，教材運(yùn)用二力平衡的知識和彈簧測力計(jì)拉木塊的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行解釋,闡述了靜摩擦力大小是可以變化的事實(shí),通過實(shí)驗(yàn)也得到靜摩擦力有最大值的正確認(rèn)識，進(jìn)而得到靜摩擦力的變化范圍為0

仔細(xì)揣摩教材對知識的編排過程就會發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)問題值得商榷: (1) 摩擦力概念的引入方式與學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)相悖．雖然學(xué)生在初中階段接觸過與摩擦力有關(guān)的一些知識,但是未必就對這一概念有深入的了解,很多學(xué)生只是知道摩擦力這一名詞,筆者通過在不同班級中進(jìn)行的學(xué)生訪談證實(shí)了這一觀點(diǎn)的正確性,該節(jié)內(nèi)容對摩擦力概念的描述非?？茖W(xué)和規(guī)范,對于這樣的高度學(xué)生難以企及．這種告訴式的引入方式不可避免地帶來了教學(xué)的灌輸．(2) 直接使用“相對運(yùn)動趨勢”這一科學(xué)術(shù)語造成學(xué)生對靜摩擦力概念的生硬理解．這個(gè)術(shù)語學(xué)生并不陌生，在生活當(dāng)中學(xué)生也會使用,屬于前科學(xué)概念,但是這一概念往往被學(xué)生理解為“運(yùn)動的趨勢”,丟掉了“相對”的限定．理解相對運(yùn)動趨勢是學(xué)習(xí)靜摩擦力的難點(diǎn),教材中并未指明理解相對運(yùn)動趨勢的具體方法．科學(xué)方法涉及的不是物質(zhì)世界本身,而是人們認(rèn)識物質(zhì)世界的途徑與方式,是高度抽象的,并不直接由學(xué)科知識內(nèi)容來表達(dá),而是有自己獨(dú)特的表達(dá)方式,比知識更加抽象和隱蔽[1],因此就無形中增加了學(xué)生的外部認(rèn)知負(fù)荷．(3) 判定靜摩擦力大小的物理判據(jù)——平衡法,顯化不夠．在物理方法顯化的角度看,教材以“同樣根據(jù)二力平衡的知識……”作為靜摩擦力大小得出的物理判據(jù),其過于輕描淡寫,從知識的獲得過程來看,方法比知識本身更重要,是一種更特殊的知識．(4) 沒有從認(rèn)識論上處理好靜摩擦力與生活的關(guān)系,科學(xué)的思維方法未得到體現(xiàn)．教材僅僅提到靜摩擦力有利的一面,卻未像滬科版教材那樣在指出有利一面的同時(shí)也指出了不利的一面,這樣的處理不利于對學(xué)生進(jìn)行物理現(xiàn)象的哲學(xué)辯證分析．

這些問題的解決都要依賴一定的科學(xué)研究方法,老一輩物理教育家喬際平先生指出:科學(xué)知識的得出總是與一定的科學(xué)方法相聯(lián)系[3]．利用科學(xué)方法突破知識獲得過程中的難點(diǎn)既是一種新的教學(xué)路徑,也能夠讓學(xué)生明白和感受方法的巨大魅力,正是基于這種知識與方法相對應(yīng)的思想精髓,本文試圖將科學(xué)方法顯化于教和學(xué)的具體實(shí)踐,去彰顯科學(xué)方法的知識、能力及教育價(jià)值．

2 彰顯科學(xué)方法的物理概念建構(gòu)邏輯

依據(jù)知識與方法之間的“對應(yīng)原則”和對教材內(nèi)容的認(rèn)真思考,我們建立了靜摩擦力知識線與方法線的邏輯線路圖．

如圖1所示,在教學(xué)過程中知識線和方法線并行,在每一個(gè)知識形成的過程中都有特定的科學(xué)方法與之相對應(yīng),我們要做的就是以知識為載體通過顯化科學(xué)方法學(xué)習(xí)知識,通過科學(xué)方法將散落的知識點(diǎn)串接起來凸顯知識之間的方法邏輯．知識線中分為對概念的引入、內(nèi)涵分析及價(jià)值延伸3部分,方法線中被挖掘的方法有,觀察法、歸納法、假設(shè)法、符號判斷法、平衡法和辯證法．

