借鑒認知發展理論 培養物理科學思維

□ 江蘇省南通市竹行中學 曹旭鳳

著名心理學家皮亞杰提出的認知發展理論，是指一個人出生后，為了能夠更好地適應生活、適應社會，對接收到的事物，遇到的困難和問題，尤其是突發的事件，所采取的思維方法、解決辦法以及各方面的能力表現，會隨年齡的增長而產生明顯變化的過程。在物理教學中尊重學生的認知發展規律，隨著科學探究的逐步深入，由易到難，有效刺激學生，培養學生物理科學思維的能力。

一、滲透學科思想，發散解題思路

借鑒認知發展理論進行物理教學，首先要滲透物理學科思想，培養學生學習物理的興趣，發散學生的解題思路。初中物理教學中，教師可以通過數形結合、等效替代等方法去實現。

1.數形結合，實現補充轉化

在物理教學中進行的所謂數形結合法，就是指把數學語言（物理量）和圖形（物理圖像）相結合的教學方法。利用這種教學方法，可以讓學生將復雜抽象的物理問題轉化為形象直觀的視覺可度量問題。

在學習“熔化的特點”時，教師常會在課堂上做兩個實驗，一是燭蠟的熔化實驗，二是冰熔化的實驗。探究過程中，要觀察燭蠟和冰的溫度和狀態隨時間的變化情況。面對一大堆數據，初學物理的初二學生往往不知所措。這時教師可以指導學生建立關于溫度和時間的直角坐標系，并根據實際情況在兩個坐標上標好單位長度代表的時間、溫度；將對應的時間和溫度的點描到坐標系中；將點連成線；將物質的狀態寫到對應線上。學生從圖像上不難看到燭蠟的圖像是一條持續上升的曲線，而冰的圖像則是先上升再水平后上升的，其中那段水平線表示冰從固態變成了液態。學生馬上就歸納出熔化的特點：一是冰（晶體）熔化時溫度不變，燭蠟（非晶體）熔化時溫度升高；二是兩種物質熔化時都在吸熱。此后學生看到這樣的圖像，也不必借助確鑿的數據，就能立即判斷是晶體還是非晶體。

數形結合是初中物理學習中非常常見的方法之一，它在熱學、光學、力學等領域都有廣泛應用。利用數形結合的方法，引導學生建立物理模型，可以培養學生良好的形象思維習慣，提升學生對物理概念、物理規律的理解深度。

2.等效替代，引導化繁為簡

等效替代法，顧名思義就是采取其他實驗器材、研究方法等替代原來的器材、方法，取得相同的研究效果。

早上起床后，我們通常會對著鏡子梳洗一番，鏡子中的“人”是鏡子前的人的像。在學習“平面鏡”這一節時，由于這個成像看得到，但摸不著，因此無法直接探究這個像跟物體之間的關系。所以在選擇實驗器材時，可以利用茶色玻璃板替代普通的平面鏡，一方面，茶色玻璃板也能成清晰的像，達到該實驗的效果；另一方面，茶色玻璃板是透明的，可以用一個與茶色玻璃板前完全相同的物體來替代玻璃板后的像，便可以確定了這個像的位置，再用刻度尺分別量出像和物體到平面鏡的距離并比較，從而得出像與物到平面鏡的距離相等的結論；此外，由于玻璃板后的物體替代了像，通過觀察像是否與玻璃板后的物體重合，確定平面鏡所成的像與物體的大小是否相等。

在該探究活動中，教師兩次利用了等效替代法，一是用玻璃板替代平面鏡，二是用與玻璃板前完全相同的物體來替代玻璃板后的像，有效的化解了因平面鏡所成的虛像給探究活動帶來的困難。

等效替代法聽起來較為深奧，但在探究活動中比較容易實施。進行等效替換時，一定要抓住問題的本質。在物理探究過程中使用等效替代的思想進行活動，可以引導學生從繁雜的物理問題中走出來，實現思維的提升和發展。

二、歸納具體方法，提升解題效率

除蘊含在物理學科中的思想外，在物理學習中還有一些具體的方法值得采納，比值定義法與控制變量法是初中物理中最常見的兩種方法。

1.比值定義法，反映物質屬性

比值定義法就是用兩個物理量的“比”來定義一個新的物理量的方法。

如在“物質的密度”這一節中，物質的密度這一物理量，就是典型的應用比值定義法的概念。探究活動中，教師首先準備三個材料相同、大小不同的長方體鐵塊，讓學生用天平分別測出這三個鐵塊的質量，再用刻度尺分別測出這三個鐵塊的邊長，求出它們的體積，將測得的質量和體積填入表格，引導學生尋找質量和體積之間存在的規律。學生借助數學知識發現質量增大n倍，體積也增大n倍，即質量和體積成正比，它們的比值是相同的。其次，教師給出三個材料相同、大小不同的長方體蠟塊，讓學生用同樣的方法尋找蠟塊的質量和體積之間的關系，發現三個蠟塊的質量和體積的比值也是相同的。但這個比值與鐵塊的質量和體積的比值不同。然后繼續引導學生分析比值相同或不同的原因，讓學生了解質量與體積的比值反應了物質的一種特性，就用密度這個物理量來表示物質的這個特性。這樣，就非常順理成章地得出：質量與體積的比值就是密度。最后比值定義法得出密度概念后，教師還可以繼續提供適量的煤油和酒精，分別測出它們質量和體積，求出密度，發現煤油和酒精的密度竟然是相同的，讓學生了解到，不同的物質，其密度可能是相同的。

