显化科学方法视野下物理概念的建构逻辑—— 以“静摩擦力”教学为例

李俊永 王长江

(1. 仁怀市周林高级中学，贵州 仁怀 564500； 2. 安徽师范大学物电学院，安徽 芜湖 241000)

·教育理论研究·

显化科学方法视野下物理概念的建构逻辑
—— 以“静摩擦力”教学为例

李俊永1王长江2

(1. 仁怀市周林高级中学，贵州 仁怀 564500； 2. 安徽师范大学物电学院，安徽 芜湖 241000)

物理概念教学有其自身的教学逻辑,概念的形成亦应遵循概念建立的逻辑,把握科学概念建立过程中的科学方法以突破概念建构的逻辑难点意义重大．本文分析了高中人教版“静摩擦力”的内容编排逻辑,针对其不足以科学方法为中心阐述了静摩擦力这一概念获得及其应用过程当中的逻辑问题,不断凸显科学方法在物理教与学中的价值和意义,以期对物理科学方法的显化以有益的启示．

物理概念; 科学方法显化; 静摩擦力

每个物理概念形成的背后都隐藏着与之相联系的诸多科学研究方法,物理教学应关注概念形成中的科学研究方法并把它们显化,挖掘并发挥这些科学方法自身蕴藏的教育价值对当下的物理教学意义匪浅．本文以高中人教版“静摩擦力”教学为例,在显化科学方法的视野下研究了静摩擦力这一概念建构过程当中的建构逻辑,以期有所教益．

1 教材内容的分析

摩擦力是高中物理常见且重要的一种类型的力,教学实践表明摩擦力的学习是学生学习的难点．该节内容是现行人教版《物理1》中第3章第3节的内容,是与重力、弹力平行设置的一部分知识,由于该节内容较多,故应分散难点进行新授课的施教,与教材相匹配的教师用书对此设置为3课时,其中静摩擦力的教学应当占有1个课时．行文伊始教材开门见山地指出“两个相互接触的物体,当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力[1]”,以此给出摩擦力的概念,通过“思考与讨论”栏目展现3幅小孩推木箱的插图并设置了相互接触的物体相对静止的时候是不是也可能产生摩擦力的问题,结合二力平衡的知识指出摩擦力存在性的事实,进一步说明了物体间有相对运动趋势的状态,逐步比较引入静摩擦力的概念．对于静摩擦力的大小研究，教材运用二力平衡的知识和弹簧测力计拉木块的实验进行解释,阐述了静摩擦力大小是可以变化的事实,通过实验也得到静摩擦力有最大值的正确认识，进而得到静摩擦力的变化范围为0

仔细揣摩教材对知识的编排过程就会发现有以下几个问题值得商榷: (1) 摩擦力概念的引入方式与学生的认知结构相悖．虽然学生在初中阶段接触过与摩擦力有关的一些知识,但是未必就对这一概念有深入的了解,很多学生只是知道摩擦力这一名词,笔者通过在不同班级中进行的学生访谈证实了这一观点的正确性,该节内容对摩擦力概念的描述非常科学和规范,对于这样的高度学生难以企及．这种告诉式的引入方式不可避免地带来了教学的灌输．(2) 直接使用“相对运动趋势”这一科学术语造成学生对静摩擦力概念的生硬理解．这个术语学生并不陌生，在生活当中学生也会使用,属于前科学概念,但是这一概念往往被学生理解为“运动的趋势”,丢掉了“相对”的限定．理解相对运动趋势是学习静摩擦力的难点,教材中并未指明理解相对运动趋势的具体方法．科学方法涉及的不是物质世界本身,而是人们认识物质世界的途径与方式,是高度抽象的,并不直接由学科知识内容来表达,而是有自己独特的表达方式,比知识更加抽象和隐蔽[1],因此就无形中增加了学生的外部认知负荷．(3) 判定静摩擦力大小的物理判据——平衡法,显化不够．在物理方法显化的角度看,教材以“同样根据二力平衡的知识……”作为静摩擦力大小得出的物理判据,其过于轻描淡写,从知识的获得过程来看,方法比知识本身更重要,是一种更特殊的知识．(4) 没有从认识论上处理好静摩擦力与生活的关系,科学的思维方法未得到体现．教材仅仅提到静摩擦力有利的一面,却未像沪科版教材那样在指出有利一面的同时也指出了不利的一面,这样的处理不利于对学生进行物理现象的哲学辩证分析．

