試論培養中學生物理語言表征問題能力的思維操作要求*

段玉文

(上海市嘉定區第二中學 上海 201802)

試論培養中學生物理語言表征問題能力的思維操作要求*

段玉文

(上海市嘉定區第二中學 上海 201802)

中學生物理語言表征問題能力的培養具體體現為思維方式的培養．通過建立三維空間系統框架，立體呈現物理思維方式與物理語言表征問題的基本方式及行為動詞、物理語言表征問題能力及反映其強弱的標準詞語的關系．闡釋了每種思維方式及教學操作要求，例析了其在物理教學中的運用．

物理語言 表征問題能力 思維方式 操作要求

從心理學的角度來看，思維是人的意識活動的反映，意識是人腦對客觀存在的物質世界的能動的反映，而思維和語言是意識的核心．“物理語言表征”是指學生能用自己的物理語言提出問題，解釋物理概念和物理規律的內涵，分析解題思路和解題方法，反思自己的錯誤和修正過程．其表現的基本形式為：文字敘述、數學公式表達、圖形圖像表示．中學生物理語言表征問題能力是指學生能識別出物理問題的物理語言表征形式，并能將其成功地運用于問題解決的個性心理特征．物理語言表征問題能力包括：識別和分析問題的能力，新知識組塊形成的能力，選擇解決問題策略的能力，運用數學解決物理問題的能力．中學生物理語言表征問題能力是物理學習思維深度的反應，外顯的語言能力與內隱的語言能力均會通過不同的形式或途徑在學習過程中予以表現，物理語言表征問題能力外顯的具體模式主要包括物理語言表征的思維基本方法以及基本形式．在教學過程中，學生物理語言表征問題能力的培養具體體現在思維方式的培養上，下面從語言與思維關系角度出發，構建物理語言表征問題能力的思維方式空間系統框架，并結合實例探討培養學生物理語言表征問題能力的思維方式及教學操作要求．

1 物理語言表征問題能力的思維方式空間系統框架

語言是思維的載體，思維是語言發展的動力；語言的組織過程由思維完成，思維靠語言作為承擔工具或手段．反之，沒有語言的表達方式，思維就沒有實際意義．而思維又影響語言表達，制約著具體的語言表達方式和內容．語言是思維的工具，語言對思維有概括和調節的作用，人們借助語言才能對事物進行抽象、概括，反過來，又借助思維對人們的語言進行調節．培養學生物理語言表征問題能力，就是問題的解決者以特定的方式來理解和認識問題，把問題從任務空間轉化為一種問題空間．簡單來說，就是培養學生自主發現問題、探究問題、解決問題的思維方式，形成一種問題意識和習慣．

物理思維，即物理學中的科學思維．雖然培養學生物理語言表征問題能力可能各種物理思維方式都有運用，但這里研究的重點將放在那些與物理語言表征問題有內在聯系，在中學物理中頻繁出現的，形式穩定的且卓有思維成果的思維方式上．物理語言表征問題能力外顯為方法，主要有分析、綜合、比較、抽象、概括、歸納、演繹、想象等；外顯為形式，主要是物理概念、物理判斷和物理推理等；外顯為思路或思維程序，主要是質疑與釋疑(用觀察、實驗、假說、檢驗等物理方法)，以及在較具體對象中的那些針對性較強的內容，如力學問題的處理思路．

學生所擁有的上述外顯在其數量與完善程度、系列化水平，以及運用它們時所表現出的穩定和熟練程度，就決定了不同學生物理語言表征問題能力的強弱，這里特別需要強調的是“它們”、“系列化水平”與“完善程度”．“它們”，這里代表物理思維方法、形式、思路諸內容的整體．如果脫離了此處強調的幾種外顯，就很難從實質上準確判斷一個人物理語言表征問題能力的強弱．例如常見一些學生解題方法運用很穩定和熟練，或者說解題能力很強，然而，這絕不意味著他的物理語言表征問題能力很強．因此，為了刻畫物理語言表征問題能力的強弱，我們選擇了“表述”、“闡述”、“解析”、“解說”、“描繪”、“示意”……系列行為動詞來呈現物理語言，選擇了“科學性”、“正確性”、“深刻性”……系列標準詞語來度量物理語言表征問題能力．

為了清晰呈現物理思維方式與物理語言表征問題能力的關系，本文以物理語言的基本方式、物理語言表征問題的能力及評價標準為維度，建立三維空間系統框架．物理語言表征問題能力的外顯(主要包括物理思維的基本方法、形式、思路與程序)，物理語言表征問題的行為動詞，反映物理語言表征問題能力強弱的標準詞語，這些內容通過下列表格中的空間系統框架給予立體呈現．

