显化科学方法,强化思维教育——以高中物理“机械能守恒定律”一节为例

丁 珂 钱长炎

(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241002)

随着近年来基础教育物理课程改革的不断推行与深化,中学物理教育在各方面都取得了明显的进步,其中“科学方法”对培养学生的价值也不断被挖掘出来.从三维目标中的“过程与方法”到如今物理学科核心素养中的“科学思维”,无疑不在强化科学方法对培养人的重要性.因此,本文以“机械能守恒定律”一节为例,以显化科学方法为宗旨、强化思维教育为目的进行教学设计,以此体现科学方法对思维教育的重要作用,希望为新一轮的课程改革提供一些借鉴与帮助.

1 科学方法及其在教学中的定位

物理科学方法是蕴含在物理知识与思维过程中,以物理知识为载体、以物理思维为运动空间的科学研究问题的方法.在进行中学物理概念、规律和实验等内容的教学中,可运用的常规科学方法有观察实验方法、逻辑思维方法和数学方法,如图1所示.这些方法在一定程度上不仅有利于学生充分并且快速的掌握物理知识,而且有助于训练相应的科学思维、增强探究能力进而感受探索科学的乐趣.[1]

如今科学方法教育内容在物理教科书中也越来越丰富.这反映了科学方法教育得到了更多的关注.根据我们所掌握的文献,也逐渐对科学方法有了新的认识,科学方法是一种比概念、规律和实验更加隐蔽的“知识”,掌握了这一“知识”,它将促进物理常规知识的理解与学习,进而间接作用物理观念的形成.同时众多的科学方法隐藏在探究性学习之中,也直接对科学思维的训练产生直接影响.因此,在物理教学中将科学方法与知识、学习方式充分融合,并将其显化,这无疑是为物理学科核心素养教育探索出了一个新的窗口.[2]

图1 物理教学中的科学方法示意图

2 科学方法在教学中的体现与落实

教科书是学生学习的主要工具,教科书中科学知识与方法的结合对学生科学思维的训练也起着至关重要的作用.因此,笔者以高中物理“机械能守恒定律”一节为例,分析其内容组织所体现的科学方法等问题,并给出显化科学方法、强化思维教育的教学过程,以供参考.

2.1 科学方法在“机械能守恒定律”一节中的呈现分析

我国高中物理代表性教科书中“机械能守恒定律”一节的主要内容结构如图2所示.教科书首先通过“伽利略摆”演示实验引入新课,以此激发学生对能量的思考,随后描述运动过程中动能与势能如何转化,接着利用动能定理和重力做功与重力势能变化的关系推导出机械能守恒的数学表达式,最后直接概括总结得出机械能守恒定律的定义.[3]

图2 代表性教科书“机械能守恒定律”一节结构示意图

这其中内容组织逻辑体现的科学方法值得我们深入思考.首先根据伽利略摆的演示实验可以看出是要求学生利用观察实验法来分析能量.对于动能与势能的转化教科书则采用分析与综合的科学方法进行文字阐述,这些编排在一定程度上是以隐性的方式将科学方法呈现了出来.但从动能定理推导得出机械能守恒定律的安排既未能体现一般到特殊演绎的科学方法,又非常规的归纳方法,只是单纯的公式推导.这无疑是将物理知识数学化.这种方法即违背了该定律在物理学史上由来和发展,也不利于学生进一步理解、掌握和提升机械能守恒的相关知识,甚至在一定程度上加大了学习新知识的难度.[4]

2.2 显化科学方法的“机械能守恒定律”一节教学设计

基于上文对“机械能守恒定律”一节内容科学方法呈现情况的分析,结合该节知识本身的特点,笔者设计了如图3所示的教学过程,认为在“机械能守恒定律”一节中通过演绎法、分析与综合、实验观察和比较法组织展开教学,方能更好地训练科学思维各要素,并且能够有效落实物理学科核心素养其他方面.

图3 教学进程示意图

2.2.1 追溯历史,演绎推理,引入“守恒”

物理学发展史上,能量概念的确立经历了漫长的过程,对能量转化及其守恒定律的认识更是艰难.伴随着物理学各个分支的发展直至19世纪40年代,诸多物理学家例如焦耳、亥姆霍兹等人才从不同方面逐渐形成对能量较完整的认识.[5]笔者将这一史实作为本节新课“能量转化及其守恒”部分的引入,并且介绍生活中的光能、风能、太阳能等能量拉近学生对抽象能量概念的距离.随即指出“机械能”也是众多能量中的一种,因此,理所当然也遵循能量守恒定律.这也是本节课即将学习的内容“机械能守恒定律”.至此,通过演绎推理的方法已将新课内容“机械能守恒定律”引出.随即说明学生在初中阶段只是定性了解了机械能守恒,而今天的主题则是定量了解机械能守恒定律.

在引入环节结束之后,进一步补充演绎推理的科学方法.即演绎法是从一般原理推演出个别结论的思维方法,由3个因素组成,分别是“大小前提和结论”.在此次课上,“能量守恒定律”为一般性的大前提;作为演绎中介的“小前提”即为“机械能属于众多能量中的一种”;由大小前提推演出的结果即为“机械能守恒定律”.[6]通过这种显性的三段论演绎科学方法教学,使学生进一步明确已知条件中的逻辑关系,进而培养学生科学推理以及科学论证的思维能力.同时在倾听“能量”相关物理学史中感受科学知识得来的艰难,进而培养勇于追寻真理的科学态度与责任.

