試論牛頓第一定律的學習機制與教學

劉紫微 陳 剛

(華東師范大學教師教育學院,上海 200062)

當前教學論領域主要有兩類研究取向:基于哲學和教學實踐經驗總結的教學論,和基于學習心理學和實證研究的教學論.哲學經驗取向的教學論確實提出了“學生為本”“量力施教”等符合教學規律的教學原則,但對具體一節課的規劃缺乏直接指導性.[1]學習心理學揭示出了學習的內部機制,證明學生學習的過程實則是進行信息加工的過程,符合學習機制的教學才是有效的教學,這為教學指明了方向.[2]

1 物理概念和規律的學習機制

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質特征在人們頭腦中的反映,是物理事物的抽象.物理規律是物理現象、過程在一定條件下發生、發展和變化的必然趨勢及其本質聯系的反映.[3]學習心理學表明,學生是經歷理論分析或實驗歸納途徑,通過一系列邏輯加工過程習得物理概念和規律意義的.基本的邏輯加工機制主要有探究因果聯系的穆勒五法(求同法、差異法、求同求異法、剩余法和共變法)及演繹推理.[4]

以共變法為例.共變法是通過考察被研究現象發生變化的若干場合中,確定是否只有一個情況發生相應變化,如果是,那么這個發生了相應變化的情況與被研究現象之間存在因果聯系.[2]其結構如表1.

表1 共變法的邏輯結構

2 牛頓第一定律的學習機制

2.1 學習中獲得的結論

牛頓第一定律的內容為:一切物體在沒有受到力的作用時,總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態.為總結得出牛頓第一定律,實際教學中應獲得如下兩個子結論.

結論1:原先靜止的物體,不受外力,將保持靜止.

結論2:原先運動的物體,不受外力,將保持勻速直線運動.

2.2 結論獲得的基本機制

2.2.1 結論1的學習機制

生活中有很多相關事例,因此可選擇理論分析途徑,引導學生舉例,如靜止放置在桌面的文具盒、靜止放置在地面的紙箱、靜止懸掛在墻面的相框,不對其施加外力,它們仍保持靜止.再通過求同法獲得結論1,此為推理1.

2.2.2 結論2的學習機制

從初中教材中可看出,這一結論的獲得采用實驗歸納途徑.通過單斜面實驗獲得子結論2.1,即物體運動距離與所受阻力大小之間的關系.這一結論是通過共變法獲得的(如表2).

表2 運用共變法獲得結論2.1

由結論2.1獲得結論2需要運用極限推理,其基本思想是:若A和B有關,且有程度上的連續變化,可通過將B條件極端化(極大或極小),從而推測在此條件下A所達情形.由于B條件極端化,往往在現實生活中無法實現,故也可稱為“理想實驗法”.

因此,在學生獲得結論2.1后,教師可引導學生進行極限推理(推理3):物體運動距離與物體所受阻力大小有關,阻力越小,物體運動距離越遠.則若物體不受阻力,物體運動距離將無限遠,即物體將一直運動下去.且因為沒有影響其運動的因素,物體將保持原來的速度勻速直線運動下去.

高中教材選用了與初中形式不一的雙斜面拼接實驗,則相應的學習機制如下.

(1) 通過共變法獲得子結論:“物體沖上另一斜面到達的高度與所受阻力大小有關,阻力越小,物體到達高度越接近原高度”.

(2) 通過極限推理獲得子結論:“若沒有摩擦,物體沖上另一斜面時將能上升到原高度”.

(3) 減小右側斜面傾角,再運用一次極限推理得到結論2.

2.3 學習機制討論

2.3.1 初、高中的學習機制一致

由上述分析可知,雖然初、高中教材選用了不同的實驗裝置,但都是通過求同法獲得結論1,通過共變法和極限推理獲得結論2.初、高中所獲結論和邏輯過程是一致的,表明其學習機制是一致的.

2.3.2 不宜擴大理想實驗法的適用范圍

“理想實驗法”時常與“牛頓第一定律”一起被提及.但目前許多教材和教師擴大了理想實驗法的適用范圍,夸大了它的作用.如人教版高中物理教材中對“理想實驗”的描述為:當然,我們不能消除一切阻力,也不能把第二個斜面做得無限長,所以伽利略的實驗是個“理想實驗”.[5]這樣的描述易使學生誤認為伽利略的這項研究就只用到了理想實驗法.

實際上,理想實驗是人們以真實的科學實驗為基礎,以邏輯法則為依據,運用豐富的想象力,在思維中設計出的“實驗過程”.因此也可以說,理想實驗法是人們借助于邏輯推理,在思想上塑造的一個假想的、理想化過程.[6]即如前文所述,理想實驗法的核心實際是“極限推理”這一邏輯推理方法,它只用在由子結論推導出結論2的環節.

