试论牛顿第一定律的学习机制与教学

刘紫微 陈 刚

(华东师范大学教师教育学院,上海 200062)

当前教学论领域主要有两类研究取向:基于哲学和教学实践经验总结的教学论,和基于学习心理学和实证研究的教学论.哲学经验取向的教学论确实提出了“学生为本”“量力施教”等符合教学规律的教学原则,但对具体一节课的规划缺乏直接指导性.[1]学习心理学揭示出了学习的内部机制,证明学生学习的过程实则是进行信息加工的过程,符合学习机制的教学才是有效的教学,这为教学指明了方向.[2]

1 物理概念和规律的学习机制

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映,是物理事物的抽象.物理规律是物理现象、过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系的反映.[3]学习心理学表明,学生是经历理论分析或实验归纳途径,通过一系列逻辑加工过程习得物理概念和规律意义的.基本的逻辑加工机制主要有探究因果联系的穆勒五法(求同法、差异法、求同求异法、剩余法和共变法)及演绎推理.[4]

以共变法为例.共变法是通过考察被研究现象发生变化的若干场合中,确定是否只有一个情况发生相应变化,如果是,那么这个发生了相应变化的情况与被研究现象之间存在因果联系.[2]其结构如表1.

表1 共变法的逻辑结构

2 牛顿第一定律的学习机制

2.1 学习中获得的结论

牛顿第一定律的内容为:一切物体在没有受到力的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态.为总结得出牛顿第一定律,实际教学中应获得如下两个子结论.

结论1:原先静止的物体,不受外力,将保持静止.

结论2:原先运动的物体,不受外力,将保持匀速直线运动.

2.2 结论获得的基本机制

2.2.1 结论1的学习机制

生活中有很多相关事例,因此可选择理论分析途径,引导学生举例,如静止放置在桌面的文具盒、静止放置在地面的纸箱、静止悬挂在墙面的相框,不对其施加外力,它们仍保持静止.再通过求同法获得结论1,此为推理1.

2.2.2 结论2的学习机制

从初中教材中可看出,这一结论的获得采用实验归纳途径.通过单斜面实验获得子结论2.1,即物体运动距离与所受阻力大小之间的关系.这一结论是通过共变法获得的(如表2).

表2 运用共变法获得结论2.1

由结论2.1获得结论2需要运用极限推理,其基本思想是:若A和B有关,且有程度上的连续变化,可通过将B条件极端化(极大或极小),从而推测在此条件下A所达情形.由于B条件极端化,往往在现实生活中无法实现,故也可称为“理想实验法”.

因此,在学生获得结论2.1后,教师可引导学生进行极限推理(推理3):物体运动距离与物体所受阻力大小有关,阻力越小,物体运动距离越远.则若物体不受阻力,物体运动距离将无限远,即物体将一直运动下去.且因为没有影响其运动的因素,物体将保持原来的速度匀速直线运动下去.

高中教材选用了与初中形式不一的双斜面拼接实验,则相应的学习机制如下.

(1) 通过共变法获得子结论:“物体冲上另一斜面到达的高度与所受阻力大小有关,阻力越小,物体到达高度越接近原高度”.

(2) 通过极限推理获得子结论:“若没有摩擦,物体冲上另一斜面时将能上升到原高度”.

(3) 减小右侧斜面倾角,再运用一次极限推理得到结论2.

2.3 学习机制讨论

2.3.1 初、高中的学习机制一致

由上述分析可知,虽然初、高中教材选用了不同的实验装置,但都是通过求同法获得结论1,通过共变法和极限推理获得结论2.初、高中所获结论和逻辑过程是一致的,表明其学习机制是一致的.

2.3.2 不宜扩大理想实验法的适用范围

“理想实验法”时常与“牛顿第一定律”一起被提及.但目前许多教材和教师扩大了理想实验法的适用范围,夸大了它的作用.如人教版高中物理教材中对“理想实验”的描述为:当然,我们不能消除一切阻力,也不能把第二个斜面做得无限长,所以伽利略的实验是个“理想实验”.[5]这样的描述易使学生误认为伽利略的这项研究就只用到了理想实验法.

实际上,理想实验是人们以真实的科学实验为基础,以逻辑法则为依据,运用丰富的想象力,在思维中设计出的“实验过程”.因此也可以说,理想实验法是人们借助于逻辑推理,在思想上塑造的一个假想的、理想化过程.[6]即如前文所述,理想实验法的核心实际是“极限推理”这一逻辑推理方法,它只用在由子结论推导出结论2的环节.