2.2.2 分析综合、对比实验,验证守恒

(1) “机械能守恒定律”数量条件的验证.

“机械能守恒定律”的定量验证为本节课的重点.首先向学生展示小球做自由落体运动、平抛运动和沿光滑曲面滑下的3种情境,如图4所示.请同学们小组讨论,按照各自组号对应的情境,利用动能定理进一步定量分析并验证机械能守恒.在学生讨论过程中,教师根据最近发展区设置问题,搭建学习“阶梯”,如:在3种小球下落的情境中,重力对物体做的功与其重力势能变化的关系是什么?根据动能定理,重力对物体做的功与物体动能变化量的关系又是什么?在教师的引导下学生根据重力做的功与势能变化的关系得出WG=Ep1-Ep2,根据动能定理得出WG=Ek2-Ek1,随后进行公式整理即Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,Ek2+Ep2=Ek1+Ep1,最后得出E2=E1.

教师随即提出“为什么不同情境小球的机械能都守恒,以及它们的推导过程也都相同?”这一问题.随后引导学生从做功情况考虑它们的共同点.在学生将3种情况综合考虑发现都是由重力做功后,教师询问:如果还有其他力做功,是否也满足机械能守恒呢?以此自然过渡到机械能守恒做功条件的探究.

图4 3种机械能守恒情境

在进行下一教学环节之前教师对此部分的科学方法展开介绍.通过利用3组不同情境重力做功的例子使学生对机械能守恒的个别情况进行了分析和思考,此谓分析法,即把研究对象分解成它的组成部分,然后分别加以研究;通过对比其他情境找出相同点综合考虑,此谓综合法,即把研究对象的各部分联系起来,从而在整体上把握事物的本质和规律.教师通过对学习方法直接补充使学生进一步明确分析与综合的科学方法,从而训练科学推理、质疑创新的科学思维.[7]根据情境和教师的问题独立思考,也进一步训练了获取和处理信息的科学探究能力,同时理论推导守恒提供了守恒证据从而加速了守恒观的形成.

(2) “机械能守恒定律”做功条件的探究.

图5 自制“机械能守恒”演示仪

教师首先介绍“机械能守恒”演示仪的设计情况,它是由光电门和单摆组成,利用Dislab系统采集数据,装置如图5所示.随即提出如何利用“机械能守恒”演示仪进行机械能守恒做功条件的探究?这一问题引发学生对实验设计的思考,并且结合学生知识的最近发展区提问:摆球从C点释放时,在不同位置的机械能如何表示?在B、C处的高度和A、B处的速度如何得出?如何改变摆球运动过程中的受力及做功条件?进一步引导学生设计实验流程.

学生在教师的引导下完成表1中“摆球受力及做功情况”一栏,并且通过对比单摆运动中机械能守恒以及不守恒的受力做功条件得出机械能守恒时应满足的做功条件. 教师随后对实验做出总结，即“在单摆运动过程中,机械能守恒的做功条件为只受到重力做功”.同时进一步补充除重力做功的系统外,弹簧做功也遵循机械能守恒(此节课不展开),从而得出机械能守恒定律的内容为“在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以互相转化,而总的机械能数量保持不变”.

教师随即对上述实验过程展开科学方法的总结.学生通过观察演示实验这是观察实验方法中的“实验观察法”,而通过实验的对比,这是一种“比较”的抽象逻辑思维方法,即确定研究对象之间差异点和共同点的逻辑方法.明确这些科学方法有助于学生通过将理论与实践结合去深入学习知识,并且有针对性地训练科学推理和质疑创新的能力.另外实验部分的设计也进一步促进了学生设计实验与制定方案,和基于证据得出结论的科学探究能力.

2.2.3 参与游戏、建立模型,体悟守恒

图6 “勇者挑战”游戏

此时,新课已接近尾声．请学生们参与“勇者挑战”的游戏,规则是用绳子将一把铁锁悬挂,挑战者拿起铁锁靠近自己的鼻子,但是不要触碰到鼻尖,稳定后释放,看铁锁是否会砸到挑战者鼻子(如图6)?可能有些学生出于本能,不敢尝试.但是部分学生尝试的过程中其他学生观察到了铁锁根本不会超过初始高度.

通过“勇者挑战”的游戏,使学生直接或间接地体会机械能守恒,感受科学世界的精确与魅力,同时通过游戏初步建立单摆机械能守恒模型,以及明确“模型”是一种将研究对象的本质特征抽象出来,构成一个概念或事物的体系.[8]以此训练学生在脑海中构建机械能守恒模型的思维能力,同时尝试利用模型去解决问题的论证思维能力.

3 小结与启示

通过对科学方法在教学中的定位以及科学方法在“机械能守恒定律”一节内容体现的情况分析,笔者发现科学方法在现阶段物理教学中的安排并未起到培养学生科学思维方面的作用.基于此,笔者制定了突显科学方法的教学过程,以此有针对性地训练科学思维各个要素,从而更好地贯彻落实学科核心素养.

良好的科学思维品质是“化知为识,化识为智”的关键所在.在对高中物理“机械能守恒定律”一节内容进行分析,并且基于显化科学方法这一宗旨设计其教学过程时,我们深深地感受到在物理教学大力推广核心素养的今天,教师更应精心设计教学过程,将物理科学方法合理地融入到高中物理教学内容以及教学实施中去,以科学方法引领思维训练,从而促进物理核心素养其他方面的形成与发展.真正将课程目标落到实处,进而成为具有较高科学素质的公民.