科學方法顯性化的教材編寫研究
——以單擺模型建構為例

魏舜芷 陳 剛 劉紫微

(華東師范大學教師教育學院 上海 200333) (同濟大學第一附屬中學 上海 200438)

1 問題的提出

科學方法教育是我國物理教育界一個傳統而熱點的話題.盡管物理教育者能認識到科學方法教育的重要性，但方法教育內容并未在教材編寫中得到令人滿意的呈現.我國傳統的物理教材編寫通常對知識點的邏輯聯系采用顯性處理，但對科學方法通常隱性處理，讓學生在學習過程中自己去領悟，但“悟”的是什么，沒有清楚說明[1].教材中對科學方法的隱性處理也讓物理教師難以展開方法教學來引導學生解決問題，往往忽視了科學方法的具體內容和相應的執行步驟.

模型法是解決物理問題時一種常用的科學方法.單擺是一種理想模型，課程標準在關于單擺的教學提示和學業要求處指出：引導學生能根據現實生活中的擺動的特點，建構單擺模型，提高建模能力[2].下面以“單擺”一節中的單擺模型建構為例，提出模型法的適用范圍和執行步驟，分析不同版本教材中對單擺模型建構的處理，并提供一定的教材編寫建議.

2 模型法的界定及單擺模型的建構

2.1 模型法的界定

科學方法通常有其適用解決問題的范圍.“模型法”用在從復雜的具體情境中抽象出待研究的對象或問題時，比如進行科學探究的第一步——提出問題環節.在高考命題中也常常聯系到實際生活中的素材如行星火箭、火車轉彎等.這就要求學生掌握模型法，即能夠從生活現象中抽象概括出物理模型并解決實際問題.

科學方法也應有相應的執行步驟.建構物理模型時需要對事物進行簡化，忽略次要因素，突出主要因素，可以遵循以下步驟[3]：

(1)從具體情境中初步確定待研究現象；

(2)確定待研究對象及其屬性；

(3)分析待研究屬性出現的主要因素；

(4)分析待研究屬性的次要因素；

(5)概括待研究的物理模型.

2.2 單擺模型的建構

單擺具有這樣的屬性：懸掛的重物在細繩的牽引下，在豎直平面內圍繞一個最低點做往復運動.建構單擺模型的核心在于，遵循學生的學習機制分析得出單擺模型屬性的主要因素和次要因素.學習心理學指出，學習者通過內部的邏輯加工機制建立物理概念，建立聯系的基本邏輯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)以及演繹推理[4].建立單擺模型的邏輯加工機制分析如下：

在模型法步驟(1)和(2)中，通常采用求同法，即通過呈現多種日常生活中的擺動現象，概括出待研究的單擺運動及其屬性.獲得結論的邏輯結構如表1所示.

表1 求同法概括單擺運動及屬性

在模型法步驟(3)中，通常采用差異法等確定模型屬性的主要因素.單擺運動的主要因素為：①細繩無彈性；②重物質量遠大于繩的質量；③繩長遠大于重物直徑.

主要因素①“單擺模型與繩無彈性有關”，其邏輯過程結構如表2所示.

表2 差異法得出結論“單擺模型與繩無彈性有關”

主要因素②“單擺模型與重物質量遠大于繩的質量有關”，其邏輯過程結構如表3所示.

表3 差異法得出結論“單擺模型與重物質量遠大于繩的質量有關”

主要因素③“單擺模型與繩長遠大于重物直徑有關”，其邏輯過程結構如表4所示.

表4 差異法得出結論“單擺模型與繩長遠大于重物直徑有關”

在模型法步驟(4)中，分析待研究現象的次要因素通常運用排除因果聯系的演繹推理.單擺模型的次要因素包括重物的形狀、材質等.此處要研究單擺模型與重物的形狀、材質無關，其推理過程如下：

(1)如果A與B存在因果聯系，則A變化，B亦變化(大前提).

(2)重物形狀發生改變(懷表、小砝碼等)，但重物圍繞最低點的往復運動不變；重物材質發生改變(小鐵球、小銅球等)，但重物圍繞最低點的往復運動不變(小前提).

(3)由以上分析，重物圍繞最低點往復運動與重物形狀、材質無關(結論).

前述對單擺模型建構的分析，既遵循了模型法的邏輯(適用范圍和執行步驟)，也遵循了學生建構單擺模型時的學習機制.

3 不同版本教材編寫“單擺”模型的對比分析及編寫建議

顯化科學方法，是指編寫教材時，應當明確指出科學方法的名稱，傳授科學方法的內容，揭示科學方法的形式，挖掘科學方法的內涵，說明科學方法的使用[5].因此，對于物理概念和規律獲得所需的文字和圖片信息，教材編寫應該遵循學生學習的邏輯機制來呈現；當物理知識的獲得運用到了科學方法時，其文字和圖片信息還應該遵循科學方法相應的邏輯(適用范圍和執行步驟)來組織安排.根據前述分析，教材可按如下順序進行單擺模型的建構.

(1)呈現日常生活中的擺動情境，初步概括出待研究的擺動現象及屬性.

