顯化方法生長思維轉識成智

摘要：教育是教人以智慧，教師應為思維而教.顯化方法是生長思維的有效途徑，實踐智慧是知識的價值體現.從皮亞杰的雙重建構理論出發，通過“認知沖突”“主題強化”內化建構等效法，生長思維；通過“物理習題”“原始物理問題”外化建構等效法，轉識成智.

關鍵詞：顯化等效法；思維；內化建構；外化建構

作者簡介：劉權（1980-），男，江蘇蘇州人，教育碩士，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學.

教育是教人以智慧.教師應為思維而教，教會學生學會思維，學會解決問題.在知識與思維之間，知識本身并無價值，知識的價值存在于“解決問題”的過程中，知識發揮的是它思維訓練的價值.基于核心素養，教育通過知識培養人的認識能力，然后轉識成智，開發人的思維能力，形成創造性，最后化智成德，養成德性，使受教育者成為具有全人格的人[1].

杜威認為：“身體的生長是由于食物的消化吸收，同樣，思維的生長是由于教材的合乎邏輯的組織.”按照科學方法所展開的路子去編寫教材，是生長思維的有效途徑.科學方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結出來的確定的思維程序和行為方式[2].采用科學方法的顯化方法來編寫教材，邏輯明確，脈絡清楚，容易使學生在學習中建立良好的認知結構，并形成有序的知識結構.這樣培養出來的學生往往具有很強的分析問題和解決問題的能力[3].

等效法也叫等效替代法，是物理學研究的重要方法之一，它是把陌生、復雜的物理對象、物理過程在保證某種效果、特性或關系相同的前提下，轉化為簡單、熟悉的物理對象、物理過程來研究其本質和規律的一種思想方法.常見的等效法有對象的等效、模型的等效、過程的等效、運動的等效、作用的等效、原理的等效、圖形的等效和方法的等效等[4].

1內化建構等效法，生長思維

從皮亞杰的雙重建構理論出發，在實際的物理教育中，教師向學生傳授大量經過抽象的系統間接經驗過程本質上是一個認知的內化建構過程.學生的聽課、做題、考試等環節都是圍繞著內化建構而展開的[3].

認知結構通常是指學習者頭腦中擁有的知識結構，是知識和科學方法的心理組織結構，是學習者過去全部有意義學習的積累結果.只有當知識和科學方法轉變為學生頭腦中的認知結構時，才具有能力的性質[2].皮亞杰認為：當思維成功地把現實同化與它本身的結構，同時這個結構又順應于現實所出現的新的環境時，思維便很合適地適應特定的現實了[5].

11運用“認知沖突”，順應認知結構

順應是指改變內部圖示，以適應環境現實.教師可運用“認知沖突”手段，打破學生已有的認知平衡，將“等效法”融入學生的認知結構，實現順應.

例1如圖1所示，一勻強電場與直角坐標系平行，A的坐標為（2，0），B的坐標為（0，3），O、A、B位置的電勢分別為0V，6V，3V.求電場強度E？

常規法：先找等勢面，根據電場線與等勢面垂直，確定電場強度方向，再根據U=Ed確定電場強度大小.

等效法：如圖2所示，先根據O、A電勢確定電場強度在x方向的分量Ex，根據O、B電勢確定電場強度在y方向的分量Ey，再利用Ex、Ey和E的等效關系，得到電場強度E.

認知沖突：在解題效率方面，等效法優于常規法；在認知負荷方面，等效法只要求學生使用電場相關的基本知識和方法，而不用去找等勢面，認知負荷降低.

例2如圖3所示，一單擺處在水平向右的勻強電場中，小球帶正電，讓小球從最低點A靜止釋放，請找出小球上擺的最高位置B？已知小球重力是電場力的3倍.不計空氣阻力.

常規法：小球在重力、拉力和電場力共同作用下，上擺到最高位置B.設擺長和最高位置上擺的夾角，再利用動能定理，得知小球克服重力做功等于電場力做功.運用數學三角函數關系，得到小球上擺的夾角為60°.

等效法：如圖4所示，利用合力與分力的等效關系，得到重力和電場力的合力F（不變），再根據動能定理，得到合力F做功等于0，即F與AB線段垂直.迅速得知三角形OAB為等邊三角形.

