谈物理教与学思维的表达形式及转化——以“波的形成与传播”课堂教学为例

王忠明

（张家港外国语学校，江苏 张家港 215600）

教师主要任务是如何组织知识，并根据学生的特点以某种形式呈现知识.不论是组织知识，还是呈现知识，它们包含了教师在教学设计和教学过程中的思维过程.同样，不论学生在接受知识、还是在探究、发现知识的过程中都涉及到知识的同化过程.在学生同化知识的过程中涉及知识的感知、记忆、判断、推理，同时同化与顺应不是单向的，双向多层次、多次完成的.学生在同化和顺应的过程中同样包含了丰富的思维过程.

但是不论是形成概念、还是归纳或演绎出规律，亦或运用概念和规律解决问题时采用分析与综合等思维形式，这些物理思维的特点都具内潜性、简缩性和观念性.有效教学的最基本要求就是有效沟通，也就是说要将科学家的思维通过教学设计暴露在教师自己感官面前.教师的教学思维通过生动、有效的教学过程暴露在学生各类感官面前.真如夸美纽斯所说：一切知识都是从感官的感觉开始的，应该把通过感官所获得的客观事物感觉经验作为教学的基础.学生在主动接受知识或者探究知识的过程中应该通过自然、生态的课堂活动有效表达自己的思维过程.三种思维的有效表达，将有助于教师和学生迸发出可贵的思维火花，或暴露出隐藏的思维障碍，提高学生知识生成的自主性、有序性.

一般来说，教师表达思维主要有下面几种方式：演示实验、实物、模型、多媒体动画演示或视频资料、图像或图表、语言、文字或者符号.其中文字和符号属于抽象、非直观的思维表达；语言是一种发声的符号，但生动的语言不仅给人强烈的感染力，而且形象、生动的描述会在人的心理产生一副相对应的物理情景，因此语言具有一定的直观性；图像或图表带有一定的抽象性，它简洁但内涵丰富，因此需要读图的学生有一定的阅图能力，但其主要以直观表达为主，而且有时会有一图胜千言的感觉；其他的表达方式属于直观的思维表述方式.下面以“波的形成与传播”课堂教学为例谈物理教与学思维的表达形式及转化.

1 生成概念内含的思维表达形式与转化

物理概念是一类物理现象和物理过程的共同性质和本质特征在人们头脑中的反映，是对物理现象和物理过程的抽象化和概括化的思维形式.根据该定义，有两点值得我们注意：其一，概念是性质在头脑中的反映，简单地说就是表象，就是现象或过程的性质在头脑中形象，这个形象可以是静止的，也可以是运动的、变化的.要确保表象正确，我们的现象和过程就一定要具体、形象，并且能反映现象和过程的正确性质.其二，概念是抽象的、概括的，因此我们在教学过程中有必要把抽象的概念具体化，把概括的性质和特征详细化、形象化.下面以“波”这一概念的引入和生成来说明内含的思维表达形式与转化.

1.1 波概念的引入——展示教师的思维过程

图1

首先（实验）演示实验波动，如图1所示.提示学生注意教师手的运动方式，观察绳子上“波浪”的前进.

其次（文字、语言）板书：振动的传播叫波动，简称波.

最后（语言）提问：什么是振动？

回答：质点以某一位置做周期性运动.

提问：怎样理解“传播”？

回答：绳子上不动的部分随着时间推移，也开始“动”起来.

1.2 波概念的生成——暴露学生思维过程

首先（视频）提供深海处的海浪和原子弹的冲击波视频.

提问：视频展示的是否是波？学生回答：是波.

其次（语言）提问：声音是波吗？学生回答：是波，是声波.

提问：既然声波是波，就应该看到振动和振动的传播，那我们如何看到呢？学生回答：用讲台上的喇叭发声来做实验.

最后（实验、语言）演示 “声波”形成的实验.在喇叭发出声音时，如果在喇叭的纸盆上放置小砂子，如图2所示，提问：小砂子会出现什么现象？学生回答：小砂子会出现跳动.再问：如果在发出声音的喇叭旁边放置一支点燃的蜡烛，如图3所示，蜡烛的火焰会出现什么现象？学生回答：火焰会左右摇摆，说明空气在振动.演示实验验证学生刚才的“猜测”.

图2

图3

一些简单概念，比如当要学习的概念已经有了上位概念（如，波）之后，在学习下位概念（如横波、纵波）时，完全可以让学生阅读课本上相关概念的文字叙述之后，再通过直观的视频演示来形成对概念的理解，如图4所示.相反，一些非常抽象的概念，特别是一些在学生认知结构中从未有“固定点”的概念的形成就更要用形象的、直观的方式来帮助学生生成概念.最能说明这一特点的概念就是电场，当年法拉第就是用“形象的”电场线来表达“抽象的”电场.

图4

从上面的分析可以看出，物理概念是从大量的物理现象和过程中抽象出来的，它深刻地反映了事物的共同特征和本质属性，可说是浓缩了的知识点.为使学生更好地理解概念，就应将它的形成过程重新“还原”，使其浓缩的物理意义充分“稀释”.——如果把物理概念喻作“溶质”，那么“溶剂”就是学生学习的认知规律，而“溶液”则是引人入胜的教学情景与过程.这个引人入胜的教学情境和过程就要依靠展示师生的思维过程.暴露思维过程就要依靠一定的手段，比如在上面教学过程中就使用了直观的演示实验、视频（包括真实生活中的视频和动画技术）、师生的语言；当然也包括抽象的文字与符号.学生头脑的中的概念及相关的概念可以用现实的生活情境、口头语言、书面符号来表达，当概念在这几种表达中相互转化时，学生就获得了相应概念的意义，自然而然在其知识结构中生成了概念.