(2)遵循學生的學習機制分析單擺屬性的主要因素和次要因素.

(3)概括出單擺模型，點明單擺為一種理想的物理模型.

3.1 不同版本教材編寫“單擺”模型的對比分析

下面擬對高中物理教材5個版本——人教版、滬科版、粵教版、魯科版、教科版教材中單擺模型建構的處理方式進行比較分析，分析結果如表5所示.

通過表5的分析可以發現，5個版本的教科書都沒有完整地遵循模型法的邏輯和學生的學習機制來建構單擺模型，主要有以下不足：

(1)未呈現日常生活中的擺動情境.如人教版只是提到了“生活中經常可以看到懸掛起來的物體在豎直平面內擺動”，既沒有給出具體的例子，也沒有給出圖片素材.如此安排學生可能很難在短時間內從現實生活中找到相對應的例子，或者不確定找到的例子是否符合“懸掛起來的物體在豎直平面內擺動”這一性質.

(2)忽略了單擺模型建構的一個主要因素：繩不具有彈性,即細繩不可伸長.這無疑會使學生對單擺模型的認知產生錯誤，學生可能會將生活中的某些現象，如重物在具有彈性的細繩牽引下的擺動抽象為單擺模型.

(3)只是簡單呈現單擺模型屬性的主要因素.簡單地灌輸知識點，如教材中都呈現了“單擺模型需要重物質量遠大于繩的質量”，但沒有遵循學生的學習機制進行情境的呈現，會使學生對這一屬性的得出不知其所以然.

(4)未分析單擺模型屬性的次要因素，那么學生很可能將實際擺局限為“一個小球在一根長繩的牽引下圍繞固定點做往復運動”，而忽略了長繩和重物的某些特征對模型無影響，沒有達到真正地從日常生活中抽象出單擺模型的能力.

(5)未點明單擺是實際擺的理想模型的處理，學生就沒有意識到自己正在經歷運用模型法處理問題，也就無法實現最為基本的科學方法教育.

3.2 教材編寫“單擺模型建構”的建議

根據前述分析，為使教材編寫顯性化模型法，筆者提出以下改進建議：

(1)呈現具體情境材料(圖片或視頻)

抽象出物理模型前，學生面對的是日常生活中具體的情境，也就是一般的擺動現象，如擺鐘、吊燈、蕩秋千、空中飛人運動等，通過呈現具體的情境材料可以培養學生從生活情境確定待研究現象的能力，同時也培養了學生將生活實際和物理知識聯系起來的能力.

(2)呈現并分析單擺屬性產生的主要和次要因素

教材應說明單擺運動的主要因素為：

1)細繩無彈性；

2)重物質量遠大于繩的質量；

3)繩長比物體直徑大得多.

同時應遵循學生的學習機制呈現相應實驗素材，以主要因素1)為例.

呈現實驗一：“小鐵球+細長繩”，小鐵球能夠在細長繩的牽引下圍繞固定的最低點做往復運動，待研究現象出現.

呈現實驗二：“小鐵球+橡皮筋”，小鐵球在擺動的同時還會沿橡皮筋方向伸縮，不是待研究的圍繞固定的最低點往復運動.

得出結論：單擺運動的必要條件之一是細繩無彈性.

教材也應該說明是否影響單擺運動的次要因素，如重物的形狀、材質等.可以文字、圖片等引導學生分析.以重物的形狀對單擺模型無影響為例，可呈現懷表與小鋼球的擺動素材.

(3)點明單擺是實際擺的理想模型的處理

教材中沒有直接說明模型法的具體步驟，如果不點明單擺是實際擺的理想模型的處理，那么學生可能沒有意識到單擺的建構過程運用到了模型法.教材如果按照模型法的邏輯編寫，在一定程度上能讓學生經歷模型法的運用，但學生可能不會自覺發現自己已經經歷了模型法抽象出單擺模型的過程.因此，教材中應突顯這一細節，點明單擺是實際擺的理想模型的處理.

4 總結

教材的編寫如果遵循模型法的邏輯(即模型法的適用范圍和執行步驟)，也遵循學生的學習機制，那么在一定程度上可以為學生自主學習時真正理解和習得模型法的內涵及運用提供可能.學生遵循模型法的引導抽象出單擺模型，雖不能自動概括出模型法的適用條件和執行步驟，但在此增加了運用模型法解決問題的經歷.在積累一定的模型法經歷后，學生也將有可能在未來的科學探究中自主解決模型建構類的問題.

因此，教材編寫應顯性化科學方法，并非簡單點明科學方法，而是要遵循科學方法的邏輯合理地編寫教材.那么，無論學生自主學習或是教師教學，都能夠通過教材有據可依地學習或教授科學方法.教師在教學中也應該重視科學方法的顯性化，遵循科學方法的邏輯來引導學生思考的方向，使學生真正理解科學方法用在哪里和如何運用.如果我們在物理教材編寫和教師的教學過程中都注重科學方法的顯性化，就可以使學生及早接觸和學習物理學的研究方法，并在后續課程中加深理解和應用，對培養學生的科學素養和創新能力起到積極作用.