物理思想方法的學(xué)習(xí)路徑探討①

(浙江省溫嶺市新河中學(xué)，浙江 溫嶺 317502)

物理思想方法的學(xué)習(xí)路徑要根據(jù)物理思想方法的特征來確定，而物理思想方法的特征取決于分類方法。因此我們先要梳理出物理思想方法的分類模型，才能根據(jù)各自的特征來選擇學(xué)習(xí)的路徑，本文采用的是如圖1所示的分類方法。

圖1

1 物理方法的學(xué)習(xí)路徑

1.1 從心理學(xué)角度看物理方法的學(xué)習(xí)路徑

從心理學(xué)角度來看，物理方法屬于強(qiáng)認(rèn)知方法，包括途徑、步驟、手段等，其基本的特征是具有可操作性。物理方法的學(xué)習(xí)需外部信息的直接輸入和大量存儲(如圖2)。

圖2

1.2 從物理學(xué)習(xí)角度看物理方法的學(xué)習(xí)路徑

從物理學(xué)習(xí)角度來看，物理方法分為理論方法、實驗方法。其中，理論方法包括獲得知識的物理方法、應(yīng)用知識的物理方法，實驗方法包括測量的方法和數(shù)據(jù)處理的方法。

理論方法學(xué)習(xí)路徑與實驗方法學(xué)習(xí)路徑有共通的地方，都要經(jīng)歷三個階段：重演過程、明確方法和遷移應(yīng)用(如圖3)。通過重演過程感受方法；通過明確方法，知道方法的特征、步驟和意義；通過遷移應(yīng)用，達(dá)到靈活使用甚至是創(chuàng)造性使用的境界。當(dāng)然，理論方法學(xué)習(xí)與實驗方法學(xué)習(xí)的具體路徑并不完全相同，筆者主要針對它們的不同點(diǎn)來展開論述。

圖3

1.2.1 理論方法的學(xué)習(xí)路徑

(1) 獲得知識物理方法的學(xué)習(xí)路徑

獲得知識的物理方法包括比值定義法、理想化方法、控制變量法、實驗歸納法、演繹推理法等。例如，要學(xué)習(xí)比值定義法這種方法，學(xué)生需要經(jīng)歷一個方法重演的過程，以此明確比值定義法的內(nèi)涵、步驟、比值定義法的公式與決定式之間的區(qū)別，通過遷移應(yīng)用鞏固所學(xué)方法。以下用具體案例予以說明。

案例一：用比值定義法定義電場強(qiáng)度

圖4

其次是明確方法。要理解比值定義法的內(nèi)涵，必須明確為什么要將兩個物理量相比。例如在電場中某一確定位置，電場的強(qiáng)弱是一定的，不同試探電荷在電場中同一位置所受的電場力不同，因此不能用電場力來描述該點(diǎn)處電場的強(qiáng)弱。但F、q的比值就符合這一要求，電場中同一位置處F、q的比值相同，電場中不同位置處F、q的比值不同。比值定義法所定義的物理量大小由物質(zhì)本身決定，與定義式中其他物理量沒有關(guān)系。

(2) 應(yīng)用知識的物理方法的學(xué)習(xí)路徑

應(yīng)用知識的物理方法包括思想方法和具體方法。

第一，思想方法包括假設(shè)法、等效法、微元法、圖像法、整體法、隔離法、補(bǔ)償法、極限法、模型法等。思想方法的學(xué)習(xí)需要重演思維過程，學(xué)生通過親身的體驗才能習(xí)得。例如平拋運(yùn)動理想模型的學(xué)習(xí)，首先從一個實際的場景開始，標(biāo)槍運(yùn)動員投出一支標(biāo)槍，在空中劃出一道弧線后插在地面上。由于標(biāo)槍所受空氣阻力較小可以忽略不計，加之標(biāo)槍各部分運(yùn)動情況相同，因此，可將標(biāo)槍視為質(zhì)點(diǎn)。再仔細(xì)觀察標(biāo)槍的運(yùn)動路徑，發(fā)現(xiàn)是一條左右對稱的曲線，所以可把標(biāo)槍的斜上拋運(yùn)動分割成左右對稱的兩個部分，取其中一部分來研究，即可推知與之對稱的另一部分的規(guī)律。為了方便，我們?nèi)?biāo)槍(質(zhì)點(diǎn))從最高點(diǎn)到地面的這部分來研究，此即平拋運(yùn)動的理想化模型。它是從實際場景中經(jīng)一系列簡化后逐步抽象出來的。