2 物理规律形成与应用内含思维的表达形式与转化

物理规律反映的是物理概念之间的联系，从这个意义说来，物理规律是压缩了的知识链.整个物理规律教学的着眼点，是以学生的认知过程为主线，将科学家的原发现过程，从教育与教学的角度，进行必要的剪辑和编制，让学生追根溯源，把他们推至问题开始的地方，从而使教学过程真正成为学生主动参与的“再发现”、“亚研究”过程.

从另外一个侧面讲，物理规律的形成和应用从知识的状态和表现上来说属于程序性知识.对于程序性知识，同样可以用直观的方式来表达师生在教学过程内含的思维过程.通过直观的思维表达形式来表现出“如何做”、如何“思考”，让人一目了然.“看”是人与生俱来的一种能力，所以当用文字语言无法阐释清楚时，就用“图”来说明白.下面以“波是如何形成与传播”这个问题来说明思维的表达.

2.1 物理规律的生成——通过教师的教学设计和教学过程揭示科学家的思维过程

波的形成是本节课的教学难点.之所以成为难点，原因有以下3点：其一，学生在学习波之前研究都是一个质点的运动，研究两个质点之间的相对运动已经是高难度的问题.在波动中，绳子上各个质点都在运动，而且它们运动的步调不一定一致；其二，介质中的各点依次开始振动起来，振动知识是刚学习的内容，在学生的认知结构中还不稳定、不清晰；其三，波的形成涉及质点振动和振动的传播两种运动.为解决上面的难点，有必要将科学家的思维直观地表达出来.

首先（实验）做绳波形成的演示实验，如图5（a）所示.

图5

其次（图像）因为是绳子上各个质点都要参与运动，所以直观地表示绳子上的各个质点.如图5（b）－（d）所示.

再次（动画）为直观表达波源处质点带动后续质点振动，动画演示绳子上第1个质点到第3个质点刚开始的运动情况.如图5（e）所示.并讲解：由于绳子不能间断，所以在绳上各质点之间的相互作用力作用下，绳子上各质点依次开始做受迫振动，质点的振动周期相同.

最后（动画）多媒体动画演示绳子上各个质点的振动和振动的传播两种运动.如图5（f）所示.

2.2 物理规律的应用——通过学生反馈的问题揭示学生思维中存在的缺陷

波传播的规律是本节课的重点.经过上面波形成的教学，教师提供了如图6中6张波形成过程中的照片，分别是波源开始振动计时的t＝0，t＝T/4，t＝T/2，t＝3T/4，t＝T，t＝5T/4 6个时刻的照片.要求学生根据波形成的教学过程和这6张照片，找出波传播过程中的规律.

图6

经过学生分组讨论之后，各组代表提出了各自的观点（该过程中思维的表达方式有图像、讨论、文字）.按照学生的思维顺序，将学生讨论的结果整理如下：

（1）波的传播过程中，包含质点的振动和波峰、波谷的运动.

（2）振源的振动是一个简谐振动，绳子上其他各个质点振动之后也是简谐振动.

（3）绳子上各个质点开始振动的方向与振源的起振方向相同.

（4）从第4点开始起动到第7点开始起动需要的时间跟从第7点起动到第10个点开始起动需要的时间相等.

（5）在t＝T/4之后，1、2、3、4四个质点形成的连线“形状”向右运动，且速度的大小不变.

（6）“形状”的运动方向与绳子上质点的运动方向相互垂直.这两种运动在大小上没有必然的联系.

（7）“波形”在某一时刻具有空间上的周期性.

（8）“波形”向外传播一个波长，振源的质点振动了一个周期.

（9）可以画出再过T/4之后的波形.甚至可以画出任意时刻的波形图.

以上9个观点经过学生分析、论证之后得以确认.教师要求学生对上面9点结论用图表的方式进行总结.经过讨论得到如图7.（该过程中思维的表达方式主要有图表、讨论.）

图7

从上面的分析可以看出，在物理课堂教学中，并存着三种思维活动，即教科书（或可以称为物理学家，只是教科书的编撰考虑了知识的逻辑性和历史性）表现的思维活动、教师的思维活动以及学生的思维活动.教学中应将三种思维过程尽量开放，形成一个和谐互补的有机整体，从而有效地促进学生的思维发展.作为教师，第一，要揭示教科书的思维过程.教师要把蕴含在字里行间的科学家的思维结晶开发出来，让学生循着前人的思维历程去亲身体验，使他们不仅从中获取知识，更能受到科学思维的熏陶.第二，要尽量用各种直观的表达方式展现教师的思维过程.教师要敢于、并善于把自己原始的、有序的、经过整合过的思维过程充分展现在学生面前，让他们去评价、思索，从而达到启迪学生思维的目的，促进学生知识的同化和顺应.教师的思维活动在这三种思维中起着承上启下的作用，因而教师思维的表达方式及其相互之间的转化是有效教学的关键所在.第三，通过师生、生生之间的讨论、教师提问、课堂练习等方式，使学生的思维活动轨迹自发（或诱发）地暴露出来，让教师了解学生思维存在缺陷，促使教师转化思维的表达方式来适合学生知识序的生成、思维序的顺畅.教师的思维说到底是为学生的思维服务，为学生的知识生成服务.

最后，有一点需要注意，教师不能为直观而直观，“在处理所有的实物时都渗透着推理……，只教授事物而没有思维，只有感官知觉而没有与之相关联的判断，这是最不符合自然本性的”.