科学方法在物理核心概念学习进阶中的作用

石尧+田成良+赵洪慧

摘 要：正如每一次知识、科技的革新都是技术、方法的革命一样，每一次知识的进阶、深化，也必须借助科学方法的演进去完成.因此，选择适当的科学方法作为学习进阶的教学路径，就可以使学生不必彷徨于“荆棘”之中，从而快速且高效地同化新知识，顺利完成学习进阶.

关键词：重力场强；学习进阶；科学方法；比较思想

学生的认知发展过程一直是科学教育界普遍关心的问题.基于知识碎片理论，教学论专家们认为“学生的认知思维发展过程具有进阶的特点”，并据此提出了“学习进阶”教学理论[1].目前“学习进阶”的研究主要集中在两个方面：一是认知发展的路径；二是认知发展中用以“踏脚”的具体“脚踏点”.

重力作为中学阶段最常见的三大力之一，历来在力学的知识网络中扮演着极其重要的角色，是学生受力分析及后续学习重力势能、能量守恒定律的基础.其中，关于重力常量g存在着不同层次的理解，由此构成了学生关于g的学习进阶.

一、重力常量g的三种理解层次

在实际教学中，G和g的关系共有三种表达形式，即G=mg、g=△S/T2=G/m和G/m=g.显而易见，三种表达式间的区别并不是简单的数学变换，而是有着不同的物理含义.进一步，主导这三种表达式建立的科学方法也是大相径庭的（如表1所示）.具体而言，G=mg由比例系数法得出，表明G与mg在数值上存在相等的关系，g只是一个意义不大的常数；g=△S/T2=G/m实际上是算式a=△S/T2=F/m的变种，依靠物理实验，利用留痕法、逐差法得到，g在其中代表了加速度（即重力加速度）.在这两种表达式中“等号”只代表了“数值上的相等”；而G/m=g中“等号”的含义则发生了微妙的变化，除了代表数值上的简单相等外，还有着“赋值于”的含义，即将g赋给比值式G/m.换句话说，G/m是一个具有实际意义的物理量，是一个整体，并非表达简单的正反比例关系.类比电场强度公式F/q=E可以推知，g和E类似，也是代表着一种场的强弱，译为“重力场强”.

就目前教学而言，g的前两种含义（即重力常量与重力加速度）已得到明确显化，为学生熟练掌握，但对于后一种含义（即重力场强），由于各版本教科书均未能予以显化，故而导致重力场强不为广大学生（甚至包括一部分中学教师）所知晓.但是就知识结构的完整性与整体性而言，重力场强的切入是必要且必需的.这是因为，力、场、能、熵作为基础物理教育中的四个核心概念[2]，在中学物理教学中涉及了三个，然而在力学、电学各知识结构的编排上却未能形成对应，有所差异.即电学完全囊括了三个核心概念，而力学则仅有两个，这一缺憾直接导致力学、电学在随后的比较教学中丧失了一个必要的融通门径，有碍于学生整体式认知风格的形成.

其实，上述窘境的出现主要源于两点，一是高一学生的认知水平和自身知识有限，教师不便于讲解重力场强的概念；二是高三阶段教师迫于高考压力，大都无暇顾及此概念，悉心钻研其引入方式者寥寥无几，至多只是提一提名称而已.可想而知，这种隐晦的处理方式必然导致学生对重力场强“一头雾水”，无法顺利完成重力常量g的学习进阶.历经思忖，我们认为破除这一问题的门径在于：为重力场强概念的引入选择恰当的时期，并安排合理的导入方式.

依据皮亚杰的认知发展阶段理论，学生从高一到高三其心理机能在逐渐成熟，相应的认知水平也在不断提高，由此为学生彻底厘清g的概念，完成相关学习进阶提供了生理上的准备，同时高三阶段将对学生大脑中的物理知识进行梳理、整合，使之系统化，而不断丰富的物理知识正好为学生提供了学习重力场强的“脚踏点”.鉴于此，我们认为重力场强的概念放在高三复习时介入是比较合理的.