認知沖突：在解題效率方面，等效法優于常規法，物理方法優于數學方法；在認知負荷方面，等效法只要求學生使用功能相關的基本知識和方法，而不用去設置過多的物理量，用數學表達式求解，認知負荷降低.

12運用“主題強化”，同化認知結構

同化是指把環境因素納入有機體已有的圖示或結構中，以加強和豐富主體的動作.此處的圖示在本文中是指“等效法”，而對應的動作是指“等效法”的強化應用.教師可以運用“主題強化”手段，強化學生在同類情境中運用“等效法”的意識，實現同化，形成自覺行為.使學生產生一種對問題的敏感性，用等效法迅速地抓住問題的要害，找出解決問題的途徑.

121模型強化

例3如圖5所示，水平放置的U形金屬框架中接有電源，電源的電動勢為E（內阻不計），框架上放置一質量為m、電阻為R的金屬桿ab，它可以在框架上無摩擦地滑動，框架兩邊相距L，框架處在勻強磁場當中，磁感應強度為B，方向垂直框架向下請求出穩定時金屬桿ab的速度大小？

如圖6所示，將圖5中的電源換成充好電的電容器（電容為C，電荷量為Q），其它條件不變.請求出穩定時金屬桿ab的速度大小？

如圖7所示，將圖5中的電源換成運動的金屬桿cd（質量為m、電阻為R），讓金屬桿cd以速度v水平向右切割磁感線，其它條件不變.請求出穩定時金屬桿ab的速度大小？

等效法強化：圖6中，將充好電的電容器等效成圖5中的電源，不過電容器在放電的過程中，電容器兩極板的電壓不斷減小，可以看成是一種電動勢變化的電源；圖7中，將切割磁感線的金屬桿cd等效成圖5中的電源，不過運動的金屬桿cd向右運動，產生感應電動勢（隨v的改變而改變），可以看成是一種電動勢變化的電源.接下來圖6、圖7處理分析金屬桿ab的運動的思路和圖5方法相同.

122過程強化

例4如圖8所示，豎直放置的等螺距螺線管高為h，該螺線管是用長為L的硬質直管（內徑遠小于h）彎制而成.一光滑小球從上端管口由靜止釋放，求小球運動到底端的時間？

如圖9所示，小球從地面以初速度v做斜拋運動，不計空氣阻力，求小球落地時水平位移？

如圖10所示，在場強為B的水平勻強磁場中，一質量為m、帶正電q的小球在O靜止釋放，小球做擺線運動，求小球運動到最底端的y坐標值？

等效法強化：圖8中，將小球的螺旋線運動等效成小球沿高度為h，長度為 L的斜面運動；圖9中，將小球的拋物線運動等效成兩個方向直線運動的合運動（小球以vx向右做勻速直線運動和以vy向上做加速度為g的豎直上拋運動）；圖10中，將小球的擺線運動等效成直線運動和圓周運動的合運動（小球以v向右做勻速直線運動和以v逆時針做勻速圓周運動，其中v滿足mg=Bqv）[6].

2外化建構等效法，轉識成智

從皮亞杰的雙重建構理論出發，外化建構是學生把在課堂上所學知識用來解決物理問題的過程.應當明確指出的是，學生解答物理習題的過程并不是認識的外化建構過程，而是認識的內化建構過程.對此，楊振寧教授指出：“僅僅讀很多的書，從老師那里學到很多知識，做很多習題，只能說是訓練獨立思考能力的一半.而另一半的方法是復雜的，不是每個學生都能采納同樣的建議或勸告，這個方法要靠自己去摸索.”顯然，楊振寧教授所說的前者是指認識的內化建構，而后者即指認識的外化建構[3].

21批判性處理物理習題

批判性思維是一種高階思維素養.思維的批判性是指思維中嚴格估計思維材料和檢查思維過程，善于獨立思考，不受暗示干擾，善于發現問題，提出質疑，進行爭論，不斷分析解決問題所依據的條件，反復檢查已擬定的假設、計劃和方案；善于客觀地考慮正反兩方面的論據；善于明辨是非曲直，不人云亦云，盲從附和[7].