尽管理想实验法对正确认识物体运动状态与受力间的关系而言十分关键,但毕竟首先要得出物体运动与摩擦阻力之间的关系,而这一结论显然是遵循物理研究的方法实现的.也就是说伽利略的研究整体上是遵循了科学研究的一般方法,只是在特定环节中运用了理想实验法.因此,教师应在教学中给学生讲清楚研究的各个环节采用的方法,并帮助学生正确理解理想实验法,不宜扩大理想实验法的适用范围,夸大其在此实验中的作用.

3 牛顿第一定律的教学

“牛顿第一定律”在初、高中重复出现,虽然两阶段学习机制一致,但在教学重点上可以有所差异.

3.1 初中教学

学生在初中初次接触牛顿第一定律,因此应以获得结论为核心目标.加之教材上已给出明确的实验设计,因此教学重点可聚焦在执行实验获得数据和处理数据获得结论两个环节,着重培养学生的逻辑思维,让学生学会用推理的方式获得结论,并掌握牛顿第一定律的内容与内涵.

3.2 高中教学

学生在高中再次接触牛顿第一定律时,对其内容已有所了解,故而重点不应仍为知识点教学.可以在快速回顾完牛顿第一定律的内容后,着重介绍亚里士多德和伽利略两者的研究方法,分析两者研究的异同和意义.如此将有助于培养学生的核心素养,让学生形成物理观念,内化经典物理运动观的同时,还能形成科学思维,习得科学研究的方法、科学推理及科学论证.

3.2.1 亚里士多德的研究方法

为了解释“推动物体的力不再作用时,原来运动的物体就要静止下来”这种事实,亚里士多德学派提出:所有物体都存在一个“自然状态”,“静止”就是地面上物体的“自然状态”.物体要违逆“自然状态”作受迫运动,必须要外在作用来维持.[7]

因此,亚里士多德学派通过类似前文推理1的方法得出了结论1:地面上原先静止的物体,不受外在作用时,将保持静止.又通过否定后件式的三段论演绎推理获得了结论2:地面上原先运动的物体,不受外在作用时,将回到静止.逻辑过程如表3.

表3 演绎推理获得结论2的逻辑过程

也就是说,亚里士多德关于运动的研究,采用的是理论分析的研究方法,运用了三段论演绎推理.该研究方法本身是没有错的,只是因为演绎推理的大前提是亚里士多德提出的先验性前提,无法判断真伪,才导致了结论的错误.

3.2.2 伽利略的研究方法

伽利略不认同亚里士多德的观点,他认为亚里士多德关于地面物体运动的错误之处在于没有注意摩擦的影响.因此,伽利略先通过斜面实验得出了摩擦与物体运动间的关系(类似前文推理2),再通过理想实验法(类似前文推理3)得出结论:运动的物体不受外在作用时,将一直运动下去.

可见,伽利略关于运动的研究,采用的是实验法的研究方法,但在获得结论时,也是运用了逻辑推理的方法.与亚里士多德的先验性前提不同的是,伽利略首次采用实验的方法,得出了正确的大前提,从而确保了逻辑推理得出的结论正确.

3.2.3 两者研究的异同

亚里士多德和伽利略的研究有一些相似之处,如:都是对未知世界规律性的解释;都以客观世界为认识对象;都遵循逻辑.

两者的研究也存在差异.亚里士多德倡导逻辑理性的研究方法,认为分析学或逻辑学是一切科学的工具.但由于大前提大多是无法确定真伪的先验性前提,并未提出一个可以确定前提客观性的判定标准或方法,所以研究中总会有许多错误的认识和结论.伽利略改进了研究方法,其推理的大前提都是有实验或事实基础的,并以符合人类逻辑机制的方式推理获得结论.

伽利略的重大贡献与其说是对亚里士多德理论的修改,不如说是方法上的重大突破.实验法、理想实验等方法逐渐形成并得以在研究中确立起来,科学的研究方法逐渐形成,进而使物理走上了独立发展的道路,并开创了近代科学.

本文基于学习心理学分析牛顿第一定律的学习机制,是新颖的研究视角,目前少有此类研究.依据学习机制,明确了理想实验法的适用范围及核心,提出了初、高中教学建议,有利于学生正确理解牛顿第一定律及理想实验法,且对发展学生的核心素养具有十分积极的意义.