从研究的视角构建抽象对象的探究

丁德生

摘 要：从研究的视角构建抽象对象，让学生从知识自然构建的角度体验严密逻辑推理及抽象思维的探究过程，进行高层次的思维训练，这对提高学生的思维品质是非常有利的。然而，对象的抽象性也给学生带来了不小的挑战，问题的精心设计、老师的引导、生成的巧妙处理等是课堂成功的关键。

关键词：研究的视角；抽象对象；思维品质

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）5-0015-4

物理学中“场”“概率波”等一类对象，“看不到、摸不着”，难以捉摸，谓之“抽象对象”。对抽象对象的探究更多的是建立在概念基础之上的分析、推理、综合的过程。这种理论上的、逻辑推理层面的探究起点较高，能引出学生更深入地思考，是训练学生思维品质的最佳素材。然而，对抽象对象的探究失去了普通对象的特征参考，探究路径也更加陌生，给学生带来了不小的挑战。

从研究的视角构建抽象对象的探究，就是从不含任何物理量的自然现象和事实中引导学生发现问题、提出问题、解决问题、生成新问题，一步步地走向深入。问题的预设与生成、任务的设定与解决在原始的情境中进行，模型的建构更加自然、真情实感，有效地降低了探究的台阶，并能充分利用抽象对象探究的挑战性激发学生的兴趣，提高探究的效率，让整个过程在一个较高的思维层次上进行。

笔者近几年进行了高中物理课堂生态方面的调查分析的课题研究，进行了一些高中物理生态课堂的设计尝试，在“核心素养”的新背景下，尝试将高中物理中的一些抽象对象从研究的视角进行原汁原味的探究教学。下面以“电场”为例，与大家分享。

1 查找文献，收集资料，研究从本原开始

案例一 电场是物质吗？

电场这种物质跟普通的由分子、原子构成的物质不同，看不见、摸不着，非常抽象。其实，电场是不依赖于我们的感觉而客观存在的东西。电场客观存在的论证过程较长，逻辑过程也复杂，还有少量的知识是学生没有掌握的，所以传统的教学基本是直接引入法拉第场的观念。然而，直接引入对学生来说太牵强，易引起学生的疑惑。如果选择适当的探究方式让学生体验场的建立过程，无论是对电场的认识，还是培养学生的抽象思维能力都是最佳的。为此，课前可以提供必要的背景资料，用趣味的问题串，激发学生探究的欲望，恰到好处地引导学生以小组为单位相互协作，上网或到图书馆等查找物理学史相关文献、收集资料，寻找论证的逻辑证据，形成课题形式的研究报告，通过小组辩论等方式多途径体验建立场的观念的全过程。图1为学生收集、论证过程的框架图，过程充满挑战，但师生的共同协作，热情高涨，探究在不知不觉中完成，使学生获得了极大的成就感。

评析：查找、阅读文献、收集资料是重要的课题研究方法。学生在查找文献、收集资料及课题论证的过程就是让学生体验科学家的探究过程，培养学生思维能力的过程。教师引导学生在真实的生态情境中观察、实验，通过科学推理和科学论证的训练，体验模型构建、等效、类比、理想实验等科学思维方法，发展学生的科学思维能力，提高思维品质，逐步形成适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力是课堂教学追求的重要目标。然而，这些所谓的“素养”并不是与生俱来的，只有在真实情境中运用所学知识解决复杂问题，逐渐形成科学思维和解决问题的能力时，知识才能转化为素养。

当前课堂对抽象对象的探究教学遇到学生知识背景不足、探究过程简化等瓶颈问题，探究深度放不开留于形式，不敢回归原始情景，用“模拟”“替代”则很难发生深入分析，深刻评价，更谈不上“创造”等高层次的思维活动。虽然降低了教学的难度，但也失去了研究“场”这种“看不到的物质”时所经历的逻辑推理、抽象思维的体验及探究过程，失去了从知识自然构建的角度体验抽象研究的过程。

2 抽象对象的研究更能突出推理思辨能力的培養

案例二 电场的性质描述

问题一：场的观念的建立过程需要让学生信服电场是一种存在的物质，但它看不到、摸不着，它在空间是如何分布的？处处一样吗？该怎么去探究呢？

演示电荷与电荷之间的相互作用，如图2所示，让学生尝试用场的观念重新解释这些现象，体会电场作用的分布问题，确定电场空间分布的不均匀性，并学会用试探电荷作为探究电场的工具。

问题二：电场分布的不同体现在场对电荷作用力的不同，这反映了电场力的性质，能定量表示这种性质吗？

同一试探电荷在电场的不同之处受力的大小及方向的不同反映了各处电场强弱的不同，有必要引入物理量来描述电场分布的差别——电场强度。

问题三：电场强度反映了电场分布的强弱，应该怎样将它表示出来呢？

电场的抽象性不能直接测量，需用试探电荷间接试探。能直接测量的电场力，却与试探电荷有关，所以不能用电场力来定义电场强度。但电场力包含了电场强弱的信息，只是“混进了”试探电荷的信息而已，只要从中“去除”试探电荷的信息，剩下的就是电场的强弱了。

问题四：怎样从电场力中“去除”试探电荷的信息呢？

关键是电场力与试探电荷之间的关系，这相当于控制变量法——保持电场不变。逻辑推理电荷倍增法表明电场力与试探电荷成正比，所以比值是与试探电荷无关的量，这就是要找的反映电场强弱的物理量——电场强度。

问题五：电场还有方向的性质，如何确定呢？

电场力的方向也是由电场及试探电荷共同决定的，而电场的方向与试探电荷无关，故只要规定其中一种电荷（如正电荷）的受力方向为电场的方向，另一种电荷的受力方向为电场的反方向即可（电荷的正负本来就是相对的）。