第二，具體方法包括逐差法、正交分解法、微平移法、估算法等。具體方法的學(xué)習(xí)需要明確操作的程序，再通過相應(yīng)的變式訓(xùn)練，才能熟練掌握。例如，應(yīng)用左手定則來判斷洛倫茲力方向的方法。首先展開手掌，大拇指與四指方向垂直，讓磁場穿過手心；然后旋轉(zhuǎn)手掌，讓四指方向與正電荷運(yùn)動方向相同(或與負(fù)電荷運(yùn)動方向相反)，則大拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。在具體實際的情境中，按照“展—穿—旋—指”這樣的分解步驟反復(fù)操練，學(xué)生就能習(xí)得具體的操作方法。

1.2.2 實驗方法的學(xué)習(xí)路徑

從心理學(xué)角度來看，“實驗方法的原理”是屬于知識，“怎么去操作”是屬于技能。在這里，筆者主要談實驗技能的學(xué)習(xí)路徑。實驗技能的學(xué)習(xí)需通過觀察、討論、操作、反思等步驟來獲得，實驗技能的學(xué)習(xí)路徑如圖5所示。

圖5

學(xué)生通過觀察儀器、觀察教師的示范、交流討論、實際操作、自我反思，獲取外部信息，習(xí)得實驗技能。實驗中，尤其要注意的是不僅要注重操作和討論，更要注意自己的觀察和反思。例如，在“用雙縫干涉測光的波長”實驗中，有些學(xué)生就只關(guān)注光波長的測量，沒有關(guān)注遮光筒上的長桿，他就不會知道長桿的作用，其實驗技能的學(xué)習(xí)就存在缺陷。也有學(xué)生在操作中發(fā)現(xiàn)視野中的分劃線是傾斜的，但不去思考解決，馬馬虎虎地測出光的波長后了事，沒有反思分劃線刻在哪里，如何操作才能將分劃線調(diào)整到位，這樣他的實驗技能的學(xué)習(xí)也是不夠完整的。

(1) 實驗測量方法的學(xué)習(xí)路徑

實驗測量方法的學(xué)習(xí)需通過學(xué)生活動與交流反思來實現(xiàn)。其中，學(xué)生活動包括學(xué)生的觀察與操作，交流反思包括學(xué)生的提問、討論、反思與總結(jié)。下面以“用多用電表測電阻”為例來說明。

案例二：實驗“用多用電表測電阻”

測量任務(wù)：用多用電表測量120Ω定值電阻的阻值。

學(xué)生操作：不同學(xué)生采用了不同的檔位來測量，他們觀察到的信息是不同的，教師讓學(xué)生交流自己的測量結(jié)果。

學(xué)生1:用×1檔測量，觀察到讀數(shù)大約為100Ω，但讀數(shù)難以準(zhǔn)確估計。

學(xué)生2:用×10檔測量，觀察到讀數(shù)為120Ω。

學(xué)生3:用×100檔測量，觀察到讀數(shù)大約為120Ω，但讀數(shù)難以準(zhǔn)確估計。

學(xué)生4:用×1k檔測量，觀察到指針偏轉(zhuǎn)很小，無法讀取測量數(shù)據(jù)。

接著，教師組織學(xué)生開展討論，要使測量結(jié)果準(zhǔn)確，指針應(yīng)當(dāng)指在何處才比較合適。

學(xué)生反思：用多用電表的歐姆檔測量電阻，指針指在中央刻度附近時，讀數(shù)才比較準(zhǔn)確。

通過“操作—觀察—討論—反思”實驗測量方法的學(xué)習(xí)路徑，學(xué)生就能順利地習(xí)得實驗測量的方法。

(2) 數(shù)據(jù)處理方法的學(xué)習(xí)路徑

在數(shù)據(jù)處理的過程中，獲取信息相對容易，關(guān)鍵是要理解與運(yùn)用這些信息。如果缺少操作，學(xué)生獲得的信息就無法進(jìn)入到他們的長時記憶中。例如，用插針法測定玻璃磚的折射率，其操作過程都有一系列的規(guī)范和程序，處理實驗的數(shù)據(jù)也有一定的方法。一種是用量角器測量入射角、折射角，然后利用光的折射定律，求出折射率。另一種是采用單位圓法，用圓規(guī)畫一個單位圓，然后利用刻度尺測量相應(yīng)線段的長度，再利用數(shù)學(xué)方法求出折射率。為了減少測量的誤差，需要多次測量取平均值，還可作出入射角正弦和折射角正弦的關(guān)系圖像，求出直線的斜率，即為折射率。這些信息處理具有很強(qiáng)的操作性，通過聽教師講解、與教師和同學(xué)討論、學(xué)生自己操作才能在頭腦中留下深刻的印象。

