让学生重演物理知识的发生过程

1、让学生重演物理知识的发生过程吴加澍早在一个多世纪前，法国的胚胎学家海克尔发现：高等生物从种细胞成长为成熟的个体， 都要经历一个胚胎发育的过程，而这个过程正是该物种长期进化历史的迅速而短暂的重演。 此即“生物重演律”（图-3甲）。其实除了生物进化外，重演现象在其它领域里也屡见不鲜。 就以教学活动而言，学生从“未知”达到“真知”需要经历一定的教学过程，而这一过程同 样也是以浓缩的方式，在短暂而迅速地重演着人类漫长的认识发展历程。一一我们不妨称此 为“教学重演律”（图-3乙）。生物重演律教学重演律种细胞 成熟体（胚胎发育）物种进化历程的重演（甲）未知 真知（教学过程）人类认识历程的重演（乙）图3如果

2、把科学家从事科学研究的过程视作为科学知识的原生产过程，那么学生接受科学教 育的过程就是科学知识的再生产过程。理论与实践都表明，这两者在本质上有着极大的自相 似性：学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，他们学习科学的心 理顺序差不多就是前人探索科学的历史顺序。重演律不仅揭示了客观世界的一种普遍现象，而且还具有重要的方法论意义，我们将其 作为指导教学的一种重要策略思想，可以有效地促进物理教学过程的优化。正如玻利亚在“教 学发生学原理”中所指出的那样：“在教一个科学的分支（或一个理论、一个概念）时，我们应 让孩子重蹈人类思想发展中那些最关键的步子。”理想的物理教学应该是，以浓缩的

3、时空和必 然的形式重演人类丰富多彩的科学活动，让学生去亲历探究的过程，感受科学的启迪。这样 不仅有助于学生更好地理解并掌握所学的知识，还能从中汲取前人的智慧，领悟思想方法， 陶冶科学精神，从而全方位地落实“新课标”所提出的三维目标。充分还原稀释，让学生体验物理概念的形成过程物理概念是从大量的物理现象和过程中抽象出来的，它更深刻地反映了事物的共同特征和本 质属性，可以说是浓缩了的知识点。为使学生更好地理解概念，教师就应该将它的形成过程 重新“还原”，使浓缩的物理意义充分“稀释”。正如一位学者的比喻：将15克盐放在你的 面前，无论如何你难以下咽。但当将15克盐放入一碗美味可口的汤中，你早就在享用佳

4、肴时， 将15克盐全部吸收了。”如果说物理概念犹如这里的盐（“溶质”）,那么“溶剂”就是学生学习活 动的认知规律，而“溶液”则是引人入胜的教学情景与过程。一般地，我们可采用如下的物理概 念教学模式：（具体）-（抽象）（具体 ）例如电场线可用来形象地描述电场的特性。但如果学生不理解它的物理意义，这种形象 反倒可能成为令他们眼花缭乱的另一种抽象；这时若再辅以直观的模拟实验，他们甚至会误 认电场线就是一种实体存在。因此，教学的关键就在于通过还原稀释，让学生主动参与电场 线概念的建构过程。例如，可从最简单的点电荷电场入手：我们用带箭头的线段来表示点电 荷电场中不同位置，如A、B、C等处电场强度的大小和

5、方向（如图4甲）。采用同样的方法， 我们还可以作出更多位置的电场强度的分布情况（如图4乙）。很明显，这种方法虽然直观， 但太过繁杂。学生面对这一片密密麻麻的箭头，他们自然会想应该如何简化呢？通过思考， 他们不难找到办法：若以点电荷为圆心，它周围各点场强的方向都是沿半径向外的，于是就 可用一组呈辐射状的射线来反映其方向（图4丙）；又因为它周围各点场强的大小随着离点电 荷距离的增加而减小，这种变化趋势又恰与这组射线“近密远疏”的特征相符合。用这样一 组射线来描述正点电荷电场的性质，不仅形象而且简洁，因而是非常合理的。甲乙丙（图4）坚持延迟判断，让学生探寻物理规律的发现过程物理规律反映的是物理概念之