利用比值定義法得出的物理量常反映物質的基本屬性，即它的大小與物質的種類有關，與定義它的物理量的大小無關，所以這類物理量與定義它的物理量之間不存在數學函數中的正反比關系。教師要引導學生理解為何可以在這類物理量中采用比值定義法，讓學生真正理解物質的物理屬性。

2.控制變量法，發現隱形規律

如果一個物理量A可能受到B、C兩個因素影響，我們將保持C因素不變，研究B對A的影響；再保持B因素不變，研究C對A的影響，最后再綜合起來得出規律，這種方法稱為控制變量法。

例如我們在研究物體的重力勢能的影響因素時，就采用了控制變量法。首先讓學生猜測可能出現的影響因素，學生根據“由于物體被舉高具有的能稱為重力勢能”這個基本概念，馬上就作出猜測：物體的質量、物體被舉高的高度；接著教師提問，我們該如何做才能得出結論呢？學生聯系剛學完的動能，肯定會回答“用控制變量法分兩步完成”。老師拿出實驗器材，先分析如何在實驗中體現重力勢能的大小，然后可以讓學生邊演示邊講解。第一次讓一個重物從某一高度自由落下撞擊木樁，第二次讓較重的重物從相同的高度自由落下撞擊木樁，比較兩次實驗發現木樁陷入的深度增加了；第三次仍用第二次的重物，但從更高處自由落下撞擊木樁，發現木樁陷入更深了。根據這個實驗，學生不難得出結論：物體質量越大，被舉得越高，重力勢能就會越大。

值得注意的是，利用控制變量法描述物理量與其中一個因素的關系時，一定要先說明控制哪些因素不變，再說明這個物理量與該影響因素之間的關系。學生在回答實際問題時，往往會遺漏控制的條件，導致結論不完整。

控制變量法是初中階段最常用的一種研究方法。控制變量法可以引導學生一步步排除無關因素的干擾，得出研究的物理量與影響因素之間的關系，有效加深了學生對物理知識的理解。

三、加強邏輯推理，優化解題過程

1.演繹推理，分析個別情況

物理是一門與邏輯思維緊密相關的學科，因此提升學生的解題能力還要加強學生在解題過程中的邏輯推理，實現解題步驟和思維的優化。

演繹推理就是根據已有的一般規律，通過分析推導得出個別性的規律的一種科學思維方式。通過演繹推理，可以利用大規律下的經驗，與個別案例所得的結論相對比，實現對個別情況的細致分析。

如在“牛頓第一定律”這一節中，學生學習了牛頓第一定律相關的物理知識后，此時教師就可以讓學生根據牛頓第一定律進行演繹推理，分析相關的物理問題。在探究過程中學生都知道小車在運動時輪子與地面之間存在摩擦力，而且這個摩擦力的方向與小車運動的方向相反，正是這個摩擦力迫使小車的運動速度不斷減小直至靜止下來。接著我們分析一下擺錘的狀況。我們看到擺錘除了與細線相連，并沒有與地面接觸，但是擺錘擺動的幅度卻越來越小，最終還是會處于靜止狀態，這是為什么呢？學生此時就會想到，擺錘在空氣這一介質中運動，雖然看不見但是擺錘與空氣之間也存在摩擦力，而且這個摩擦力的方向也與擺錘擺動的方向相反，所以也應該是摩擦力迫使擺錘改變了它的運動狀態。

進行演繹推理是鍛煉學生邏輯推理能力，培養學生邏輯思維的重要方式之一。在初中物理學習的過程中，定理、定律屬于一般性的大規律，而物理題目則屬于個別情況，利用演繹推理可以讓學生迅速找出解題方法，提升解題效率，實現對問題的優化解答，這樣的過程也有助于培養學生的物理科學思維。

2.類比推理，分析關聯情況

開普勒曾說類比推理是自己最好的老師。類比推理就是先分析比較兩個研究對象之間有某些相同或相似的屬性，再經過推理其他屬性也是相同的過程。利用類比推理，可以分析物理量之間的關聯情況，實現對物理現象的深入理解。

在學習“電壓和電壓表的使用”這一節時，就可以引導學生進行類比推理。利用看得到的、學生熟悉的水壓和水流類比看不見的、比較抽象的電壓和電流。學生根據日常生活經驗知道，水管水壓較大時，水流就較大；水壓較小時，水流就較小；沒有水壓，就沒有水流，所以水壓是形成水流的原因。那么同理，電壓是形成電流的原因。水壓迫使水只能沿著水管向某一方向移動，形成水流；同理，電壓也迫使電荷定向移動，形成電流。水泵提供水壓，同理，電源提供電壓等。

需要注意的是，利用類比推理時，杜絕利用抽象的現象類比抽象的現象。引導學生進行類比推理，有效地培養了學生的邏輯思維能力，提升了學生的聯想能力和舉一反三的能力。

借鑒認知發展理論的教學方法，可以有效培養學生的物理科學思維，推動學生努力學習物理知識，促進學生不斷提升學習物理的能力，提高學生的學習水平。