大学物理教学中物理思想和方法教育的策略探析

来源:用户上传      作者:

　　摘 要 作为大学物理教育的重要组成部分，物理思想和方法教育能有效培育学生的终身学习能力。基于此，探讨了如何激发学生发现物理思想和方法的意识，阐述了物理思想和方法的判断原则，并以归纳法教学为例，建构了“还原”、“显化”和“再生”三个教学实践环节。这不仅使学生获得方法论上的收获，也体现了“以学为中心”的教育理念。
　　关键词 物理思想和方法 教学策略 归纳法
　　中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.06.037
　　The Strategy Analysis of Physics Thought and
　　Method Education in College Physics
　　WANG Qiang[1]， WANG Jialiang[1]， WU Zongliu[2]， WEN Xiaoxia[1]， FENG Youjun[1]
　　（[1]College of Information and Engineering， Sichuan Tourism University， Chengdu， Sichuan 610100；
　　[2]Wanzhou NO.2 Senior High School， Chongqing 404000）
　　Abstract As an important component of college physics education， physical thought and method education could effectively cultivate the ability of lifelong learning for students. Accordingly， How to arouse students' consciousness of discovering physics thoughts and methods， expounded the judgment principle of physical thought and method， and established "restore"， "reveal"， and "regenerate"， three links of teaching practice， with induction education as instance. It makes students acquire methodology， and further reflects an education idea "learning is the center".
　　Keywords physical thought and method； teaching strategy； induction
　　按照一般的理解，“物理思想”是指物理学家或物理工作者在物理发现、物理传播及物理应用过程中形成的典型的、意义重大的、并对后来影响深远的思维方式的总和，一般由物理方法升华而来，主要包括假设思想、比较思想、等效思想、对称思想、守恒思想、转化思想、可逆思想、相干思想、量子化思想、相对论思想等。[1]“物理方法”是指在物理理论的创立、物理体系的建构以及在物理理论学习与传播过程中所采取的一般思维手段和操作步骤的总和，主要包括自然观察法、实验观察法、比较与分类方法、分析与综合方法、归纳与演绎方法、理想化方法、类比方法、假说法、比值定义法、叠加法、控制变量法、乘积定义法、数学方法、整体方法、隔离方法等。[2]概言之，物理思想和物理方法是能夠反映物理学本质规律和研究特点，并对学生学习与发展起核心作用的那些基本思想和方法。回到大学物理课堂教学中，无论是传授知识、点拨思维，还是拓宽视野、解决问题，教师在设计和组织教学时都需要解决好三个操作性问题：一是如何有效发现教材中的物理思想和方法？二是如何准确判断教材中的物理思想和方法？三是如何深入实施物理思想和方法教学？
　　1 注重引导：激发学生的发现意识
　　一般来说，大学物理教材是以物理概念和规律的内在逻辑进行组织和编排的，因此，要引导学生有意识地发现蕴藏在大量概念和规律背后的思想和方法，教师需要依据“1+X”的模式让物理思想和方法浮出水面。其中“1”是指在课堂中处于核心的物理概念和规律，“X”是指与物理概念和规律建立相伴而来的若干物理思想和方法。