6、间的联系，从这个意义说来，物理规律是压缩了的知识链。 教学中我们要做的，并不是急于把这些前人获得的结论直接端给学生，让学生尽快地占有它 们。诚如爱因斯坦所说：“对真理的探求比对真理的占有更可贵”，我们要引导学生积极参与 物理规律的发现和推理过程，使探索真正成为物理教学的生命线。教学中应该坚持“延迟判 断”的原则，即：使学生对物理结论的判断，产生于经历必要的认知过程之后。我们借鉴前 人科学发现和研究的方法，在物理规律教学中采用的程序大致可用如下图式表示：（演绎法）（归纳法）例如简谐运动的规律。教学中如果没有对简谐运动的物理过程进行全面细致的分析，就 贸然给出公式F=-kx，学生对其规律的理解就会

7、失之肤浅，甚至误认为仅仅是胡克定律F =kx的翻版。为了改变这种状况，我们把教学的重点放在“解剖麻雀”上，即引导学生仔细 观察弹簧振子（图5）在一次全振动过程中，回复力F、速度v、加速度a以及位移x等物 理量的变化情况，并要求他们尝试从中找出最基本的规律来。通过分析比较，学生发现：F 与v的方向时同时反，大小此增彼减，关系复杂多变；而F与a之间方向始终相同大小同增同 减，关系确实简单，但这只是F=ma（牛顿第二定律）的体现，仅具共性，缺乏个性；再看F 与x，两者方向始终相反，大小又成正比，所以它们之间的关系，最能准确而简明地反映简 谐振动中力与运动的基本规律。这样，学生对于简谐振动的规律F=-

8、kx就不仅知其然，而 且也知其所以然了。采用“延迟判断”进行物理规律教学，固然会拉长A O B建立规律的时间，但是“磨刀不误砍柴工”，这样做，一O学生对规律的理解将会更加深刻，运用也能灵活自如，I最终还是提高了教学效率。（图5）渗透思想方法，让学生参与物理实验的设计过程物理实验是手脑并用的实践活动。一个完整的实验过程，可以分成实验目的、实验原理、 实验方案、实施步骤以及实验结论等主要环节，它们之间互相联系，构成了一个有机的整体:其中，实验原理蕴含着丰富的物理思想和方法，对于其他环节有着重要的影响和指导作 用，是整个实验的核心，理应成为实验教学的重点。具体地说，不仅是那些著名的经典实验 （如伽利

9、略斜面实验、卡文迪许扭秤实验等），应引导学生去追溯物理学家思考、研究的源头， 领略他们精巧的设计、独到的方法或深刻的分析，从中汲取物理思想的营养；即便是教材中 大量的演示实验和学生实验，我们也不能采取简单的“拿来主义”让学生照方抓药，机械操 作。在实验教学中，我们应尽量再现实验的设计过程，多让学生想想：应该怎样做？为什么要这样做？换种方法能不能做？等等，以此来渗透物理思想，启迪学生思路。例如，“楞次定律”的教学离不开实验。一般的做法是，要求学生按事先设定的四种情况 （将磁铁N、S极分别插入和拔出线圈）操作，观察并依次填写原磁场（少）的方向、原磁场的 变化（）、感生电流（I感）的方向、以及感生电

10、流磁场（感）的方向等，最后归纳出结 论。这样教学看起来流程顺畅，结论明确，但在实验之后学生往往不明白：为什么就选定这 四种情况来做实验？尤其是，实验目的是确定感生电流I感的方向，为什么还要扯到感上去 呢？究其原因，是由于上述实验教学中，没有突出物理思想方法，让学生真正参与实验 的设计过程，他们只是循着指令在做“广播操”，而没有将实验操作与思维活动有机地结合起 来。我们对此作了如下改进。提出课题后，先引导学生观察磁铁的N、S极分别插入和拔出线圈时，电流表指针的偏 转情况。并思考：感生电流I感的方向可能与哪些因素有关？经过讨论，学生不难得出，I感 方向取决于原磁场的方向（向上或向下）与磁场的变化（

