高中物理電磁場教學中“試探法”的盲點與要點

胡揚洋

一、試探法教學的契機與盲點

在現行高中物理教學體系中，電場強度是學生學習電磁場過程中接觸的第一個物理量。可以說，“場”概念的形成是困難的，而教學中的一些盲點則是造成這一困難的重要原因。現行教材普遍在介紹電場強度之前直接鋪陳“電荷周圍都存在電場，電荷與電荷之間的相互作用力就是通過它們的電場發生的”。然而，由于教材無法對電場的物質性做更多的確證，因此就造成了引入的生硬與學生接受的困難。近年來的研究探討了用比值定義法合理架構電磁場中相關概念的方式，然而仍然忽視了比值定義法前的“試探”環節。

值得說明的是，由于庫侖定律知識造成的負遷移，學生往往會十分“便捷”地得出電場強度的表達式，而未能充分理解建立這一概念的必要性和經歷過程。可以說，理解電場、建立電場概念的契機是稍縱即逝的，學生往往會熟練地運用電場公式解題，而對場的內涵與意義頗為“無感”。事實上，電場的理解需要足夠的體驗和感知，也即需要學生建立起一個理解電場的思維框架。而建立這一框架的必要性和原始動機就是“試探法”。傳統教材體系將試探的思想與方法隱性處理，使其淹沒在細節之中。

二、試探法的內涵與意義

同樣以電場強度為例，電場作為一種物質，具有多方面的屬性，而電場強度僅反映其力的性質。再如電勢，則反映了電場電勢能分布的特征。在這一基礎上，應該明確的是試探要有對象性，即要分清試探的對象是什么。

在更普遍的意義上，試探本是物理研究的基本思想和基本路線，是研究者把握研究對象物理特性的基本方法。正如曹則賢先生所言：“物理學研究的關鍵對象是各種自然現象之所以發生的原因，即因果關系（causality）。因此，物理學在許多場合下表現為描述一個存在的體系對外加激勵（excitation）的響應（response），關于這個體系的物理學就濃縮在相應的響應函數中。”[1]物理學家這種“激勵—響應”的研究模式與用語習慣已被廣泛遷移，如生理學、心理學中稱“刺激（干預）—反饋”。

若以科學哲學的視角，“試探”的背后反映的正是近代以來“求力科學”的本質特征。如科學史家吳國盛教授所言：“近代科學是一個攻擊型的、進取型的……把自然物抓起來關到實驗室里去，讓它處在一個非自然的狀態之中，考察它們在不同的非自然條件下必然會有什么樣的反應，這就是實驗。實驗就是在一個極端條件下讓自然界把自己的規律給顯示出來……自然條件下不大容易顯示那些由于人工干預而必然會產生的規律，怎么辦呢？只有到實驗室里面來，讓它處在高溫、高壓、高濃度、高密度、高磁場或者是特別低的低溫、低壓、低濃度，總而言之在一種非自然狀態下，自然的因果規律就能夠顯露出來。這個所謂因果規律，其實就是一個刺激和反應規律，本質上是一種服務于控制的規律。這就跟馴馬一樣，你捅它一下看它有什么反應，如果你掌握了這個馬的所有的刺激反應規律，那么這個馬你就馴服了，因為你知道如何控制這個馬，知道它會有什么樣的反應，所以這個馬你就不怕了、就不陌生了，你就可以駕馭這個馬了。近代科學的理想就是駕馭自然界。通過在實驗室里不斷地、反復地對自然界進行各式各樣的刺激，我們掌握了自然界的刺激-反應模式。”[2]

雖然這些論述呈現的主要是科學哲學家的語匯與反思，但是這仍然有助于我們理解“試探法”反映的物理學本質。試探法的教學就是要讓學生伸出試探與干預的思維觸角，去有意識地、大膽地試探研究對象、干預研究對象。而高水平的試探就是有計劃、有步驟地，進而定量地試探，也就是實現對“實驗條件”的“操控”。基于以上理解，我們才能對“試探法”產生足夠的重視，進而找到教學的正確方向。

三、試探法教學的要點與策略

1.顯化試探法的地位

現行教材對“試探”僅在“試探電荷”部分出現了一些隱晦的描述，甚至改“試探電荷”為“檢驗電荷”，這不足以凸顯試探法的地位與價值。因此，教學中應該明示“試探法”的名稱，強調其在整個研究中的地位，并且教師應該將這種方法做普遍化的推廣。以上做法都意在使學生意識到，試探這種方法是比比值定義法、控制變量法更加普遍的物理學研究方法，甚至是最基本的模式。進一步，教學中應該將試探法與比值定義法做出合理的連接和整合，明確電場強度、磁感應強度教學中“試探-比較”的思維主線。

