論證在初中物理課堂教學中的應用

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）17-0075-04

論證作為一種邏輯嚴密的思維方式和表達方式，在各個學科中都有著重要的應用價值.在初中物理教學中，論證的應用不僅能夠提升教師和學生的邏輯思維能力，還能增強他們對物理概念和規律的理解與掌握.文章基于論證視角，對一些常規初中物理教學內容中存在的問題進行論證思考與分析，通過提出創新觀點來豐富教學內涵，最終提升課堂教學效果.

1 問題提出

初中物理課程內容分為物質、運動與相互作用、能量、實驗探究、跨學科實踐五個一級主題，其中物質、運動與相互作用、能量三個主題內容主要通過實驗探究進行，其結果采用概念、規律、定律等形式呈現，以跨學科實踐途徑培養學生的物理應用能力，建立物理與實踐的聯系，建構出初中物理的“大廈”.在初中物理教學中，基于論證視角觀察該“大廈”，其中一些“磚塊”存在缺陷，需要重新進行分析與認識.

2 問題分析

2. 1 飛輪的慣性

現有各種版本初中物理教材中關于熱機的內容，都有類似的一段話：汽油機工作的四個沖程中，只有做功沖程中燃氣對外做功，其他三個沖程要靠安裝在曲軸上飛輪的慣性來完成[1].基于論證視角，慣性是物體保持靜止或勻速直線運動狀態的性質，物體的慣性與物體同在，只要物體不變，物體的慣性不變，質量越大的物體慣性越大，因此，物體慣性大小只與物體質量有關，與物體運動狀態無關.能量是描述物體做功多少的物理量，物體做功越多，說明物體具有的能量越大.一個物體，它的能量大小隨物體做功多少而變化，做功越多，能量變化越大，但是，在做功過程中，它的質量沒有變化，因此它的慣性也沒有變化.

在汽油機工作的四個沖程中，只有做功沖程的高溫高壓燃氣對活塞做功，其他三個沖程都是活塞對低溫低壓氣體做功，活塞在做功之前必須具有機械動能，否則活塞無法對外做功.如果飛輪靜止，其機械動能為零，此時飛輪不能推動曲軸，靜止的曲軸無法推動活塞，但飛輪此時仍然具有大小不變的慣性，因此，飛輪能夠推動活塞不是因為飛輪具有慣性，而是因為飛輪具有機械動能.

根據能量守恒定律，活塞的機械動能要靠飛輪的機械動能的轉移來獲得，如果飛輪具有的機械動能很小，則轉移給活塞的機械動能很小，活塞做功很少，無法完成一個吸氣沖程，則無法進行下一個壓縮沖程.如果飛輪具有的機械動能足夠大，轉移給活塞的機械動能足夠大，則活塞做功失去一部分機械動能完成一個吸氣沖程，還有足夠的剩余機械動能進行下一次做功，完成壓縮沖程，活塞第二次失去一部分機械動能.在做功沖程中，高溫高壓燃氣推動活塞，對活塞做功，燃氣失去大部分內能，轉化為活塞的機械動能，活塞獲取這些機械動能，是由于活塞獲取的機械動能大小比活塞在吸氣沖程、壓縮沖程中失去的機械動能大好多倍，結果活塞做了“投得少，賺得多”的運動，活塞把獲取的很少一部分新機械動能轉移給低溫低壓的廢氣完成排氣沖程，剩余大多數新機械動能轉移給飛輪、齒輪、皮帶、車輪等，繼續進行下一次的工作循環.飛輪在汽油機中的作用是給汽油機提供“啟動基金”—初始的機械動能，一旦汽油機啟動成功，汽油機自動會給飛輪存入機械動能成為“后續啟動基金”，保障汽油機的正常工作.盡管此時飛輪具有運動的慣性，但沒有機械動能的飛輪或機械動能較少的飛輪對汽油機的工作沖程無用，因此，汽油機的吸氣、壓縮、排氣沖程“依靠飛輪的慣性來完成”是個錯誤的判斷.

2.2 物態變化

在論證視角下，每一種物理現象都有其內在的因果關系.在物質狀態教學中，固態、液態、氣態三態之間的相互變化，教材采用先分后總的方式呈現，通過課本作業要求學生以圖1物態變化框架形式總結，該總結存在文字多、括號多、空格多、箭頭復雜等問題[2].

基于論證視角設計，以圖2物態三線形式總結，其底部的粗線段表示固態代表冰，中間的波浪線表示液態代表水，上部的虛線表示氣態代表水蒸氣， +1 箭頭表示冰熔化為水， +2 箭頭表示水汽化為水蒸氣， +2 兩個箭頭表示蒸發式汽化、沸騰式汽化， +3 箭頭表示冰升華為水蒸氣．-1箭頭表示水凝固為冰，-2箭頭表示水蒸氣液化為水，-2兩個箭頭表示壓縮式液化、降溫式液化，-3箭頭表示水蒸氣凝華為冰.