评析：比值法定义物理量是物理量定义的一种重要的思想方法。试探电荷在电场中受到的作用力既包含电场的信息又与试探电荷自身有关，而电场强度与试探电荷又是无关的，所以通过比值F/q就能得到与试探工具无关、只反映电场性质的物理量，而这个物理量就能描述电场的强弱——电场强度。让学生体验比值法的科学性，整个探究过程包含交流合作、总结与互相评价。虽然没有看到、摸到电场，但电场始终就在“眼前”——这就是一个实实在在的物质。整个流程经过精心编排（如图3所示），应用比值法来定义电场强度，无论是探究的过程及逻辑顺序都是水到渠成的。

问题始终是探究的主线，精心设计的真实问题创设情景，激活学生思维，激发学生主动探究新知的欲望，理顺内容的逻辑关系，让学生在精心创设的体现概念本质特征的情境中探究，引导学生在观察、实验的基础上通过科学推理和科学论证，体验模型构建、等效、类比、理想实验等科学思想，培养学生的科学思维能力。

推理思辨能力是学生必须具备的能力之一。学生的思维方式和科学家有着极大的不同，他们经常是基于自己的学习起点和生活经验，观察、理解所看到的现象，学习新知识，缺乏职业的学习观念，而这些就是思辨能力不强的表现。对抽象对象的探究强化了概念基础上的推理、分析、综合能力的训练，用严密的逻辑推理抽象物理模型、解决问题，突出了对学生思辨能力的培养。从研究的视角进行抽象对象的探究能彻底取代“填鸭式”的、没有创新的教学模式，注重培养学生严密的逻辑推理能力和批判性的思维方式，是培养学生“核心素养”更高效的模式。

3 促进生成，捕捉“灵感”的火花

案例三 电势能与电势

电场力的性质自然涉及到电场力做功的问题（如图4所示），对电场力做功的分析又得出电场力做功与路径无关的结论，自然生成了学生对电场能的性质的讨论，试探电荷在电场力的作用下具有势能——电势能。

问题一：试探电荷在电场力作用下所具有的电势能与哪些因素有关呢？

显然，电势能与电场和试探电荷都有关。

问题二：描述电场的能的性质就是电场强度吗？

根据电场力做功与电势能变化的关系得试探电荷+q具有的电势能在电场强的地方（图5中的A点）反而小或在电场弱的地方（图5中的B点）反而大。因为试探电荷+q从A到B的过程电场力做负功，说明电场能的性质又区别于电场强度，故必须要用一新的物理量来描述电场能的性质——电势φ。

问题三：电势φ如何定义呢？

对学生来说电场强度的定义记忆犹新，电势的定义也是轻车熟路，比值法定义电势的方法自然生成了，φ=。

评析：研究角度下的探究本身就是将知识与技能用于解决复杂问题和处理不可预测情境问题的过程，“生成”是必然的，这也是研究的魅力所在。电场能的性质是在解决电场力做功的问题中“无意”发现的，探究的问题是学生自然生成的，解决的过程也是之前获取的知识与技能的应用与拓展。

灵感也叫灵感思维，指文艺、科技活动中瞬间产生的富有创造性的突发思维状态，它的重要性是可想而知的。灵感是创造性思维的结果，而从研究的视角让学生进行自主探究、自主构建更有利于培养学生的创造性思维能力，为灵感的出现与捕捉创造最有利的条件，“生成”也就更加自然、高效。

4 交流讨论、团队协作、百折不回，培养科学精神

整个电场探究的过程内容分为三个部分，如图6所示。电场观念建立的过程中全班分组查找资料、质疑、讨论、辩论、写论文等形式，层层递进，强调逻辑论证的严密性。现场实验演示将学生带入一个“场”的情境中，人人面前有“场”，那么该怎么寻找？从探究方法到电场强度物理量的定义式，探究过程人人谈构想，个个讲体会，相互协作，最终得到电场强度这个物理量的建立。电场能的性质的探究及电势物理量的定义从自然生成到知识、技能的应用，全程学生识别问题、提炼问题并解决问题，师生共同协作，解决“预设”，解决“生成”。

评析：通过老师巧妙引导，调动一切积极因素，师生间、生生间交流合作，逐步学会理性地用概念去思考，通过师生共同探究寻找能触及问题核心和知识建构的关键点，结合预设的生态支架激活学生思维，触动学生的兴奋点。再其次，还要培养学生敢于面对困难、不怕冷场、不怕挫折的精神，培养学生善于从失败中总结教训的能力，培养学生大胆创新、质疑、批判的科学精神，带领学生有计划地进行分析、综合、评价等高级思维形式的训练。边探究边交流边评价，通过及时总结、反思、评价、鼓励，让学生在融洽的氛围中体验成功的喜悦。在高层次的思辨和推理举证中，不出现优生遥不可及或唱独角戏、学困生被冷落而沉默无语的情况。

真实的电场是看不到的，但整个探究过程的实验演示及逻辑论证使得抽象的电场在学生大脑中的形象越来越清晰。电场的探究过程就是学生从真实情境中通过自主学习、协作学习和研究性学习主动进行概念建构的过程。从研究的视角构建抽象对象的探究，让学生从更高思维层次的活动中体验物理概念的构建及规律的全过程，这是一件有意义的实践尝试。

参考文献：

[1]吴怀军.关于电场物质性教学的反思[J].中学物理教学参考，2004，33（12）：8-9.

[2]洪进步，于海波.翻转模式下的物理课堂转型：再论科学探究——以阿基米德原理为例[J].中学物理教学参考，2015，44（12）：10-14.

[3]阮小丹.淺谈学生思辨能力的培养[J].读与写：教育教学刊，2013，10（1）：56-57.