指向科學思維發展的物理認知模型建構策略

張煜

物理學是基于觀察與實驗，建構物理模型，并引用數學等計算方法，通過科學推理和論證的一門基礎學科。物理學對人類的思維方式和價值觀念都會產生巨大的影響，而這些主要是通過物理教學實施來實現的。物理課堂作為物理教學的主要方式，探究教學方式對學生的發展具有深刻的影響。探究教學不僅需要學生在做中學，也需要關注學生的認知建構來指導適合的教學方法。在實際課堂教學中常常會發現很多同學雖然上課很認真地聽講，老師所講的內容也能明白，但是在做課后練習時卻發現無從下手，甚至出現相同的題目，改變一個條件就解決不了，這就導致了在很多同學心中覺得高中物理是最難學的一門學科。

這些年國內外不少物理學者也在研究是什么原因導致這些問題產生的。他們得出的結論主要包括教師在教學過程中沒有較好地引導、激勵學生主動思考；沒有有效地讓學生理解所學物理知識與實際生活中的應用和缺乏對學生邏輯推理能力和科學思維能力的培養。針對以上出現的現象和產生的原因，我們嘗試使用穆良柱教授的物理認知模型來進行教學設計，尋找解決上述問題的方法。

一、物理認知模型

物理學是自然科學中的基礎科學之一，它是研究自然界中物理的基本結構、相互作用和運動規律的科學。物理學發展過程促進了人類生產生活方式的變化，對人類的思維方式、價值觀念等產生了深遠的影響。穆良柱教授認為物理學是在人們對自然的探索中通過不斷積累認知過程中發展起來的，所以其從物理認知的角度總結歸納了物理認知模型，如表1所示。

穆良柱教授將認知階段分為三大類，其中前兩個過程對應實驗物理認知階段，中間三個過程對應理論物理階段，最后三個過程對應應用物理認知階段。從這個認知模型中我們可以看到科學與技術的差別，同時也更加清晰地闡述了物理學理論和實驗的關系，即實驗物理為理論物理的發展提供靈感，而理論物理又可以預言解釋實驗。而這恰好正是人類發展科學的一般途徑。

我們根據這個物理認知模型在實際教學中進一步闡釋。在具體的教學活動中首先通過對實際的物理現象進行觀察，讓學生思考其中會包含哪些物理規律。然后教師找到類似的物理規律相應的現象，讓同學們認真觀察其所包含的物理本質。在此基礎上學生逐漸發現他們的共同點，就可以選擇合適的對象進行分析，那么就可以讓同學們選擇一種理想的實驗器材來更好地觀察，激發了同學們創新實驗的熱情。在理想實驗的基礎上可以保留最本質的運動規律，多次實驗，通過觀察、實驗和運用合適的數學工具對其分析，讓同學們發現其包含的物理規律和物理法則。最后運用這一規律分析實際生活中的問題。

基于此物理認知模型，我們對人教版高中物理教材選修3-4中的“波的形成與傳播”這一節內容進行了教學設計研究。

二、基于物理認知模型的教學設計

（一）將繩子一端在遠處打個小結，然后向學生提問：“怎樣才能站在遠處將小結打開？”學生會根據生活經驗，很自然地會就知道拿著繩子的另一端不斷地上下抖動繩子，繩子的波動逐漸地傳遞到打結處，打結處慢慢地就松動了。學生對這樣的生活現象有著感性認知，但認知的程度不夠，不理解其包含的物理規律，通過設計這樣的實驗過程，讓學生參與其中，增強課程的趣味性，同時也為后面提煉相關概念做好鋪墊。

（二）波是一個非常抽象的概念，為了讓同學們對這個概念有個形象生動的認識，需要我們用形象直觀的方法來表達出來，所以課堂上繼續讓同學們觀察抖動繩子的過程，繩子上產生的圖像，這樣就可以讓學生對波動的概念有個更加清晰地認識。在此基礎上就可以方便直觀地向同學們介紹波的概念，緊接著讓同學們思考怎樣才能形成波？

（三）由于學生第一次學習波的概念，所以通過觀察很難得到波的形成條件，因此老師通過一些合理地引導，讓同學們發現問題。如果拿著繩子的手不抖動會形成波嗎？手如果抖一次會看到什么呢？如果沒有繩子只是手上下抖動會形成波嗎？通過以上的問題和實驗過程，同學們會逐漸總結出要想形成波，需要有質點和連續的物體才行，進而老師讓學生明白連續的物體本質上就是介質的含義。那么波具有什么樣的特點呢？這就需要選擇一個合適的對象進行研究才行。學生會發現需要對介質中的一個一個質點進行研究，那么怎樣才能獲得一個一個質點？通過這樣的設問和討論，激發了同學們對創新實驗的熱情和鼓勵了同學們積極思考的學習態度。

（四）學生在以前學生過質點的運動，對質點的常見運動有直觀清晰地認識，但是這里卻是多個質點一起運動，就會使問題變得異常復雜。另外波的形成需要振動，而振動是學生剛學習的新概念，這就增加了這一節學習的困難。為了讓學生可以直觀理解這一節運動，我們需要把物理學家的思維過程重現。為此在學生討論的基礎上，給出一個小小的實驗器材。在這里可以把一個一個小球通過繩子依次連續吊起來，然后再通過一根繩子把這些小球依次連接起來，這樣就可以方便地滿足波形成的兩個條件。我們就可以從下面觀察小球運動的情況來研究波的傳播問題。

