基于理性思維的初中物理概念教學(xué)

陳 懋

(浙江省海寧市斜橋中學(xué),浙江 海寧 314406)

理性思維是一種基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概念過(guò)程，是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì).[1]它具有概念、判斷與推理3種形式.物理的理性思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)分析、質(zhì)疑創(chuàng)新等.庫(kù)恩認(rèn)為，理性思維是智力發(fā)展的最終目標(biāo)，教育的核心在于發(fā)展學(xué)生的思維，尤其是理性思維.科學(xué)教學(xué)的主要任務(wù)，就是幫助學(xué)生運(yùn)用比較、分析、歸納等理性思維工具，對(duì)日常概念進(jìn)行重新組合、提升、進(jìn)而抽象概括出共同屬性，建構(gòu)出科學(xué)概念.科學(xué)概念的建構(gòu)過(guò)程是學(xué)生思維加工的過(guò)程.所以，通過(guò)科學(xué)概念的構(gòu)建，能有效地發(fā)展學(xué)生的理性思維.[2]怎樣在物理概念教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的理性思維呢？

1 畫(huà)圖說(shuō)理，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)思維

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化的概括性描述.模型與建模能力是提高學(xué)生理性思維的一個(gè)重要方面，建模能力被認(rèn)為是學(xué)生將來(lái)從事科學(xué)研究的必備能力.科學(xué)概念本身就是模型，通過(guò)概念模型的建構(gòu)，使得許多抽象的物理概念具體直觀形象化，易于學(xué)生理解.在概念教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)圖并說(shuō)理表達(dá)，促進(jìn)學(xué)生概念的理解，有助于學(xué)生建模思維的發(fā)展.

圖1 重力方向

案例1： 重力概念教學(xué).

對(duì)重力的方向，教師可以利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)，圖1(甲)，球靜止時(shí)線(xiàn)向下，與水平面垂直，我們把這個(gè)方向叫做豎直向下，圖1(乙)，鐵架臺(tái)傾斜的過(guò)程中，球靜止時(shí)線(xiàn)的方向不變，與水平面始終垂直，說(shuō)明重力的方向始終豎直向下.這句話(huà)表達(dá)兩個(gè)方面：重力的方向不變，重力的方向豎直向下.

但學(xué)生對(duì)豎直向下不理解，只認(rèn)可“向下”，往往把豎直向下與垂直向下混淆.因?yàn)樵谒矫嫔希Q直向下與垂直向下是一樣的.同時(shí)學(xué)生對(duì)重力的方向始終不變也懷疑，因?yàn)檫@只是靜止物體的狀態(tài)，如果物體從斜面滾下，它的重力方向是否改變，學(xué)生存在疑惑.對(duì)此，采用如下畫(huà)圖說(shuō)理，幫助學(xué)生理解科學(xué)概念.

任務(wù)1：如圖2，畫(huà)出物體受到的重力方向，并說(shuō)明理由.

圖2 不同物體重力方向

圖3 斜面物體

圖4 不同位置的人

任務(wù)2：豎直向下與垂直向下一樣嗎？學(xué)生畫(huà)圖表示，如圖3所示，豎直向下是與水平面垂直向下，垂直向下是垂直于物體表面；無(wú)論什么物體只要是向著物體垂直的都叫垂直向下.豎直向下和垂直向下是兩個(gè)不同的概念.

任務(wù)3：請(qǐng)畫(huà)出每個(gè)人的重力的方向.如圖4，我們平常所說(shuō)的“向下”，到底指的是什么方向？引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出每個(gè)人的水平面，然后重力的方向是與水平面垂直，學(xué)生很快就知道重力的方向都是指向地球地心.

圖5

任務(wù)4：作圖，畫(huà)出圖5中空中運(yùn)動(dòng)足球的重力方向.引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出水平面，重力的方向是垂直水平面向下，學(xué)生發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的重力方向也是豎直向下.