11、增大或减少）。在此基础上，学生自行设 计出了包括上述四种情况在内的实验方案。接着让学生实地观察并记录各种不同情况下，原 磁场的方向和变化，以及相应的感生电流方向。然后要求他们分析、与I感之间的关系， 看能否从中概括出有关的规律来。同学们发现，尽管原磁场的变化（AB）是产生感生电流 （I感）的直接原因，但与I感两者之间却并未显示出某种明确的对应关系。怎么办呢？学 生的思维很快被激发起来，处在了一种亢奋状态。这时，教师就因势利导，启发学生另辟蹊 径：能否设法找出一个既与有关，又与I感有关的“中间量”，通过它的中介作用，来沟 通并确定和I感的关系呢？经过讨论大家想到，感生电流产生的磁场感或许能充当这

12、样的角色。因此，实验的关键就要看感生电流产生的磁场感与原磁场的变化之间是否有着 一定的内在联系，即：/ X感中感学生按着这样的思路继续实验，并对各种情况下的咸与进行分析比较，终于从中概括出 感了规律性的结论。实践表明，在实验教学中有意识地创设一种探索的氛围，使它带上一定的研究色彩，将会促使学生更好地领会实验思想的精髓，有助于提高他们的实验素养和能力注重过程分析，让学生亲历物理问题的解决过程笔者曾要求学生实地估测自行车在行进时所受阻力的大小（图6一甲）。不想这个问题却把 学生难住了，他们推着自行车在操场上团团转，就是不知该如何入手；后来让他们回教室演 算一道类似的题目：质量为m的物体以一定初速沿

13、水平地面做匀减速运动，最后停止，设所 用时间为t ,通过位移为s，试求物体在运动过程中所受阻力的大小（图6一乙）。结果学生很 快就求出了答案。两者对比，真是大相径庭。（甲）s、tf= ?s、t（图6）其实，这正是传统习题教学造成的后果。我们平时给学生做的题目，都是经过了去伪存 真、削枝强干的精心加工，设问明确、条件贴切，学生只要公式对路、计算无误，即可大功告 成。呈现在他们面前的不是有血有肉的物理世界，而是一个由滑块、小球、斜面等理想元件 堆砌起来的抽象世界。其中那些最能启迪心智、锤练思维的过程与环节，却被我们轻易地代 劳了；学生吃到的是被人家嚼过的馍，哪里还有甚么营养和味道呢？一般的物理问题

14、，总是由初态（条件）和终态（目标）组成的，解题者的任务，就是要 寻找一系列由初态逐渐逼近终态的中间状态。具体地说，就是通过审读题目，在明确对象、 分析过程（或状态）的基础上，构造出适合题意的物理模型，从而使“实际问题”转化为“物 理问题”；接着选用相应的物理规律，布列方程，把“物理问题”转化为“数学问题”；然后 求解作答，得出“问题结果”，并将其纳入原问题的情境中，予以“检验讨论”，对解题过程 作出评价。由此可见，求解物理习题的过程，也就是学生主动参与的认知过程，它有一个完 整的认知操作序列：* （目标）检验讨论求解作答 二布列方程选用规律建立模型分析过程确定对象审明题意在上述过程中，物理模型的构建是至关重要的。它既是使复杂的实际问题转化为相应的 物理问题的前提，也是正确选用物理规律、求解物理问题的依据，因而起着承上启下的关键 作用。在教学中，有的教师往往把众多的物理题目机械地划分为各类题型，结果是越分越多。 其实，正确的策略应是以少胜多抓模型。我们看许多物理题目，尽管形式各异但其内核是相 同的，都是来源于同一个原型题，即“母题”。它们只是