（五）將第一個小球上下振動一次，我們會看到緊接著各個質點依次振動下去，初次振動方向向上，并且可以看到一個完成的波形逐漸向前傳播。如果將第一個小球先向下振動一次，會發現接下來每一點都會先向下振動，然后一個完成的波形依次振動下去。將第一個小球上下振動兩次，會發現后面有兩個波形向前傳播，并且每一個小球都會上下振動兩次，然后停止下來。

（六）一個新的物理概念的形成，需要將學生生活中的“碎片化”的知識、感性的認識綜合起來。我們可以通過設置一個一個問題串，激發學生的求知欲，通過演繹推理、類比等思維方式進行優化整合，以達到知識的重構。在以上實驗觀察的同時，引導學生注意以下問題：①觀察其中某個任意小球的運動情況；②由第一個小球振動開始依次觀察每一個小球的第一次振動（起振）方向；③觀察每個小球運動的順序；④觀察每一個小球和第一個小球的振動時間有什么特點；⑤第一個小球上下振動一次，波形向前傳播特點；⑥波形運動方向與小球運動方向具有什么樣的關系。學生在以上問題的基礎上觀察得出波形運動的規律：①波在傳播過程中每個質點都在自己的平衡位置附近做簡諧振動，一會兒質點位于波峰位置，一會兒出現在波谷位置；②每個質點的起振方向都和波源的起振方向相同；③在振動的過程中前面的質點帶動后面的質點振動，并使得振動形式逐漸向外傳播；④后面每個質點的振動情況都和波源的振動情況一樣；⑤波形在空間上具有周期性，并且波源上下振動一個周期，波形會向前傳播一個波形，也就是一個波長；⑥波傳播的方向上和質點振動的方向互相垂直。用公式可以表達運動具有的特點為v=λ/T或者v=x/t。該過程思維表達如圖所示。

（七）總結了波的形成與傳播的概念和規律后，進一步引導學生思考質點運動方向和波傳播方向的關系，從而給出這種波的傳播方向和振動方向互相垂直的波稱為橫波。在大自然中還存在波的振動方向和傳播方向在同一直線上的運動，我們把這樣的波稱為縱波，進而指導學生運用邏輯推理的方式大膽給出縱波的運動性質和運動規律。為了讓學生直觀地看到和驗證所猜想的縱波的性質，我們在課堂上利用縱波演示儀演示縱波傳播過程中的圖像，讓學生可以清晰地看到縱波運動的特點。另外給學生介紹聲波是縱波的概念，但是由于聲波在空氣中的形成與傳播是看不見的，那么設計怎樣的實驗才能驗證聲波是縱波這一概念呢？引發同學們積極思考在音響前面張貼一張薄膜，在薄膜上面放上一塊硬幣，隨著音響發出聲音，學生會看到硬幣也在不斷地上下跳動，改變增加聲音的頻率，就會發現硬幣跳動得更快。通過增加這樣的一個設計，讓學生不僅體會到實驗對研究物理問題的重要性，還可以激發學生對物理創新實驗設計的興趣。

（八）在近幾年的幾次地震中，我們經常會看到地震前電視中、短信中會提前收到地震倒計時，為什么現在我們可以事先知道地震什么時候到來呢？原來地震中不僅存在縱波，也存在橫波。通過科學計算發現縱波的傳播速度比橫波的速度大。進而引導同學們思考，在地震中是縱波的破壞性大，還是橫波的破壞性大？我們是怎樣來預測地震呢？在同學們討論之后，我們給出答案。事實上在地震發生后，我們就會先收到縱波的信號，再根據科學的計算，可以預測橫波到來的時間，那么我們就可以預測地震了。我們目前預測地震的方式并不完善，還需要努力學習，開發更加有效合理的方法來預測地震。通過這樣的教學設計，不僅讓同學們把理論知識和生活實踐結合起來，還激發了同學們科學的探究精神。

教學是一門藝術，在物理教學中需要設計巧妙的、創新的教學設計，才能獲得良好的教學效果和激發學生的學習興趣。基于穆良柱教授提出的物理認知模型而進行的教學設計是符合科學家發現物理規律的一般方法，是從生活中常見物理現象開始，從實驗的角度總結物理規律，再把得到的物理規律應用到實際生活中的認知規律來指導教學，將教學內容和物理思想方法合理地結合在一起，在教會學生知識的同時，也全面培養了學生的實驗物理認知能力、理論物理認知能力和應用物理認知能力。在此理論的指導下，教師的教學思路可以沿著最有效的方式進行，還可以根據學生的特點，在各個實際教學過程中穿插合理的教學活動，使得課堂的教學設計更加靈活和高效。

物理認知模型下的教學設計，在實施過程中充分體現了學生為主體，教師為主導的教學理念。教師在實際教學過程中主要扮演指引者和啟發者的角色，讓學生一步一步沿著科學研究的方法主動思考，發現物理規律，最后與實際生活中的問題聯系起來，激發同學們學習的興趣和學以致用的態度，有效培養了物理思維能力和解決實際問題的能力。