學(xué)生對(duì)豎直向下缺乏認(rèn)識(shí)，本案例中通過(guò)4個(gè)小任務(wù)，讓學(xué)生明白垂直向下與豎直向下的關(guān)系，動(dòng)態(tài)物體重力的方向，由淺入深，重力的方向豎直向下，其實(shí)是都指向地心.教學(xué)最大的任務(wù)不是孤立地分析一個(gè)獨(dú)立的實(shí)例，而是從孤立的實(shí)例中尋找共性，構(gòu)建共同的模型，同時(shí)分析差異，找出關(guān)鍵原因.通過(guò)畫(huà)圖說(shuō)理，不僅有助于提高學(xué)生讀圖說(shuō)理能力， 加深對(duì)物理概念的理解，而且有助于促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)模型思維的發(fā)展.

2 因果論證，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)分析思維

在布魯姆的理論中，判斷、分析、創(chuàng)造，并列為高階思維的3種形式.單從概念建構(gòu)的狹義角度來(lái)講，科學(xué)教學(xué)就是運(yùn)用概念、展開(kāi)概念、完善概念，再到建構(gòu)新概念的循環(huán)過(guò)程.建構(gòu)概念的目的是為了運(yùn)用概念做出判斷，進(jìn)而形成推理.在概念教學(xué)中，教師充分了解學(xué)生頭腦中的前概念，引導(dǎo)學(xué)生收集大量的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治稣撟C，做出判斷，有助于學(xué)生科學(xué)分析思維的發(fā)展.

案例2： 功率概念教學(xué).

學(xué)生在生活中往往把功率和效率兩個(gè)概念混淆.教師列舉一些生產(chǎn)事例、工作場(chǎng)面，或展示一些做功快慢不同的圖片，學(xué)生進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)做功快慢的情形有更為形象和具體的認(rèn)識(shí)，從而為建立正確的“功率”概念打下良好基礎(chǔ).然后列舉具體事例：在建筑工地上分別采用以下3種方式，把1 t的貨物從地面運(yùn)到3樓，方式1：搬運(yùn)工分批搬運(yùn)，需時(shí)間3 h；方式2：用一臺(tái)起重機(jī)提升，需時(shí)1 min；方式3：用另一臺(tái)起重機(jī)提升，需時(shí)30 s；上述3種情況下，把貨物由地面運(yùn)到3樓時(shí)，請(qǐng)思考以下問(wèn)題：(1) 用不同的方式，對(duì)貨物所做的功是否相同？(2) 所用時(shí)間不同，3種方式中做功的快慢是否相同？學(xué)生進(jìn)行估算，得出結(jié)論：對(duì)重物所做的功相同，但所用時(shí)間不同，說(shuō)明做功快慢不同.引導(dǎo)學(xué)生分析有關(guān)事例，形成初步共識(shí)：人們選用機(jī)械來(lái)做功時(shí)，不僅要考慮做功多少，還要考慮機(jī)械做功的快慢.通過(guò)實(shí)際問(wèn)題讓學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)做功的快慢.

追問(wèn)：不同的物體做功有快有慢，如何來(lái)衡量做功的快慢呢？學(xué)生遷移速度的定義方法，要比較不同物體做功的快慢，必須同時(shí)考慮兩個(gè)因素：一個(gè)是物體做功的大小；另一個(gè)是物體做功所用的時(shí)間.因此，我們可以用單位時(shí)間內(nèi)所完成的功的多少來(lái)表示做功的快慢.

教師設(shè)問(wèn)：如何測(cè)量人走路的功率？課本說(shuō)人步行幾十瓦，是真的嗎？學(xué)生分析需要測(cè)量路程和時(shí)間，以及人走路的摩擦力.筆者告訴學(xué)生地面瓷磚每塊1 m，人走路的摩擦力等于人的重力的0.1倍，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只要測(cè)出人走路的時(shí)間就可以.測(cè)量數(shù)據(jù)如下：8塊磚，7 s，人的體重54 kg，算出功率約為60 W.