物態變化規則1：冰不動，水流動，水蒸氣亂飛 看不見.

物態變化規則2：上變吸熱，下變放熱.

使用圖2物態三線時，一圖抵萬言，看三線聯想水的三態，將水的三態及其變化歸類為三條線段，借助物態變化規則1、2進行推理，即可做出相關物態的判斷.

2.2.1 霜如何變來

霜是什么？根據觀察，霜能夠看得見，能夠用手刮動，能夠堆在一起，能夠豎直附著在樹枝上不流動.利用這些證據，根據物態變化規則1可以做出判斷：霜不是水蒸氣，霜不是水，霜只能是冰.根據霜出現在冬季，冬季氣溫在零攝氏度以下，冬季室外沒有水，只有水蒸氣，由此判斷：霜由亂飛看不見的水蒸氣變為冰形成.對照物態圖2，判斷霜是凝華變來的，因為水蒸氣在上部、冰在下部，所以凝華這個物態變化是往下變，根據物態變化規則2，水蒸氣遇冷放熱凝華為霜，來霜時氣溫條件要寒冷.推廣論證：冰箱內側壁出現的冰花是同樣的道理.

2.2.2 “白氣”是什么物態變化形成的

“白氣”能夠看見，根據物態變化規則1，判斷“白氣”不是水蒸氣.“白氣”能夠飄動，所以“白氣”不是冰，“白氣”是水.參考圖2，“白氣”屬于波浪線，因為“白氣”周圍沒有冰，所以“白氣”只能從水蒸氣變來，由圖2可知“白氣”是水蒸氣降溫液化形成的結果.水蒸氣在上部，水在下部，出現“白氣\"時天氣雖然寒冷，但形成“白氣”的水蒸氣卻會放熱，所以“白氣”不寒冷.推廣論證：冬天用嘴哈手，手感到熱.

2.3 光的傳播

光源發出一束光，初中物理課本通過人造實驗情景歸納總結光的傳播規律：光在同種均勻介質中沿直線傳播.聲音的傳播需要介質，真空中聲音不能傳播，但是光與聲音不同，聲音傳播是振動形式在介質中的傳播，光是振蕩的電磁場在空間里的高速運動，聲音依靠介質傳播，光不依靠介質傳播，光本身可以在沒有介質的真空中傳播.“光在同種均勻介質中沿直線傳播”應該修正為“光在真空或同種均勻透明介質中沿直線運動”為宜.

光從空氣斜射入水中時，在空氣與水的分界處，光原來在空氣中沿直線運動，現在進入水中，物質改變，光的傳播方向發生改變.常規教材通過實驗觀察，歸納、總結出光的折射規律，此處存在的問題是傳播方向沿哪個方向發生改變.對這個問題，簡單以實驗現象回答，雖然事實勝于雄辯，但是丟失了師生進行科學推理、論證思考的機會.如何回答這個問題需要教師開展論證.如圖3所示，小車向前行駛，前邊左、右車輪速度一樣時，小車運動方向不變，沿直線運動.若左輪比右輪慢，小車改變方向往左線運動.若小車右輪比左輪慢，小車改變方向往右線運動，總之，小車向車輪慢速的一側方向偏轉.同樣道理，把圖4中的入射光AB放大10000倍變成圖5，入射光變成一個“行駛的光小車”.在光的直線傳播中已經知道，在圖5中“行駛的光小車”從空氣進入水中，物質改變，傳播方向改變，光在空氣中傳播快，光在水里傳播慢.“行駛的光小車”車輪 B₁ 首先進入水里成為車輪 B₁₁ ，車輪 B₂ 仍然在空氣中，此時車輪 B₁₁ 比車輪 B₂ 慢，結果“行駛的光小車”沿 B₁₁ 側方向運動，改變了原來的行駛方向，即入射光在空氣和水的界面發生折射.當“行駛的光小車”車輪 B₂ 也進入水中后成為車輪 B₂₂ .如圖6，車輪 B₂₂ 與車輪B₁₁ 都在水里，根據“光在真空或同種均勻透明介質中沿直線運動”的判斷，車輪 B₂₂ 與車輪 B₁₁ 在水里的速度相同，方向不改變沿直線運動，即水中的折射光不再折射.上述論證說明，折射是入射光的 B₁ 側光首先進人水中，運動速度變慢，導致折射光向 B₁ 側偏轉.