在确定重力场强引入的时机后，我们接下来的任务便是确立重力场强建立的教学路径.方法主线论代表人物赖格卢特曾说：教学设计应着力于教学过程的改进，最终找到能够达到最优目的的科学方法.故而诸如重力场强这类抽象的概念就要借助于合理的科学方法去引入，以便实现教学模式与学生认知路径的合理对接[3].

二、重力场强引入的教学路径研究

问题驱动教学法是一种以问题为学生学习起点的教学方法，这里教师由知识的传授者变成了问题的提出者，该方法能很好地提高学生学习的主动性，激发他们的求知欲.众所周知，力作为物理学的核心概念，在学生的认知结构中起着举足轻重的作用，物理概念的建立往往以分析受力、比较受力为切入点.因此，重力场强的介入就应立足于“比较”物体受力“大小”这种朴素的动机.

（一）渗透比较思想 创设认知冲突

比较是重要的物理思想，著名教育家乌申斯基曾高屋建瓴地指出：比较是一切理解和思维的基础[4].比较思想统摄着两种思维方法，即对比和类比.其中，类比为异中求同，对比为同中求异.物理思想和思维方法均属于缄默知识，不能靠简单地口口传授为学生领悟与习得，须设法将其完美地融入到日常教学设计之中，通过积极地设问与训练，才能内化为学生的能力.

鉴于高二期间学生已充分接触过电磁场的概念，在大脑中对“场”这种物质有了较为深刻的印象.于是为进一步促进“力场”概念的形成，教师可通过类比的方法，为学生指明：“电荷在电场中会受到电场力的作用，小磁针在磁场中也会受到磁场力的作用.这些作用实际上是通过‘场这种物质来实现的，同样除了存在电磁场外，在地球周围还存在着一种重力场，不同位置的重力场强弱是不同的，如：两极的重力场就要强于赤道的.”并且借机发问：我们该如何判断物体所在位置重力场的强弱呢？进行受力分析往往是解决问题的突破口.大家都知道，在场中的物体必然会受到力的作用，因此我们是否能够通过比较物体在重力场中受力的大小，从而间接判断重力场的强弱呢？

对此，学生一般都会存有疑虑，但一时却难以用精准的语言进行表述，于是教师可引导学生采用归谬法进行反驳，如：在同一地点上，物体会因自身质量的不同而所受重力不同.进一步而言，在月球上100kg的物体受到的重力有163N，而10kg的物体在地球上受到的重力仅有98N，完全与人们平时的经验“地球的重力场强于月球”相悖.可见，单纯比较物体的自身重力是无法从定量的角度判断重力场强弱的，即直接比较物体所受重力的做法是不科学的！那么该怎样修改先前的假设呢？这就为下一步教学做好了铺垫.

（二）针对谬误根源 重新修改假设

在随后的教学环节中，教师应顺势启发学生去找寻谬误产生的根源，并尝试修改原先的比较方法.谬误的产生源于比较时没有选取相同的标准，即未能考虑到物体质量这一关键因素，因此解决问题的方法就是对物体的质量予以“控制”.汲取“物理遵循简洁之美”的特点，我们选用了除法这种数学工具来对物体的质量进行统一：用物体受到的重力G除以相应的质量m，得到“单位质量物体所受重力的大小”，也就是用比值G/m的形式进行比较.

那么借助比值G/m进行比较能否得到我们期待的结果呢？以地球和月球的重力场为例，经计算可得：地球的G1/m1值等于9.8，而月球的G2/m2值则为1.63，正好与“地球的重力场更强”这一事实相吻合.但这种比较方式却与我们直接比较物体自身重力的初衷相悖，这个比值的含义究竟是什么，又具有什么特点？由此整个教学步入了一个新的阶段.