本案例中，從圖片到實(shí)例，從理論到實(shí)踐，經(jīng)歷思維的加工整理，進(jìn)行因果論證.在概念教學(xué)中，通過(guò)對(duì)大量的感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行收集、整理、分析，將其轉(zhuǎn)化為理性的證據(jù)，再抽取出事物的本質(zhì)屬性，并通過(guò)歸納與概括建構(gòu)起符合客觀規(guī)律的概念，發(fā)展學(xué)生科學(xué)分析思維.

3 問(wèn)題引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理思維

對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理是重要的科學(xué)思維過(guò)程.科學(xué)推理是以已有的物理知識(shí)和所給的事實(shí)與條件，進(jìn)行邏輯思維推導(dǎo)，推出正確的判斷或結(jié)論的個(gè)性心理特征.概念是人們對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性的概括，初中學(xué)生形象思維為主，抽象思維相對(duì)比較差.在物理概念教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生邏輯推理，參與抽象概括的全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理思維.

案例3： 動(dòng)能概念教學(xué).

在學(xué)習(xí)動(dòng)能概念之前，學(xué)生并不知道運(yùn)動(dòng)的物體是否具有能量.我們可以先讓學(xué)生了解判斷物體具有能量的依據(jù)，從能量產(chǎn)生的效果來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)物體是否具有能量.

如果一個(gè)物體使別的物體會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變化的效應(yīng)，我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能量.如圖6，子彈、流水、風(fēng)是否具有能量？這些現(xiàn)象具有什么共同特征？學(xué)生討論后回答.圖6(甲)，子彈擊穿蘋(píng)果，運(yùn)動(dòng)的子彈使蘋(píng)果發(fā)生變化，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的子彈具有能量；圖6(乙)，河水沖毀橋梁，運(yùn)動(dòng)的河水使橋梁發(fā)生變化，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的液體具有能量；圖6(丙)，風(fēng)把雨傘吹翻，運(yùn)動(dòng)的風(fēng)使傘的形狀發(fā)生變化，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)氣體的具有能量.然后讓學(xué)生列舉生活中例子佐證.

圖6

教師再引導(dǎo)學(xué)生：科學(xué)希望用最為簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)事物本質(zhì)，上述3個(gè)素材概括為一句話(huà)，學(xué)生推理得出，運(yùn)動(dòng)的物體(固體、液體、氣體)具有能量.

案例4： 功概念教學(xué).

功是力的作用在空間上的積累效應(yīng).由于學(xué)生之前沒(méi)有接觸過(guò)功，對(duì)功的概念理解自然感到困難.因此，教師利用學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，通過(guò)對(duì)實(shí)例的分析，運(yùn)用已有的知識(shí)和方法，開(kāi)展邏輯推理，歸納事物的本質(zhì).

從力和運(yùn)動(dòng)的角度分析，叉車(chē)提升貨物和人推小車(chē)，引導(dǎo)學(xué)生列表比較；教師追問(wèn)：叉車(chē)提升貨物和人推小車(chē)兩種情況，有什么共同特點(diǎn)？

表1

引導(dǎo)學(xué)生推理得出，叉車(chē)提升貨物和人推小車(chē)雖然是不同的現(xiàn)象，但有共同的特點(diǎn)，即貨物和小車(chē)都受到了力的作用，并且都在力的方向上運(yùn)動(dòng)了一段距離.科學(xué)上規(guī)定，物體在力的作用下，沿力的方向通過(guò)一段距離，我們就說(shuō)這個(gè)力對(duì)物體做了功.

推理是一種有據(jù)可依的科學(xué)想象.本案例中，借助圖片、表格等真實(shí)現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)的有據(jù)可依的想象，是學(xué)生理性思維參與的想象過(guò)程.在概念教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用歸納、演繹與類(lèi)比等推理，幫助學(xué)生理解概念，發(fā)展科學(xué)推理思維.