教師讓學生基于“光在真空或同種均勻透明介質中沿直線運動”的結論，通過行駛小車的轉向示意圖進行類比論證，解釋光的折射現象，能夠訓練學生的論證思維，豐富光的折射教學設計途徑.

2.4 阿基米德原理

阿基米德原理揭示出浮力大小與物體排開液體所受重力大小相等，常規教學方法是通過實驗探究建構，但實驗使用材料多，花費時間多，而且從物體受到的浮力大小轉移到排開液體受到的重力大小，會導致學生對實驗結果將信將疑，降低了可信度[3].基于論證視角，尋找阿基米德原理新的教學方法，對突破這個問題具有一定的教學價值.

如圖7，豎直杯中有水，水上面有一個小球，杯底部受到的壓力大小 F 等于杯內水的重力大小 G. 當小球浸入水中后，如圖8，小球對水施加豎直向下的排水合力 F₁，F₁ 迫使排開的水 G₁ 上升，此時杯底受到的壓力大小 F 等于杯內水的重力大小 G 與小球對水施加豎直向下的排水合力 F₁ 的和，即杯底部受到的壓力大小 F 的增加量為 F₁ .根據水的壓強可以計算出杯底部受到的壓力大小 F 的增加量為G₁ ，因此得到 F₁=G₁ ．因為力的作用是相互的，水對小球施加反作用合力 F₂ ，反作用合力 F₂ 的方向與排水合力 F₁ 的方向相反，反作用合力 F₂ 的大小與排水合力 F₁ 的大小相等，即 F₁=F₂ .因為 F₁ Ω=G₁Ω ，所以 F₂=G₁ .水對小球施加的反作用合力F₂ 就是水對小球的浮力 ，即 ，所以 F_☉ =G₁ .因為小球對水施加的排水合力 F₁ 方向豎直向下，所以水對小球的力 方向豎直向上.至此得到結論：浸在水中的小球受到水豎直向上的浮力，浮力的大小等于小球排開水受到的重力大小，即阿基米德原理.本案例中利用簡單事實，根據力的作用是相互的，通過論證性推理得出阿基米德原理，不僅降低了教學成本，而且取得了較好的教學效果.

2.5 杠桿平衡條件

常規教學中關于杠桿平衡條件一節的教學設計是通過學生分組實驗完成的.實驗中學生往往選擇整數力臂值，缺乏說服力，但如果選擇任意力臂值，對彈簧測力計的精度要求太高，測量值存在誤差，導致動力與動力臂的乘積不等于阻力與阻力臂的乘積，實驗難度加大，影響教學效果.因此，解決這個問題需要通過論證視角尋找途徑[3].

根據機械能守恒原理論證這節教學是一個新的途徑.如圖9，動力 F₁ 垂直動力臂 OA ，阻力 F₂ 垂直阻力臂OB.動力 F₁ 拉著 OA 沿 S_ν 路徑做功，其大小為 W₁=F₁×S₁ ，阻力 F₂ 拉著 OB 沿 S₂ 路徑做功，由于 F₂ 的方向與 F₁ 的方向相反，其功為負功，大小為W₂=-F₂×S₂ ，由于杠桿勻速轉動，杠桿 AOB 的總機械能不變，所以 W₁+W₂=0 ，則 F₁×S₁-F₂×S₂ =0 ，即 F₁×S₁=F₂×S₂ 圖9中， ∠1、∠2 所對應的弧長 S₁=OA×∠1 ，弧長 S₂=OB×∠2 ，則 F₁×OA ×∠1=F₂×OB×∠2 ，由于對頂角相等，則其對應的弧度也相等，即 ∠1=∠2 ，則 F₁×OA=F₂×OB 即動力與動力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積，這就是杠桿平衡的條件

3 結束語

初中物理課堂教學中存在很多具有挑戰性的問題，教師應基于論證視角發現問題，尋找解決的途徑，在學術氛圍中開展教學，長此以往，不僅能夠提升教師的學術研究能力，而且能夠培養學生的論證能力.文章對飛輪的慣性、物態變化、光的折射、阿基米德原理、杠桿平衡條件等問題的分析，是論證視角下的教學應用結果，展現了初中物理課堂教學中引入論證對提高教學效果的重要意義.

參考文獻：

[1］閆金鐸.義務教育教科書：物理九年級全一冊[M].北京：北京師范大學出版社，2013：20-24.

[2]郭玉英.義務教育教科書：物理八年級上冊[M].北京：北京師范大學出版社，2024：35，92.

[3］閆金鐸.義務教育教科書：物理八年級下冊［M].北京：北京師范大學出版社，2012：75-79，92 -98.

[責任編輯：李 璟]