圖1 靜摩擦力的知識——方法對應(yīng)圖

2.1 觀察法與歸納法下的概念引入邏輯

圖2 拔河比賽中的靜摩擦力

概念的引入遵從了“摩擦現(xiàn)象—摩擦—靜摩擦力”的知識認(rèn)知序,從摩擦現(xiàn)象到“摩擦”,再到靜摩擦力定義的給出體現(xiàn)了從生活走向物理的教學(xué)研究路徑．如果要實(shí)現(xiàn)從生活走向物理,那么透過摩擦現(xiàn)象把握諸多摩擦現(xiàn)象中的共有本質(zhì)之研究方法至關(guān)重要,笛卡爾說過“最重要的知識是關(guān)于方法的知識”,關(guān)于“方法”的知識是打開未知世界之門的鑰匙,對靜摩擦力概念的引入筆者采用觀察法和歸納法．生活中存在諸多關(guān)于滑動摩擦和靜摩擦的摩擦現(xiàn)象,并非所有的摩擦現(xiàn)象都可以進(jìn)入課堂教學(xué)空間,需要教師按照學(xué)生已存有的關(guān)于摩擦的“生活體驗(yàn)”,并且依據(jù)這種體驗(yàn)的強(qiáng)烈程度加以甄別和篩選．為此,在列出了生活中常見的靜摩擦現(xiàn)象之后筆者給學(xué)生展示了學(xué)生自己拔河的照片,如圖2所示為拔河的場景,在觀察過程中,觀察的視角需聚焦兩處,分別是手掌與繩子接觸點(diǎn)及雙腳與地面的接觸點(diǎn)．因?yàn)閷W(xué)生對自己的拔河比賽有強(qiáng)烈的生活體驗(yàn),他們首先會從中明白“接觸”這一先決條件對靜摩擦力的重要意義,如果沒有“接觸”比賽是不可能進(jìn)行的,“觸而不磨”將無從借力,比賽亦難進(jìn)行,從這一方面來講“接觸”是“摩擦”被定義的必要條件,但是與此同時(shí)物體之間相互接觸未必就一定會產(chǎn)生摩擦;“觸而不磨”即為相對靜止,是無條件的靜止,對靜摩擦力而言“觸而且磨”是有條件的相對靜止,即“磨之所向”的問題．學(xué)生的整個(gè)觀察過程伴隨著歸納和判斷,這也是發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法的精髓之所在,通過最后的歸納總結(jié)便可得到靜摩擦力的概念,順便也得到了滑動摩擦力的概念．這就是觀察法與歸納法相結(jié)合的、由生活進(jìn)入課程的靜摩擦力概念的引入邏輯．

2.2 假設(shè)判斷法與平衡法下的概念內(nèi)涵分析

摩擦力方向的研究中蘊(yùn)藏著假設(shè)法,假設(shè)法的運(yùn)用使得相對運(yùn)動趨勢不再晦澀難懂,使得靜摩擦力的方向明朗化．受到靜摩擦力的物體顯著的特點(diǎn)是“內(nèi)心有想法,外表很平靜”,物體受到靜摩擦力其接觸面必定是粗糙的,此處的假設(shè)法實(shí)際上是理想化思想的具體體現(xiàn),假設(shè)法的運(yùn)用步驟如下: (1) 假設(shè)接觸面是光滑; (2) 在假設(shè)的前提下,物體會向其余外力之合力的方向運(yùn)動,這就是相對運(yùn)動趨勢的方向; (3) 與這個(gè)運(yùn)動方向相反的方向就是靜摩擦力的方向; (4) 在假設(shè)的前提下,如果物體相對接觸面不運(yùn)動，則物體不受靜摩擦力的作用．

在該階段引導(dǎo)學(xué)生分析圖3,圖3所示為木板——木塊組合體,給(a)圖木板不施加水平向右的力F,(b)圖的木板使加力F,它們的下方放置一木塊且都處于靜止?fàn)顟B(tài)．對(b)圖的木板而言,假設(shè)木板與木塊之間的接觸面光滑,木板相對于木塊向右運(yùn)動則此方向?yàn)槠湎鄬δ緣K的運(yùn)動趨勢的方向,這樣的處理也給出了相對運(yùn)動趨勢的判斷方法,至此教師可直接給出相對運(yùn)動趨勢這一物理術(shù)語．根據(jù)假設(shè)法的運(yùn)用步驟就得到靜摩擦力的方向水平向左,對比之下(a)圖的木板并未發(fā)生任何變化,所以它并不受到靜摩擦力的作用．

圖3 木板—木塊組合體

摩擦力方向的判斷也可以采用符號判斷法進(jìn)行,中學(xué)物理中正負(fù)符號的含義極為豐富,相關(guān)文章對此作了深入的研究[4]．符號判斷法的具體步驟如下: (1) 首先規(guī)定一個(gè)確定的正方向,在相應(yīng)的矢量前冠以“+”,與規(guī)定正向相反的方向統(tǒng)一標(biāo)記為負(fù)方向,在相應(yīng)的矢量前冠以“-”,如果一些矢量不清楚其方向一律冠以“+”; (2) 根據(jù)物體的運(yùn)動狀態(tài)列出相應(yīng)的狀態(tài)方程,在此狀態(tài)方程下再確定方向不清楚的矢量的正負(fù)號; (3) 根據(jù)(2)中確定的正負(fù)號確定未知矢量的方向,若該矢量量值為0,則該矢量不存在．圖3(b)中,規(guī)定以力F的方向?yàn)檎较?由木板處于平衡狀態(tài)可知木板一定受到木塊施加的靜摩擦力,其方向未知,列出狀態(tài)方程F+f=0,則f=-F<0,則靜摩擦力的方向與規(guī)定的正方向相反,其方向向左,圖3(a)沒有向右的外力,故f=0,說明靜摩擦力不存在．