4 延遲評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維

質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力，是科學(xué)思維的重要特征.[3]在概念教學(xué)中，針對(duì)學(xué)生的迷思概念，教師延遲評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，提出自己的見(jiàn)解.通過(guò)反思自我的科學(xué)性問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維.通過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新糾正自我存在的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維.

案例5： 慣性概念教學(xué).

慣性是一個(gè)比較抽象的概念，7年級(jí)學(xué)生接受起來(lái)有一定的困難.教學(xué)時(shí)可以用“習(xí)慣性”來(lái)比喻.在學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)動(dòng)能、動(dòng)量、牛頓第二定律這些知識(shí)，讓學(xué)生通過(guò)例子記住慣性大小與物體質(zhì)量有關(guān)，與速度大小無(wú)關(guān)很難，可以利用學(xué)生的錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)反證法教學(xué).

牛頓第一定律表明，一切物體都有保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，我們把這個(gè)性質(zhì)叫做慣性.我們?nèi)绾卫斫鈶T性概念？師生互動(dòng)，慣性即物體維持原有狀態(tài)的一種本來(lái)屬性,表現(xiàn)為兩個(gè)方面: 一是物體處于靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),表現(xiàn)為“維持其原來(lái)的靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”；二是當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，表現(xiàn)為“改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度”，如果容易改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則說(shuō)明慣性小；反之，則慣性大.

教師設(shè)問(wèn)：慣性的大小與什么有關(guān)呢？有學(xué)生認(rèn)為速度越大，也有學(xué)生認(rèn)為質(zhì)量大小是慣性大小的唯一決定因素.學(xué)生舉例，在生活中，我們都有這樣的經(jīng)歷：兩車(chē)質(zhì)量相同，但速度大小不同(如：甲車(chē)速度為30 km/h，乙車(chē)速度為100 km/h)，當(dāng)同時(shí)剎車(chē)時(shí)乙車(chē)更難停下來(lái)，因此速度越大的物體，慣性越大.如果慣性大小與速度沒(méi)有關(guān)系，那么與“在高速公路上限速行駛是預(yù)防危害”不是自相矛盾嗎？教師延遲評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生反證，假如以上說(shuō)法成立，則“物體的速度越小，它的慣性越小；物體的速度為0，它的慣性應(yīng)該為0．”顯然，這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的，它與“一切物體都具有慣性”是相悖的,慣性大小與速度大小是無(wú)關(guān).

圖7

教師設(shè)問(wèn)：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證慣性的大小與質(zhì)量有關(guān)？學(xué)生想到用相同的力推兩個(gè)不同質(zhì)量的物體，觀察物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變狀況.追問(wèn)：那么如何做到相同的推力呢？有學(xué)生認(rèn)為用相同大小的力推物體，立即有學(xué)生提出質(zhì)疑，人的主觀感覺(jué)是不正確的.最后經(jīng)過(guò)全班學(xué)生討論，大家一致認(rèn)為可以用一根繩把彈簧壓縮固定在兩個(gè)不同質(zhì)量的物體之間，剪斷繩的瞬間，觀察兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的距離，如圖7所示.教師提供實(shí)驗(yàn)器材分小組活動(dòng)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)質(zhì)量大的物體運(yùn)動(dòng)距離短，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變小，慣性越大，得出結(jié)論：物體的質(zhì)量越大，它的慣性越大.

本案例中，教師針對(duì)學(xué)生的迷思概念，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)暴露自己的迷思概念，鼓勵(lì)學(xué)生提出質(zhì)疑，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維.也鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)證實(shí)與證否，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

理性思維是一種建立在證據(jù)和邏輯推理基礎(chǔ)上的思維方式.[4]在物理概念教學(xué)中，教師合理設(shè)置學(xué)習(xí)情境，對(duì)大量的感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行收集、整理、分析，將其轉(zhuǎn)化為理性的證據(jù)，再抽取出事物的本質(zhì)屬性，建構(gòu)科學(xué)概念，促進(jìn)學(xué)生理性思維的發(fā)展.