（三）温故而知新 诠释比值内涵

针对比值G/m内涵的诠释，教师应再次对学生进行点拨：这种用一个比值的形式来表述一个物理概念的做法，我们在前面的学习中早已有过广泛的接触，如：密度、电场强度、磁感应强度等，类比这些物理量的特点，我们想一想，能否进一步推理出比值G/m的意义呢？

借助这样的类比，学生便可轻松得出结论，比值G/m也是一个常数，和物体受到重力G的大小及物体自身质量m均无关系.它是重力场本身的一种属性，反映了重力场的强弱，该比值越大，重力场就越强.在此，我们将比值G/m称为重力场的“重力场强度”，简称“重力场强”，用字母g表示.由此从“场”的角度对g的物理意义做出了新的诠释，将学生对g的理解提升到了一个新的层级.可见，学习物理并不是为了发现定律，建立概念，而是为了解决问题，待问题解决之后自然会获得新的知识.

回溯重力场强建立的整个心路历程，我们可以发现，这种比值定义的方式犹如一条丝线，把知识点一一串接起来，形成了“一方多知”的教学链条（如图1所示），使学生在厘清比值式内涵的同时，充分起到温故而知新的效果.

（四）把握教学契机 实现力电融合

力、电专题的分科设置虽在一定程度上可以避免知识的混淆，但亦造成了学科知识的割裂.在实际问题解决中，往往会看到学生由于不善于科间综合，而导致问题不能被顺利解决的情境.耗散结构理论就指出，一个系统若要有序，须先开放，即保有物质交换的通道.受此启发，物理学的各领域之间也势必要有所融通，要求物理教师帮助学生适时且及时地总结力、热、光、电各领域间暗含的普遍性联系.

据此，在最后的教学环节中，教师要“趁热打铁”，以“场”作为力、电融通的契机，帮助学生对相关知识进行梳理与整合，这里可继续采用比较的方法，配合直观的图表（如表2所示），对电学与力学知识展开恰当的类比与对比，从而促进学生大脑中力学和电学知识的融通，达到消弭疏离对峙，冰释方枘圆凿的目的.

三、结语

理解核心概念中每一层次所需的认知水平是不同的，因此学习进阶并不是由一个理解层次简单地跃迁到另一个理解层次，需要依托一定的教学路径去完成，但教学路径却是多种多样的，有的是遍布荆棘的羊肠小径，有的是周道如砥的康庄大路，对教学路径选择的准确与否决定着学习进阶的成败.

现代教学论研究表明，集体经验的获取过程并不等同于个体经验的获取过程，物理知识是数百年来人类科学文化的结晶与积淀，需要学生在相对较短的时间内吸收并同化这些知识.因此教师在教学中必须为学生铺设出获取知识的逻辑通道，这种逻辑主要靠特定的科学方法来表达.换言之，正如每一次知识、科技的革新都是技术、方法的革命一样，每一次知识的进阶、深化，也必须借助科学方法的演进去完成.因此，选择适当的科学方法作为学习进阶的教学路径，就可以使学生不必彷徨于“荆棘”之中，从而快速且高效地同化新知识，顺利完成学习进阶.具体而言，教师不能直接把重力场强的定义式硬生生地抛给学生，这样只会造成学生死记硬背数学表达式，而不去关心知识间的联系，无法形成认知结构.而我们在重力场强学习进阶的教学设计中，以揭示物理意义为教学目标，综合运用比较方法，合理创设认知冲突，巧妙串联新旧知识，最终圆满定义了重力场强这一物理量，并成功诠释了其含义.

综上所述，学习进阶不是简单地显化知识点的每一层含义，期间还涉及方法的更新以及思维的拓展.物理概念进阶的背后实质上是科学方法的进阶.科学方法有效消除了学生认知水平与物理概念自身难度间的剪刀差.在科学方法的辅助下，学生的思维便可拾级而上.

参考文献：

[1]翟小铭.构建学习进阶：本质问题与教学实践策略[J].教育科学，2015，31（2）：47-51.

[2]石尧.以科学方法的逻辑展开“磁感应强度”概念教学的高端备课[J].湖南中学物理，2013（4）：1-3.

[3]石尧，邢红军.以科学方法为中心实施因材施教的物理教学途径研究[J].课程·教材·教法，2016（3）：98-102.

[4]石尧.对高中物理比值定义法和控制变量法的再思考[J].北京教育学院学报（自然科学版），2015，10（1）：50-53.