靜摩擦力大小的計(jì)算應(yīng)當(dāng)顯化平衡法這一重要方法,平衡法的顯化在于被解決的物理問題的提出,只要能夠分析到“對拉”這一物理操作,平衡法便浮出知識的水面，也就順理成章地得到顯化,這是一個(gè)間接的、借力求力的過程．教材中僅僅提到的是二力平衡,教材中利用彈簧秤拉木塊實(shí)際上就是平衡法的具體應(yīng)用,實(shí)際上完全可以在以后的學(xué)習(xí)中將這種二力的平衡拓展到三力的平衡,平衡法是物理美學(xué)在問題解決中的具體表現(xiàn)形式,正如在符號判斷法中所列的狀態(tài)方程那樣,方程中的等號表示了平衡、表示了一種對稱的美．

2.3 應(yīng)用分析中辯證法的價(jià)值延伸

從在前面的分析中可知教材對靜摩擦力的處理只指明有利的一面,未說明有害的一面,這是典型的“言而不全說、點(diǎn)而不全中”．從辯證法的角度來看事物的矛盾具有普遍性,在靜摩擦力的教學(xué)中應(yīng)當(dāng)對此有所體現(xiàn),趨利避害就成為人們生活實(shí)踐的必然選擇．利用傳送帶將物體從低處輸送至高處、輪胎上面的花紋、拿在手中的瓶子和毛筆、用筷子夾起食物等等都是靜摩擦力應(yīng)用的鮮活實(shí)例．但是靜摩擦力也給人們帶來了不利的影響,例如,生銹的車輪無法轉(zhuǎn)動、時(shí)間久了定位銷很難從銷空拔出、汽車輪子陷入泥地難以移出地面等等都是有害靜摩擦的實(shí)例．辯證法的價(jià)值就在于對學(xué)生進(jìn)行認(rèn)識上的教育,讓學(xué)生從唯物主義辯證法的角度認(rèn)識到事物的兩面性．辯證法的顯化在于利與害對比,通過學(xué)生自己列舉實(shí)例,教師點(diǎn)撥認(rèn)識辯證法的意義，達(dá)到對靜摩擦力的真正理解．

3 概念邏輯建構(gòu)的思考

物理概念建構(gòu)的邏輯在本質(zhì)上是由蘊(yùn)藏在關(guān)于此概念的事實(shí)性知識中的科學(xué)方法所決定的,這種科學(xué)方法可以成為物理概念獲得的重要工具,為此就必須深入地挖掘這種科學(xué)研究方法．把握好“對應(yīng)原則”，則與物理概念相對應(yīng)的科學(xué)研究方法就可以浮出知識的水面,要突破傳統(tǒng)的“物理現(xiàn)象—邏輯分析—概念形成—概念鞏固—概念應(yīng)用”概念教學(xué)模式,需要以科學(xué)方法為中心不斷顯化科學(xué)研究方法,每一步都應(yīng)當(dāng)以合理的科學(xué)方法為支撐合情合理地鋪展開來,明了其意義，把握其內(nèi)涵，最終實(shí)現(xiàn)對物理概念的建構(gòu)．

對“靜摩擦力”這節(jié)內(nèi)容而言,依據(jù)對應(yīng)原則我們形成了知識—方法并行線,不論是概念的形成、概念的內(nèi)涵分析還是概念的價(jià)值拓展，都以特定的方法為支撐，步步緊扣，最終形成了靜摩擦力概念建構(gòu)的新邏輯,形成了“現(xiàn)象—方法—概念”和“概念—方法—應(yīng)用”的新的教學(xué)思路．當(dāng)然一個(gè)知識可以對應(yīng)不止一個(gè)的科學(xué)研究方法,究竟哪一個(gè)方法最適合物理課堂教學(xué),需要教師認(rèn)真分析學(xué)生實(shí)際狀況，實(shí)事求是地開展教學(xué)研究,真真正正地通過顯化科學(xué)研究方法把科學(xué)方法教育落到實(shí)處．

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1[M].北京:人民教育出版社,2010:57-58.

2 高凌飚.中學(xué)物理課程論[M].上海:上海教育出版社,1999:138-150.

3 喬際平,張憲魁.初中物理教材的選擇與分析[M].北京：高等教育出版社,1993:99.

4 林中峰.高中物理矢量和標(biāo)量中的正負(fù)號含義[J].科技風(fēng),2013(12):96-97.

2017-04-11)

本文系安徽師范大學(xué)博士啟動金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號： 2017XJJ27)的階段性成果.