　　那么，围绕课堂核心概念和规律建立而来的物理思想和方法，教师如何引导学生有意识地发现教材中的物理思想和方法？基于笔者的教学实践，教师需要掌握三个实践要点：一是顺序性，即物理思想和方法随着物理概念和规律的形成依次出现。比如，对“牛顿运动定律”进行深入分析，就会发现其中每一个定律背后都有典型的物理思想和方法：牛顿第一定律——理想化方法，牛顿第二定律——实验观察法、归纳演绎法，牛顿第三定律——对称思想、分析与综合的方法。二是联结性，即各个物理思想和方法之间具有内在的逻辑关联。比如，归纳与演绎法：演绎法是从一般到特殊的思维过程，因而必须有一个普适的原理作为前提，而普适的原理本身是大量个别事物共有属性的反映，往往又是归纳概括的结果。三是层次性，即各个物理思想和方法之间要有一定的层次和梯度，虽然每一个物理概念和规律的建立会有若干物理思想和方法，但只有一种思想或方法居于中心位置。比如在定义电场强度时，研究对象为点电荷（理想化方法），并用点电荷在某点所受的库仑力与该点电荷所带电荷量的比值来定义该场点的电场强度（比值定义法），进而推广到任意静止带电体激发的电场（叠加法），这三种方法中比值定义法居于中心位置。
　　在引导学生有意识地发现物理思想和方法的过程中，教师需要着重鼓励学生尽可能清晰有力地把所发现的物理思想和方法书写、表达和分享出来，并尽量阐明自己对该思想和方法的所思所悟。比如，在讲磁场的高斯定理和安培环路定理时，通过回忆电场的高斯定理和环路定理来引入新课，这时，教师就可以鼓励学生说出两者之间有怎样的关系？有哪些物理思想和方法参与？这些物理思想和方法的作用又是什么？如此，教材中的物理思想和方法就会在师生的互动中处于“若隐若现”的激发状态。 　　2 多元思考：确立物理思想和方法的判断原则
　　现行课堂之所以难以有效进行物理思想和方法教学，一个重要的原因就是物理思想和方法大都处于“遮蔽”状态。因此，判断教材中物理思想和方法就显得特别重要。那么，究竟如何判断和选择物理思想和方法？换句话说，物理思想和方法会在教材的哪些地方出现？又如何选择可教的物理思想和方法？思考和回答这些问题需要我们分别从判断的原则和是否可教两个方面展开。
　　根据张宪魁等学者的大量研究，[3]判断物理思想和方法的原则为：在物理概念和规律的建立、演变及运用中，在概念与概念、概念与规律及规律与规律之间的联结处，一定存在物理思想和方法。准确把握判断原则需要紧扣两个基点：一是以“点”推进物理思想和方法的显现，其中“点”指某一概念或某一规律。在物理概念和规律的建立、演变及运用中，教师及时凸显出现物理思想和方法的地方，让学生主动参与、深入思考，从而纵深推进物理思想和方法的显现。以“功”这一概念为例，人们发现物体运动状态的变化，存在着能量的相互转化，进一步分析发现，能量转化的多少与“功”有关，并通过乘积定义法建立了功的表达式。而在计算变力做功时，极限思想和微元法又贯穿其中。二是以“线”凸显物理思想和方法的踪迹，“线”指概念与概念、概念与规律及规律与规律之间的联结。教师引导学生在联结处寻找物理思想和方法，并标明其踪迹。由功的定义式出发推导质点动能定理，使得功与动能之间建立了联系（逻辑演绎方法）。若系统外力不做功且非保守内力也不做功，系统机械能守恒（分析综合方法，转化思想和守恒思想）。最后，实验验证机械能守恒（实验观察法、图表法、数据分析法等）。在判断隐藏在物理概念和规律背后的思想和方法时，由于学生的惯性经验，教师的指导将起着决定作用。
　　事实表明，并不是所有的物理思想和方法都是可教的，像灵感、直觉等这类罕见、非常规的物理思想和方法是通过体悟而非逻辑训练获得的。例如费米由壁虎的爬行动作，促使脑海中突然闪现出量子统计的核心思想：同一种气体中不可能有两个原子以相同的速度运动（灵感）；阿基米德发现浴盆里的水因自己坐入而外溢，顿悟出测量王冠中黄金成分的办法，提出浮力定律（直觉）。因此，就产生一个不可回避的问题：什么样的物理思想和方法是可教的？这里的“可教”有两层含义：一是指教师通过讲解直接传授给学生，学生可以直接理解和记忆；二是指学生通过大量的训练才能获得和掌握的。一般来讲，物理方法可直接传授，比如在给磁感应强度下定义时所用的比值定义法；物理思想则需要通过训练才可获得，比如发现正负电子背后所蕴含的对称思想。
　　基于上面的分析，我们还需要继续思考：教师如何指导学生学会从教材的不同地方找出同一种可教的物理思想和方法？常见的方法有三种：方法一，在给不同物理概念下定义时会有相同的物理思想或方法。例如，理想气体的摩尔定压热容和电容器的电容，都用了比值定义法。方法二，在物理概念或规律之间的衔接处会有相同的物理思想或方法。例如，牛顿第二定律与动量定理之间可以互推，动能定理与功能原理之间的相互演绎，都运用了逻辑演绎法。方法三，在物理学的伟大发展进程中有相同的物理思想或方法。例如，万有引力定律的建立、库仑定律的发现以及卢瑟福原子结构的确定，都有比较思想和类比方法。
　　3 有效教学：探究物理思想和方法的转化环节
