基于科学思维 突显因果本质——例析初中物理教学中的逻辑失当

张前军

(江苏省南京市金陵中学仙林分校中学部,江苏 南京 210033)

1 引言

物理学是自然科学领域研究物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门基础学科。初中物理教学的许多内容之间存在着因果关系,判断两个事物形成因果关系需满足三个条件:(1) 时间序列性。从发生顺序上讲,因在前,果在后。(2) 关联性。因的变化必然带来果的变化。(3) 特定性。排除其他可能解释结果的因素。由于初中物理教学内容较为基础以及学生逻辑思维水平较低,一些具有因果关系内容的教学过程看似合乎情理,实际上却违背了因果关系的三个条件,这些教学逻辑失当问题不容易被教师发现,也不会被学生驳斥,以至于这种类型的错误长期存在。下面根据因果关系的三个条件对几个初中物理教学逻辑失当的情况进行分析。

2 反射定律中“反射角等于入射角”的教学逻辑问题

关于“光的反射定律”,为了防止学生错误记成“入射角等于反射角”,有教师在教学中对 “反射角等于入射角”做了重点强调:这就好比生活中的一个因果关系,只能说孩子姓氏跟父母姓氏相同,不能说父母姓氏跟孩子姓氏相同;实验中先有入射光后有反射光,因而不能说成“入射角等于反射角”。这种教学现象在日常教学乃至省级优质课比赛中都出现过,可想而知,这种教学逻辑失当不是少数教师的行为。

在光的反射中不能说成“入射角等于反射角”,真的可以用因果关系来解释吗?苏科版初中物理教材是在 “实验:探究光的反射规律”之后归纳得出以上结论的,而实验是探究光的反射规律,也就是回答以下问题:反射光线在哪里?光的反射遵循什么规律?反射定律是通过三个方面的表述才确定了反射光线的位置。我们并不否认入射光线和反射光线之间满足因果关系中的时间序列性,但反射光线是该实验探究的主体,根据语言文字表达习惯,在定律中就应该把“反射光线”放在“入射光线”之前作为主体进行表述,用因果关系解释定律中“反射角等于入射角”是答非所问,画蛇添足,这种教学逻辑误用了因果关系的时间序列性。

3 平面镜成像实验中等效替代法的教学逻辑问题

苏科版初中物理教材在“探究平面镜成像的特点”的实验中,提出:“将另一个相同的棋子B放到镜后,使它与棋子A在平面镜中所成的像重合,此时棋子B的位置就是棋子A的像的位置。”在教学中以及使用较为普遍的资料中关于棋子B所起等效替代作用的解释主要有两类:(1) 棋子B替代了棋子A的像。[1](2) 用棋子B替代棋子A比较像与物的大小关系,用棋子B替代棋子A的像以确定像的位置。[2]这两种有代表性的说法都不否认棋子B替代棋子A的像,只不过是应用范围有所区别。

等效替代法是从等同效果出发,用易于研究的、本质因素相同的事物替代不容易研究的事物的方法。这里蕴含着两个重要的逻辑关系:(1) 替代物不是随意的,其本质因素必须与原物相同,符合因果关系的关联性和时间序列性,即原物是因,替代物是果。(2) 原物和替代物不能同时存在于研究过程中。简而言之,等效替代的两个代换主体具有单向性、过程具有排他性,用等效替代法测电阻、“曹冲称象”故事都凸显了这个逻辑。由于实验中棋子A的像的属性还未知,用棋子B替代棋子A的像显然不满足因果关系的关联性,选择与已知棋子A相同的棋子B替代棋子A才合乎因果逻辑关系。

在用棋子B替代棋子A的像并进行大小比较的过程中,发现棋子B与棋子A的像大小相等,此时它们的空间位置自然也相同,位置量可以相互等量代换,至于谁代换了谁只是为了运算方便而进行的选择罢了。这也就是说等量代换的两个量是可以在同一过程中共存的,代换主体也没有单向性,这与等效替代法蕴含的内在逻辑关系是明显不同的。因此,“棋子B代换了棋子A的像以确定像的位置”用的是等量代换法,说成具有因果关系的等效替代法在逻辑上是错误的。

4 “探究压力的作用效果”教学设计中的逻辑尴尬

关于“探究压力的作用效果”实验中要不要考虑受力物体的材质,比较流行的看法是:在按现教材的表述开展“压强”概念教学时,我们认同受力物体的材质是影响压力作用效果的因素之一,但在实际教学中通常会回避对该因素的研究。[3]文献[3]的编辑在编后语中指出:教材安排活动“探究压力的作用效果”,目的是引入压强的概念,而非探究压力引起形变的规律,教材在各种实例中都是以相同材料的受力物进行对比的,实验结论也只限于力的大小和受力面积,从而逻辑地引出了压强的概念。

我们都认同该实验是为了引出压强概念,但该实验并不等同于探究影响压强的因素(压力大小和受力面积)而需要回避“受力物体的材质”。从该实验的表述分析,教学中是无法规避“压力作用的效果与受力物体的材质有关”的猜想给教学所带来的尴尬,否则就违背了因果关系的特定性。

笔者认为,改变教材的表达逻辑,一切就会释然。建议该实验表述为“活动:探究压力对作用效果的影响”。调整后的实验表述并不否认受力物体的材质对作用效果的影响,而且明确表示只是从压力角度研究对作用效果的影响。在教学中引导学生首先猜想影响压力作用效果(形变)的因素,学生的猜想中自然会包括受力物体的材质,但它不是该实验所要研究的影响因素,它在该实验中恰恰是需要“控制不变的量”。

类似问题的解决方法在苏科版初中物理教材八年级下册的 “牛顿第一定律”一节中已经出现过。教材在“牛顿第一定律”之前编排了“活动:探究阻力对物体运动的影响”,在这个活动中,利用“小车在水平面上运动的距离”来反映“阻力对物体运动的影响”,但影响“小车在水平面上运动的距离”的因素不仅有阻力的大小,还有小车到达水平面的初速度,因此在实验教学过程必须控制不变的量是“小车到达水平面的初速度”,只改变阻力大小(改变水平面材料)。显然,对这部分内容的教学我们是没有争议的,也没有出现教学逻辑上的尴尬。

在调整后的实验中,要引导学生从力的三要素角度来改变压力。由于压力概念已经明确了压力的方向与受力物体的表面垂直,在这里也只能从力的大小和作用点角度来研究压力对作用效果的影响。改变力的大小比较简单,但对改变力的作用点的分析需要一个思维转变的过程:在我们之前的教学中,学生已经形成了力作用位置在一个“点”上的认知,在后面的学习中,只要涉及 “力”,学生头脑中已经把它抽象成了“有向线段”的理想模型,在该实验中需要引导学生关注事实细节,压力作用的位置不是一个理想的“点”,实际是一个“面”,这样将影响作用效果的压力的两个方面因素归结为 “压强”就顺理成章了。

5 结语

科学思维具有严密的逻辑性,是物理学科核心素养的核心内容。[4]因此,教师要真正做到用教材教而不是教教材,加强对教材的研究,优化教学内容,基于证据和逻辑进行合乎科学思维的教学,这样才能帮助学生形成物理观念、提高科学思维能力,绝不能为了巩固一些物理知识,对一些错误的教学逻辑习以为常或推脱为不得已而为之。至于在逻辑上容易产生混淆且非重要的内容,教师需要将它们的内在逻辑关系研究透彻,在教学中可以不说,但不能说错,更不能以讹传讹。