還原規律發現過程 發展理性思維能力

【摘 要】結合“折射定律”的教學實踐，闡述“還原規律發現過程”的教學策略對于發展學生理性思維能力的必要性，以促進高中物理規律教學的創新。

【關鍵詞】還原 發現過程 教學實踐 理性思維

物理學是文藝復興時期在歐洲建立的，物理學和天文學一起是最早建立起來的自然科學，其他學科的建立要晚一兩個世紀。物理學從建立的那天起就是一門既有縝密的實驗或觀測，又有以數學為手段的理論思維的嚴格科學。物理學給人類最重要的貢獻就是物理學獨特的思維方法。物理思維方法是物理學的核心，它體現了物理學的獨特的價值和無窮的魅力。從培養學生科學素養的角度來看，優秀的思維品質是學生最重要的素養。因此，教師在傳授物理學科知識的同時，最重要的任務是教導學生科學的思想方法，要讓學生進入物理思維的世界，培養學生科學思維的習慣，那就是重證據，重理性思維（即邏輯思維）。[1]

數學家華羅庚對他的學生這樣說：“學習數學，最好是到數學家的字紙簍里去找材料。”其實，學習物理又何嘗不該如此？字紙簍里的草稿紙上蘊含著科學家卓越的智慧、深邃的思想、科學的思維過程，還有探索發現的艱辛歷程。因此，物理課上，筆者經常喜歡問的一個問題是：“物理學家是怎樣知道的？”比如，盧瑟福是怎樣知道原子的結構的？楞次怎么會想到用感應電流的磁場B′這個“中介”來描述感應電流I感的方向與原磁通變化△Φ0的關系的？開普勒是怎樣發現行星的公轉周期與軌道半長軸之間的定量關系的？物理學家怎么會想到用左手來判斷安培力、磁場、電流三者之間的方向關系的？等等。

“折射定律”的發現過程蘊含著“抽象與概括、分析與綜合、推理與判斷”等最基本的科學思維方法，是很有“發現價值”的教學內容。

一、發現“折射定律”的教學實踐

筆者結合“折射定律”的教學實踐，闡述“還原規律發現過程”的教學策略對于發展學生理性思維能力的必要性，以促進高中物理規律教學的創新。

（一）提出問題

光從空氣斜射入水（或玻璃）中，入射角i（以下稱空氣角i）增大時，折射角r（以下稱介質角r）也隨之增大，那么介質角r與空氣角i之間究竟存在怎樣的定量關系？

（二）收集數據

為了能夠方便地測出光在玻璃磚中的介質角r，教師事先要指導學生運用插大頭針的方法（如圖1所示）確定入射光線和折射光線，從而可以利用量角器測出空氣角i和介質角r的度數。

考慮到一節課45分鐘的限制，如果讓每一位學生都測量表1中全部的9組數據，會花費很多的課堂時間，而本節課的核心內容在于，如何尋找介質角r和空氣角i之間的定量關系，即如何對數據進行科學的處理，并從中體驗科學家研究問題的思維方法。因此，筆者將學生分為8個小組（每個小組4位同學），每個實驗小組只需要測量表1中第2至第9組中的一組數據。

（三）分析論證

師：表格中的數據一定蘊含著介質角r和空氣角i之間的定量關系，它會是一種怎樣的定量關系呢？

生：r∝i，r∝i2，r∝i3，……

師：研究問題一般都是從簡單到復雜，所以先假設r∝i。如何方便、快捷地處理和分析表1中的實驗數據呢？

生：作圖法——利用Excel的圖表功能作出如圖2所示的介質角r和空氣角i的關系圖象。從圖象明顯看出，r與i之間并不是簡單的正比關系。

師：提醒學生，圖2所示的圖象除了告訴我們介質角r和空氣角i不是簡單的正比關系之外，能否為我們進一步探究r與i的定量關系提供一些啟發呢？

生1：圖2所示的圖象是一條過坐標原點的曲線，說明有可能是r2∝i，r3∝i，……

生2：根據圖2所示的圖像，可以發現：在空氣角i小于30度時，圖象是過坐標原點的傾斜直線，即介質角r和空氣角i是成正比關系的，但在空氣角i大于30度時，圖象變為曲線，介質角r和空氣角i就不是正比關系了。因此，我認為r2∝i，r3∝i，……是不合理的猜想。

師對學生2“不平常”的發現表示祝賀，并進一步指出：學生乙的發現與當年開普勒研究折射現象時的發現是一樣的，真所謂“英雄所見略同”。開普勒在1611年出版的《折射光學》中記錄了自己的發現：對于兩種給定的媒質，小于30度的入射角同相應的折射角成近似固定的比，對于玻璃或水晶，這個比約為3∶2。但這個比對于大的入射角不成立。開普勒試圖通過實驗發現精確的折射定律，他的方法雖然是正確的，卻沒有得到其中有規律性的聯系。但是，開普勒的研究為后來斯涅耳發現折射定律起到了重要的啟示作用——轉變探究的思路，不直接尋找介質角r和空氣角i之間的定量關系。

生：斯涅耳是怎樣發現折射定律的呢？

師：斯涅耳注意到了水中的物體看起來變淺了（即初中物理學習過的“眼睛受騙”），并試圖揭開其中的奧秘。通過研究，斯涅耳發現：①觀察水中的物體A時，我們看到的是位于實際物體正上方的物體的虛像A′，原理如圖3所示；②對于任意光線，OA∶OA′等于常數。請同學們想一想，斯涅耳的發現能否間接說明介質角r和空氣角i之間的定量關系呢？如果能，那是怎樣的定量關系？

（四）發現規律

生交流討論后回答：如圖4所示，空氣角i和介質角r分別屬于△OA′B′和△OAB，根據三角函數的知識可以知道：OA=，OA′=，因=常數，則=常數。

師充分肯定學生的發現，并指出：=n（常數），就是光的折射定律，亦可稱之為斯涅耳定理，其中n為介質的折射率。

二、關于“折射定律”的教學探討

對于折射定律的教學，若采用傳統教學的方式進行，教師會直接要求學生根據表1中的數據，利用計算器逐一計算出，從而得到折射定律=n（常數）。上述教學過程一定是順暢的，規律的得出也是“水到渠成”的。表面上，學生在課堂上也經歷了探究，學習的氛圍也是熱鬧的，但事實上，學生的思維是冷卻的。這是因為，絕大多數學生對于“折射定律”的學習存在邏輯思維上的障礙，即學生會問：物理學家為什么會想到計算？這樣的教學過程顯然缺乏嚴謹的推理過程，顯得蒼白無力，更無法落實新課標培養學生科學素養的目標。

鑒于以上分析，筆者認為，在物理規律教學之前，教師往往需要研究物理規律的發現過程，需要對教學素材進行重新組織與完善，以學生原有的知識水平為起點，創設與規律的真實發現過程相似的情境，引導學生經歷物理規律發現的過程，[2]體驗科學家的理性思維過程，汲取他們的智慧，并使之成為學生科學思維活動的源頭活水，不斷提升學生的科學思維能力，豐富學生的思維品質。這就是“還原規律發現過程”的教學策略對于發展學生理性思維能力的必要性。

【參考文獻】

[1]趙凱華.公民的科學素養與物理教學[J].物理教學探討，2003（1）：2

[2]王俊.“開普勒第三定律”的創新教學實踐與探討[J].物理通報，2012（3）：62

（作者單位：江蘇省揚州中學教育集團樹人學校，江蘇省揚州市第一中學）