这些问题的解决都要依赖一定的科学研究方法,老一辈物理教育家乔际平先生指出:科学知识的得出总是与一定的科学方法相联系[3]．利用科学方法突破知识获得过程中的难点既是一种新的教学路径,也能够让学生明白和感受方法的巨大魅力,正是基于这种知识与方法相对应的思想精髓,本文试图将科学方法显化于教和学的具体实践,去彰显科学方法的知识、能力及教育价值．

2 彰显科学方法的物理概念建构逻辑

依据知识与方法之间的“对应原则”和对教材内容的认真思考,我们建立了静摩擦力知识线与方法线的逻辑线路图．

如图1所示,在教学过程中知识线和方法线并行,在每一个知识形成的过程中都有特定的科学方法与之相对应,我们要做的就是以知识为载体通过显化科学方法学习知识,通过科学方法将散落的知识点串接起来凸显知识之间的方法逻辑．知识线中分为对概念的引入、内涵分析及价值延伸3部分,方法线中被挖掘的方法有,观察法、归纳法、假设法、符号判断法、平衡法和辩证法．

图1 静摩擦力的知识——方法对应图

2.1 观察法与归纳法下的概念引入逻辑

图2 拔河比赛中的静摩擦力

概念的引入遵从了“摩擦现象—摩擦—静摩擦力”的知识认知序,从摩擦现象到“摩擦”,再到静摩擦力定义的给出体现了从生活走向物理的教学研究路径．如果要实现从生活走向物理,那么透过摩擦现象把握诸多摩擦现象中的共有本质之研究方法至关重要,笛卡尔说过“最重要的知识是关于方法的知识”,关于“方法”的知识是打开未知世界之门的钥匙,对静摩擦力概念的引入笔者采用观察法和归纳法．生活中存在诸多关于滑动摩擦和静摩擦的摩擦现象,并非所有的摩擦现象都可以进入课堂教学空间,需要教师按照学生已存有的关于摩擦的“生活体验”,并且依据这种体验的强烈程度加以甄别和筛选．为此,在列出了生活中常见的静摩擦现象之后笔者给学生展示了学生自己拔河的照片,如图2所示为拔河的场景,在观察过程中,观察的视角需聚焦两处,分别是手掌与绳子接触点及双脚与地面的接触点．因为学生对自己的拔河比赛有强烈的生活体验,他们首先会从中明白“接触”这一先决条件对静摩擦力的重要意义,如果没有“接触”比赛是不可能进行的,“触而不磨”将无从借力,比赛亦难进行,从这一方面来讲“接触”是“摩擦”被定义的必要条件,但是与此同时物体之间相互接触未必就一定会产生摩擦;“触而不磨”即为相对静止,是无条件的静止,对静摩擦力而言“触而且磨”是有条件的相对静止,即“磨之所向”的问题．学生的整个观察过程伴随着归纳和判断,这也是发现式教学法的精髓之所在,通过最后的归纳总结便可得到静摩擦力的概念,顺便也得到了滑动摩擦力的概念．这就是观察法与归纳法相结合的、由生活进入课程的静摩擦力概念的引入逻辑．

2.2 假设判断法与平衡法下的概念内涵分析

摩擦力方向的研究中蕴藏着假设法,假设法的运用使得相对运动趋势不再晦涩难懂,使得静摩擦力的方向明朗化．受到静摩擦力的物体显著的特点是“内心有想法,外表很平静”,物体受到静摩擦力其接触面必定是粗糙的,此处的假设法实际上是理想化思想的具体体现,假设法的运用步骤如下: (1) 假设接触面是光滑; (2) 在假设的前提下,物体会向其余外力之合力的方向运动,这就是相对运动趋势的方向; (3) 与这个运动方向相反的方向就是静摩擦力的方向; (4) 在假设的前提下,如果物体相对接触面不运动，则物体不受静摩擦力的作用．

在该阶段引导学生分析图3,图3所示为木板——木块组合体,给(a)图木板不施加水平向右的力F,(b)图的木板使加力F,它们的下方放置一木块且都处于静止状态．对(b)图的木板而言,假设木板与木块之间的接触面光滑,木板相对于木块向右运动则此方向为其相对木块的运动趋势的方向,这样的处理也给出了相对运动趋势的判断方法,至此教师可直接给出相对运动趋势这一物理术语．根据假设法的运用步骤就得到静摩擦力的方向水平向左,对比之下(a)图的木板并未发生任何变化,所以它并不受到静摩擦力的作用．