例5圖11所示的圓盤模型（A、B物體質量分別為m和2m，距離圓心的距離分別為r、2r，物體與圓盤間的動摩擦因素都為μ，有輕繩連接），學生常常視為難點.要保證物體能隨圓盤做勻速圓周運動，求物體轉動最大角速度的問題，學生理解較為費勁.于是學生批判性設想：此題涉及兩個物體，又由于超過最大角速度，A、B物體都會滑動，能否找到一個物體C代替物體A和B？可見學生已經具備了等效法應用的自覺行為.由于高中不涉及系統質心的概念，學生需要查詢資料學習質心概念，再根據質心特點，確定了物體C的特點：質量為3m，位置在圓心左邊，離圓心的距離為r.學生通過批判性運用等效法，成功將問題轉化為對一個物體的運動研究，輕松化解了難點.

22創造性解決原始物理問題

原始物理問題是指自然界及社會生活、生產中客觀存在能夠反映物理概念、物理規律本質且未被加工的典型物理現象和物理事實.原始物理問題的表述形式是對物理現象的描述，它基本上采用文字敘述的方式呈現物理現象，沒有物理習題中常見的已知量、未知量.

原始問題所具有生態性和開放性等特點，決定了其解決過程必然是探索和發現的過程.面對客觀真實的原始問題，學生很難找到可以直接模仿的題型，而是需要通過獨立思考，不斷嘗試，對問題進行思考.學生的創造性思維的培養只有在原始問題教學中才有生命力，才能顯示出思維的內涵、色彩、格調，才能顯示出思維內在的理由、作用和功能[2].

例6如圖12所示，節日里燃放禮花，禮花彈升到高空之后引爆，煙花將向著各個方向飛行.但是禮花彈形成的煙花總是在空中呈現一個向外擴大的球形.試解釋，禮花彈形成的煙花在任一時刻總是在同一個球面之上[2].

抽象表征：忽略空氣阻力，把煙花抽象成質點.假設禮花彈爆炸時，任一煙花的速率都相同

賦值表征：可以用正交分解的方法賦值，這里推薦使用極坐標系的方法賦值.設任一煙花的初速度為v，t時刻煙花相對于坐標原點（爆炸中心位置）的位移為r.

方法表征：選取極坐標系，用等效法和演繹推理法.

物理表征：煙花豎直方向做自由落體運動.相對于坐標原點，煙花以v向各個方向做勻速直線運動.

數學表征：在任一時刻t，任一煙花都會分布在半徑為r=vt的球面上，其球心在爆炸中心位置的正下方12gt2處.

3教學建議

31顯化方法、生長思維、轉識成智的教學過程其實是一種深度教學過程

學生在深度教學中與學習內容充分互動，涉及的教學內容與學生經驗體系充分融合.學生僅記住知識的符號、含義是不夠的，還必須把握知識背后的價值、邏輯、方法以及運用知識進行創造[8].等效法是一種物理方法，它與物理知識緊密聯系，科學方法還包括思維方法（分析、綜合、抽象、概括等）.教師在顯化方法的時候，不能刻意將物理方法和思維方法隔離開來.深度教學的應然狀態是激勵學生運用思維方法展開思維活動，借助物理方法去解決問題.

32物理問題解決由思維品質、物理知識、物理科學方法共同起作用

思維品質是問題解決的基礎與起點，并且先有思維品質的參與，然后才是物理知識和物理方法的參與[2].因而，教師要保證顯化方法、生長思維的效果，應該注重學生思維品質的培養，在物理概念的建立中，在物理規律的探究中，在物理原始問題的解決中，有意識地、有針對性地培養學生思維的深刻性、靈活性、批判性、獨創性和敏捷性.

33方法的知覺、模仿、領悟、遷移是一個思維進階的過程

建議教師以習題為基礎，運用“認知沖突” 順應認知結構，運用“主題強化”同化認知結構，助學生自覺運用方法.再以原始問題為升華，助學生轉識成智.

參考文獻：

[1]郅庭瑾.為思維而教[M].北京：教育科學出版社，2007.

[2]邢紅軍.高中原始物理問題教學研究[M].北京：中國科學技術出版社，2016.

[3]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國科學技術出版社，2014.

[4]李柏濤.等效法在自主招生考題中的應用[J].物理教師，2013（12）：90.

[5]皮亞杰.皮亞杰教育論著選[M].北京：人民教育出版社，2015.

[6]張慶枝.對一道電磁學選擇題的討論[J].物理教師，2011（12）：50.

[7]田世昆，胡衛平.物理思維論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.

[8]羅祖兵.深度教學：“核心素養”時代教學變革的方向[J].課程·教材·教法，2017（4）：23.