2 思維方法的學(xué)習(xí)路徑

2.1 從心理學(xué)角度探討思維方法的學(xué)習(xí)路徑

從心理學(xué)角度來看，思維方法屬于弱認(rèn)知方法，包括比較、分析、歸納、演繹等。它的生理基礎(chǔ)是人的大腦，因此需要通過訓(xùn)練強(qiáng)化才能學(xué)習(xí)到。

2.2 物理學(xué)習(xí)中思維方法的學(xué)習(xí)路徑

物理學(xué)習(xí)中的思維方法分為邏輯思維方法、非邏輯思維方法。邏輯思維方法包括分類、比較、分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹等。非邏輯思維方法包括直覺思維、靈感思維、形象思維、類比、想象等。

2.2.1 邏輯思維方法的學(xué)習(xí)路徑

邏輯思維方法的學(xué)習(xí)從現(xiàn)象開始，通過一定的順序，進(jìn)行逐步的推演來實現(xiàn)。如演繹法就應(yīng)用了三段論：所有的A是B，所有的C是B，因此所有的A是C。物理學(xué)習(xí)中的邏輯思維方法的學(xué)習(xí)也類似于這樣的推演過程，它按一定的邏輯順序展開。下面以“伏安法測電阻”為例來說明。

案例三：“伏安法測電阻”的誤差問題

圖6

問題1：測電阻的實驗電路是怎樣的？請畫出電路圖。

學(xué)生畫出的電路如圖6所示。

問題2：圖6的兩電路中Rx的測量值相同嗎？為什么？

學(xué)生實驗：教師提供阻值為10Ω的定值電阻，讓學(xué)生動手操作并比較兩種實驗的結(jié)果。

問題3：通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于阻值為10Ω的定值電阻，利用電流表外接法測出的結(jié)果是接近10Ω，利用電流表內(nèi)接法測出的結(jié)果是14Ω，為什么不一樣？

分析原因：甲圖中由于電壓表的分流作用，導(dǎo)致I測>I真、R測U真，R測>R真。

得出結(jié)論：當(dāng)被測電阻較小時，用電流表外接法測量電阻較準(zhǔn)確，測量值小于真實值。當(dāng)被測電阻較大時，用電流表內(nèi)接法測量電阻較準(zhǔn)確，測量值大于真實值。

2.2.2 非邏輯思維方法的學(xué)習(xí)路徑

非邏輯思維方法常包含創(chuàng)造性的成分，它的產(chǎn)生包括四個階段：準(zhǔn)備期、醞釀期、靈感期與驗證期。在非邏輯思維方法的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要增加自己的知識儲備，尋找科學(xué)類比的方法，展開大膽的想象，組織大腦風(fēng)暴活動，創(chuàng)設(shè)合適的氛圍。由于豐富的知識儲備是產(chǎn)生非邏輯思維的重要基礎(chǔ)，所以學(xué)生必須要開闊視野，努力增加自己的知識儲備。下面以“帶電粒子在圓形磁場中的圓周運(yùn)動”為例來說明。

案例四：帶電粒子在圓形磁場中的圓周運(yùn)動

圖7

學(xué)生原有的知識儲備(磁聚焦模型)：如圖8所示，不計重力的帶正電微粒從發(fā)射裝置中以等大的速率沿水平方向向右射出，經(jīng)過一個垂直紙面向外的圓形的勻強(qiáng)磁場區(qū)域。已知圓形磁場的半徑為R，帶電微粒發(fā)射裝置的長為2R，圓形磁場的下端剛好與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合，帶電微粒在磁場中做圓周運(yùn)動的半徑也為R，則所有微粒都聚焦于坐標(biāo)原點(diǎn)O。

圖8

在解題中，有學(xué)生做出了大膽的想象(逆向思維法)：圖7中射出的粒子經(jīng)過圓心在y軸正方向，磁場下部與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合，磁場半徑等于粒子做圓周運(yùn)動半徑的圓形磁場區(qū)域，離開磁場時將沿水平方向射出，垂直打在擋板上。

圖9

在上述問題的解決中，學(xué)生從原有的知識儲備中獲得了靈感，運(yùn)用非邏輯思維勾畫了圓形磁場，再通過頭腦風(fēng)暴的形式，結(jié)合邏輯思維，利用縮放圓的方法，找到了邊界條件，得到了圓形磁場的最大半徑，從而推導(dǎo)出磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值。這都得益于非邏輯思維(靈感思維)的有效運(yùn)用。

[1] 邢紅軍.物理教學(xué)論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2015.

[2] 蔡千斌，葉美紅.試論物理實驗教學(xué)中的“過程設(shè)計”[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，(3).