图3 木板—木块组合体

摩擦力方向的判断也可以采用符号判断法进行,中学物理中正负符号的含义极为丰富,相关文章对此作了深入的研究[4]．符号判断法的具体步骤如下: (1) 首先规定一个确定的正方向,在相应的矢量前冠以“+”,与规定正向相反的方向统一标记为负方向,在相应的矢量前冠以“-”,如果一些矢量不清楚其方向一律冠以“+”; (2) 根据物体的运动状态列出相应的状态方程,在此状态方程下再确定方向不清楚的矢量的正负号; (3) 根据(2)中确定的正负号确定未知矢量的方向,若该矢量量值为0,则该矢量不存在．图3(b)中,规定以力F的方向为正方向,由木板处于平衡状态可知木板一定受到木块施加的静摩擦力,其方向未知,列出状态方程F+f=0,则f=-F<0,则静摩擦力的方向与规定的正方向相反,其方向向左,图3(a)没有向右的外力,故f=0,说明静摩擦力不存在．

静摩擦力大小的计算应当显化平衡法这一重要方法,平衡法的显化在于被解决的物理问题的提出,只要能够分析到“对拉”这一物理操作,平衡法便浮出知识的水面，也就顺理成章地得到显化,这是一个间接的、借力求力的过程．教材中仅仅提到的是二力平衡,教材中利用弹簧秤拉木块实际上就是平衡法的具体应用,实际上完全可以在以后的学习中将这种二力的平衡拓展到三力的平衡,平衡法是物理美学在问题解决中的具体表现形式,正如在符号判断法中所列的状态方程那样,方程中的等号表示了平衡、表示了一种对称的美．

2.3 应用分析中辩证法的价值延伸

从在前面的分析中可知教材对静摩擦力的处理只指明有利的一面,未说明有害的一面,这是典型的“言而不全说、点而不全中”．从辩证法的角度来看事物的矛盾具有普遍性,在静摩擦力的教学中应当对此有所体现,趋利避害就成为人们生活实践的必然选择．利用传送带将物体从低处输送至高处、轮胎上面的花纹、拿在手中的瓶子和毛笔、用筷子夹起食物等等都是静摩擦力应用的鲜活实例．但是静摩擦力也给人们带来了不利的影响,例如,生锈的车轮无法转动、时间久了定位销很难从销空拔出、汽车轮子陷入泥地难以移出地面等等都是有害静摩擦的实例．辩证法的价值就在于对学生进行认识上的教育,让学生从唯物主义辩证法的角度认识到事物的两面性．辩证法的显化在于利与害对比,通过学生自己列举实例,教师点拨认识辩证法的意义，达到对静摩擦力的真正理解．

3 概念逻辑建构的思考

物理概念建构的逻辑在本质上是由蕴藏在关于此概念的事实性知识中的科学方法所决定的,这种科学方法可以成为物理概念获得的重要工具,为此就必须深入地挖掘这种科学研究方法．把握好“对应原则”，则与物理概念相对应的科学研究方法就可以浮出知识的水面,要突破传统的“物理现象—逻辑分析—概念形成—概念巩固—概念应用”概念教学模式,需要以科学方法为中心不断显化科学研究方法,每一步都应当以合理的科学方法为支撑合情合理地铺展开来,明了其意义，把握其内涵，最终实现对物理概念的建构．

对“静摩擦力”这节内容而言,依据对应原则我们形成了知识—方法并行线,不论是概念的形成、概念的内涵分析还是概念的价值拓展，都以特定的方法为支撑，步步紧扣，最终形成了静摩擦力概念建构的新逻辑,形成了“现象—方法—概念”和“概念—方法—应用”的新的教学思路．当然一个知识可以对应不止一个的科学研究方法,究竟哪一个方法最适合物理课堂教学,需要教师认真分析学生实际状况，实事求是地开展教学研究,真真正正地通过显化科学研究方法把科学方法教育落到实处．

1 人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修1[M].北京:人民教育出版社,2010:57-58.

2 高凌飚.中学物理课程论[M].上海:上海教育出版社,1999:138-150.

3 乔际平,张宪魁.初中物理教材的选择与分析[M].北京：高等教育出版社,1993:99.

4 林中峰.高中物理矢量和标量中的正负号含义[J].科技风,2013(12):96-97.

2017-04-11)

本文系安徽师范大学博士启动金项目(项目编号： 2017XJJ27)的阶段性成果.