　　根据前面的分析，我们已经能够准确判断教材中的物理思想和方法。接着就必须思考：学生究竟是如何建构和转化物理思想和方法的？教师该如何分层分步骤实施教学？笔者以“归纳法”为例，对其中三个主要环节进行说明。
　　环节一：还原——追本溯源
　　追溯物理思想和方法的本源，这里分别包含两个方面。一是，任何一种思想和方法都有自身的发展逻辑，进而不断修复和完善自身结构，并指引自身的发展方向。德国天文学家开普勒，在试图证明哥白尼的太阳中心说时，根据第谷的天文观测数据，并通过数学计算，发现包括火星在内的六颗已知行星的运行轨迹都是椭圆，且太阳位于椭圆的一个焦点上，他由此归纳概括出行星运动第一定律。二是，日常生活中蕴藏着各种各样的物理思想和方法，我们常常日用而不知。“瑞雪兆丰年”、“成功的人都是聪明且勤奋的人”、“这个品牌的手机好用”等等，这些都是归纳总结出的生活中经验。通过“还原”，再现物理思想和方法的来龙去脉，将有利于学生建构和获得物理思想和方法。
　　环节二：显化——清晰明了
　　为了达到显化物理思想和方法的目的，我们需要重点把握四个“明了”。首先是概念的明了。清晰地给出概念，如归纳法是从个别的具体事物的认识中抽象出一般性认识的推理方法和思维形式，其实质是由特殊到普遍，由经验事实到理性概括。其次是特征的明了。如归纳法的基本特征有三个：（1）扩展性，即归纳法的结论超过了前提的范围，并能体现众多事物的根本规律；（2）经验性，即归纳法来源于对经验的概括，因而具有经验性；（3）或然性，即归纳法带有偶然的属性。再次是功能的明了。对于归纳法主要有三个方面的功能：（1）发现规律。如伽利略对摆的等实行规律研究、牛顿对光色散的发现、法拉第电磁感应定律的建立都是利用归纳法得到的。（2）论证假说。爱因斯坦提出光量子假说后，用科学归纳法，并根据光电效应、伦琴射线散射、自由电磁辐射、黑体辐射的能量涨落等一系列实验现象，论证了光量子假说。（3）指导实验。这里指导实验，主要指实验器材的设计上，如温度计根据热胀冷缩原理制成，即温度与体积的关系。最后是程序的明了。在运用归纳法时主要有三个关键程序：一是收集材料，核心是实验、观察和记录；二是整理材料，核心是分析、比较和归类；三是抽象概括，核心是排除无关因素，找出事物的共同点，挖掘事物的本质规律。
　　环节三：再生——建构新知
　　以“电磁感应”教学实践，展示再生过程的四个核心步骤。
　　首先，确定归纳的主题。在“电磁感应”一节中，需要重点指导学生在观察和实验中体验归纳法的核心思想。为了达到这一目标，教师需要着重引导学生领会和掌握得出电磁感应条件的实验思路，即将探究电磁感应的条件作为本节的主题。其次，理顺归纳的脉络。在教学中，我们分别进行如下操作：让磁铁插入或静止在闭合线圈中、让产生磁场的电流变化、让运动的恒定电流运动、让导体在磁场中运动等等，然后观察回路中电流表的指针是否发生变化，最后总结规律。再次，彰显归纳的本质。产生感应电流的方法有哪些？该问题又可分解成两个子问题：闭合线圈或线圈的一部分与磁场发生相对运动时，会产生感应电流吗？闭合线圈不动，周围的磁场变化会有感应电流吗？在师生共同解答了这两个问题后，我们可进一步设问：这两种情况下产生感应电流的共同点是什么？（磁通量发生变化），这种层层设问的方式，不仅让学生能深刻理解感应电流产生的条件——穿过闭合线圈的磁通量的变化，也能感知归纳的本质——概括。至此，归纳法更深层次的内涵便水到渠成地得出，即由若干事例或实验出发进行概括，找出事物的共同点，挖掘事物的本质规律。最后，拓展归纳的应用。实际上，归纳法在日常生活中有着广泛的应用。例如，汽车的发动机用水冷却、烫伤了用水冷敷、天热了用冷水洗澡，其共同点直指“水能降温”。又比如，谷歌的人工智能已经能从几千万张图片中“学会”了对“猫”的辨识，其核心就是让同类事物多次重复出现，并让智能机器找出其中的规律，这都是归纳法“再生”的体现。任何思想和方法只有被广泛的使用，在陌生的路口为学生指明前进的方向，像“自行车”一样将学生带到某个目的地，才会显示出其价值。
　　呈现“还原”、“显化”和“再生”三个实践环节，不仅使学生获得方法论上的收获，也体现了“以学为中心”的教育理念。当前，要实现大学物理教学的实质性变革，物理思想和方法教学不仅是有效策略，也是必经之路。事实上，更具深意的，恰恰是內化的思想和方法才使学生真正具有终身学习的能力，才会让学生终身受益。
　　参考文献
　　[1] 邢红军，张抗抗.论物理思想的教育价值及其启示[J].教育科学研究，2016（8）：63.
　　[2][3] 张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M]杭州：浙江教育出版社，2007： 3-10，12.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14921588.htm