2.列舉試探法的實例

單一的例子無法使學生深刻體察試探法的普遍性與靈活性。一般的描述都無法達到“直指人心”的效果。除了上述“馴馬”的例子之外，教師可以指出：事實上，對于任何不熟悉的事物，僅有的且最簡單的方法就是去試探。即丟過去一個試探物與之相互作用，看看有什么反應。例如我們不知道一個封閉房間里有什么氣體，就丟進去一只小白鼠，看看有何反應。再如老虎不知道“黔驢”有什么特性，就不斷地去挑逗它，直到“黔驢技窮”。似這類列舉的實例要體現豐富性與生動性，要使學生體驗到“試探”的研究方法離自己并不遙遠。

3.實現試探法的具身化理解

要實現學生對“試探”理解的深刻性，還需進行心理學層面的仔細考量。認知心理學的具身認知轉向為物理教學提供了可貴的啟示。認知心理學的傳統將心智凌駕于身體之上，認為“身體”不過是認知的客體，對認知并沒有多少價值。而具身認知觀點強調“認知是具身的”：首先，認知是身體的認知，認知和思維方式受制于身體的物理屬性。其次，認知的種類和性質是由身體和環境的互動方式所決定的，身體的感知覺運動性與認知的形成有著直接關聯。再者，人的心智是大腦、環境和認知共同作用的結果[3]。因此，試探法的教學應實現認知過程的具身化，即應該使學生多動手、親身體驗，并且可通過游戲的形式，讓每個學生既扮演試探者，又扮演試探的對象，從而在自我中心化的情境下以及親身體驗、親身扮演中發展“試探”的意識。要讓學生去干預、去控制，去感受到控制感、力量感，面對問題與研究對象不再畏首畏尾、一籌莫展。

四、反思與啟示：在物理教學中落實科學本質觀教育

在科學教育中落實科學本質觀教育已成為近十余年來科學教育改革的重要呼聲，然而如何落實則一直存在較大爭議。對美國學者李德曼采用量表測量方式確定師生科學本質觀的研究，已有諸多學者做出了有力的質疑。對科學本質觀的空洞說教也已然遭到了普遍的否定。然而究竟如何落實科學本質觀教育？有學者提出，其焦點在于“科學教師是否有意愿在自己的課堂上開啟對科學看法的討論，是否有能力在討論中引導學生理性思維的深度發展，是否能夠包容學生多樣化的思考”[4]！然而以上探討表明，科學本質觀教育還有著更為切實的途徑。

如前所述，“試探法”的背后是近代科學“求力意志”的鮮明特征，其來源是中世紀的基督教。“到了近代，自由的理念中已經包含了‘意志這個新的維度。它強調人要行使自己的意志自由，要做點什么。正是這樣一個求力意志構成了近代科學的重要特征。近代科學是一個攻擊型的、進取型的、你也可以說侵略型的知識策略。侵略誰？自然界。”[2]而以上論述表明，通過科學方法教學的合理、審慎的展開竟然可以通達科學本質的理解。其啟示意義在于，最常規的物理教學本身就理當成為科學本質觀教育的切實途徑，然而其有效性發揮的前提是教育者對科學本質觀的深刻理解，這亦是科學本質觀教育的真正基礎。

進一步說，科學本質觀教育需要教育者深入到科學思想史的層面來理解科學，而非熱衷于做膚淺的測量與空洞的宣講。在深入理解科學思想史的基礎上，物理教學也定能獲得更高水平的發展，科學本質觀教育的目的也會自然地達成。由是觀之，科學本質觀教育還須從基本而具體的科學學科教學做起。

參考文獻

[1] 曹則賢.物理學咬文嚼字之三 萬物衍生于母的科學隱喻[J].物理，2007，36（9）.

[2] 吳國盛.從古典科學到近代科學[J].科技潮，2010（7）.

[3] 范琪，葉浩生.具身認知與具身隱喻——認知的具身轉向及隱喻認知功能探析[J].西北師大學報（社會科學版），2014，51（3）.

[4] 石翡.兩種文化背景下的科學本質觀之爭[J].上海教育科研，2014（6）.

【責任編輯 孫曉雯】