盡管理想實驗法對正確認識物體運動狀態與受力間的關系而言十分關鍵,但畢竟首先要得出物體運動與摩擦阻力之間的關系,而這一結論顯然是遵循物理研究的方法實現的.也就是說伽利略的研究整體上是遵循了科學研究的一般方法,只是在特定環節中運用了理想實驗法.因此,教師應在教學中給學生講清楚研究的各個環節采用的方法,并幫助學生正確理解理想實驗法,不宜擴大理想實驗法的適用范圍,夸大其在此實驗中的作用.

3 牛頓第一定律的教學

“牛頓第一定律”在初、高中重復出現,雖然兩階段學習機制一致,但在教學重點上可以有所差異.

3.1 初中教學

學生在初中初次接觸牛頓第一定律,因此應以獲得結論為核心目標.加之教材上已給出明確的實驗設計,因此教學重點可聚焦在執行實驗獲得數據和處理數據獲得結論兩個環節,著重培養學生的邏輯思維,讓學生學會用推理的方式獲得結論,并掌握牛頓第一定律的內容與內涵.

3.2 高中教學

學生在高中再次接觸牛頓第一定律時,對其內容已有所了解,故而重點不應仍為知識點教學.可以在快速回顧完牛頓第一定律的內容后,著重介紹亞里士多德和伽利略兩者的研究方法,分析兩者研究的異同和意義.如此將有助于培養學生的核心素養,讓學生形成物理觀念,內化經典物理運動觀的同時,還能形成科學思維,習得科學研究的方法、科學推理及科學論證.

3.2.1 亞里士多德的研究方法

為了解釋“推動物體的力不再作用時,原來運動的物體就要靜止下來”這種事實,亞里士多德學派提出:所有物體都存在一個“自然狀態”,“靜止”就是地面上物體的“自然狀態”.物體要違逆“自然狀態”作受迫運動,必須要外在作用來維持.[7]

因此,亞里士多德學派通過類似前文推理1的方法得出了結論1:地面上原先靜止的物體,不受外在作用時,將保持靜止.又通過否定后件式的三段論演繹推理獲得了結論2:地面上原先運動的物體,不受外在作用時,將回到靜止.邏輯過程如表3.

表3 演繹推理獲得結論2的邏輯過程

也就是說,亞里士多德關于運動的研究,采用的是理論分析的研究方法,運用了三段論演繹推理.該研究方法本身是沒有錯的,只是因為演繹推理的大前提是亞里士多德提出的先驗性前提,無法判斷真偽,才導致了結論的錯誤.

3.2.2 伽利略的研究方法

伽利略不認同亞里士多德的觀點,他認為亞里士多德關于地面物體運動的錯誤之處在于沒有注意摩擦的影響.因此,伽利略先通過斜面實驗得出了摩擦與物體運動間的關系(類似前文推理2),再通過理想實驗法(類似前文推理3)得出結論:運動的物體不受外在作用時,將一直運動下去.

可見,伽利略關于運動的研究,采用的是實驗法的研究方法,但在獲得結論時,也是運用了邏輯推理的方法.與亞里士多德的先驗性前提不同的是,伽利略首次采用實驗的方法,得出了正確的大前提,從而確保了邏輯推理得出的結論正確.

3.2.3 兩者研究的異同

亞里士多德和伽利略的研究有一些相似之處,如:都是對未知世界規律性的解釋;都以客觀世界為認識對象;都遵循邏輯.

兩者的研究也存在差異.亞里士多德倡導邏輯理性的研究方法,認為分析學或邏輯學是一切科學的工具.但由于大前提大多是無法確定真偽的先驗性前提,并未提出一個可以確定前提客觀性的判定標準或方法,所以研究中總會有許多錯誤的認識和結論.伽利略改進了研究方法,其推理的大前提都是有實驗或事實基礎的,并以符合人類邏輯機制的方式推理獲得結論.

伽利略的重大貢獻與其說是對亞里士多德理論的修改,不如說是方法上的重大突破.實驗法、理想實驗等方法逐漸形成并得以在研究中確立起來,科學的研究方法逐漸形成,進而使物理走上了獨立發展的道路,并開創了近代科學.

本文基于學習心理學分析牛頓第一定律的學習機制,是新穎的研究視角,目前少有此類研究.依據學習機制,明確了理想實驗法的適用范圍及核心,提出了初、高中教學建議,有利于學生正確理解牛頓第一定律及理想實驗法,且對發展學生的核心素養具有十分積極的意義.