表1物理語言表征問題能力的思維方式空間系統框架

下面結合實例具體探討培養學生物理語言表征問題能力的思維方式及教學操作要求．

2 物理語言表征問題能力的思維方式及教學操作要求

2.1識別和分析問題的能力

【例1】(2016年高考江蘇卷第12題)(1)在高原地區燒水需要使用高壓鍋，水燒開后，鍋內水面上方充滿飽和汽，停止加熱，高壓鍋在密封狀態下緩慢冷卻，在冷卻過程中，鍋內水蒸汽的變化情況為______．

A.壓強變小

B.壓強不變

C.一直是飽和汽

D.變為未飽和汽

(2)如圖1(a)所示，在斯特林循環的p-V圖像中，一定質量理想氣體從狀態A依次經過狀態B，C和D后再回到狀態A，整個過程由兩個等溫和兩個等容過程組成.B→C的過程中，單位體積中的氣體分子數目______(選填“增大”、“減小”或“不變”)，狀態A和狀態D的氣體分子熱運動速率的統計分布圖像如圖1(b)所示，則狀態A對應的是______(選填“①”或“②”)．

圖1 例1題圖

(3)如圖1(a)所示，在A→B和D→A的過程中，氣體放出的熱量分別為4 J和30 J．在B→C和C→D的過程中，氣體吸收的熱量分別為20 J和12 J．求氣體完成一次循環對外界所做的功．

本題重點培養學生的識別和分析問題的能力，具體在思維方式培養方面，第1小題側重于“概念”這種思維形式，第2小題側重于“比較”這種思維方法，第3小題主要為“分析”這種思維形式．

2.1.1 概念

概念是揭示研究對象具有的物理屬性的一種思維形式．物理概念包含的所有內容即為物理概念的內涵；該概念的使用范圍，以及它解釋的一切事物，即為物理概念的外延．物理概念教學操作要求抓住物理概念的內涵，注重文字表述物理概念的內涵的準確性．

解析:(1)抓住物理概念“飽和汽”和“飽和氣壓”內涵中的本質物理屬性．“如果汽跟產生這個汽的液體處于動態平衡，這個汽叫做飽和汽．”在冷卻的過程中，溫度降低，鍋內水蒸汽與鍋內的液體處于動態平衡，所以鍋內水蒸汽一直是飽和汽，故C正確，D錯誤．“水上方蒸汽的氣壓叫飽和氣壓”，只與溫度有關，在冷卻的過程中，溫度降低，液體分子的平均動能減小，單位時間里從液面飛出的分子數減少，所以達到動態平衡后該飽和汽的質量減小，密度減小，飽和汽的壓強減小，所以A正確，B錯誤．

2.1.2 比較

比較是找出幾個或幾類事物間的共同點與差異點的思維方法．比較既可以在幾個部分之間比較；也可以整體之間比較．在物理思維當中，比較的結果直接表現為一個物理判斷，但當它與抽象、概括、歸納相連結時，通常會導致物理概念、模型與規律的建立．

比較的教學操作要求選擇確定標準進行比較，通過描繪物理圖形圖像表征物理問題時要注意清晰性．比較首先必須有確定的標準或參照，其次應在同一條件下進行．對相同的對象，比較應側重于尋找不同點；對不同的對象，比較應側重其相同點．不論哪種情況，比較是在全面的基礎上展開，在本質性的相同點或不同點上集中．本質性的同異，乃是科學比較的重點．

解析:(2)由題圖1(a)知B→C的過程中氣體的體積不變，所以密度不變，即單位體積中的氣體分子數目不變；因當溫度升高，分子熱運動加劇，速率較大的分子所占百分比增高，分布曲線的峰值向速率大的方向移動即向高速區擴展，峰值變低，曲線變寬，變平坦，由題中圖1(a)知狀態A的溫度低，所以對應的是①．

2.1.3 分析

分析是將研究對象先分解為部分，然后逐一加以研究的思維方法．分析的方法，便于對整體事物當中局部的、個別的、特殊的性質加深認識．這一認識是最終認識整體事物的基礎．物理分析教學操作要求使新舊物理知識發生聯系，用數學公式解釋物理問題時應注重準確性．其教學核心思想是通過分析，將新的、未知的、生疏的、不會的內容，轉化為若干舊的、已知的、熟悉的、已掌握的知識，然后利用這些已掌握的物理知識對其重新進行綜合，完成對新內容的學習．

解析:(3)完成一次循環氣體內能不變

ΔU=0

吸收的熱量

Q=(20+12-4-20) J=8 J

由熱力學第一定律

ΔU=Q+W

得

W=-8 J

所以氣體對外做功為8 J．

2.2新知識組塊形成的能力

【例2】(2016年高考江蘇卷第10題)小明同學通過實驗探究某一金屬電阻的阻值R隨溫度t的變化關系．已知該金屬電阻在常溫下的阻值約10 Ω，R隨t的升高而增大．實驗電路如圖2所示，控溫箱用以調節金屬電阻的溫值．

圖2 例2題圖

實驗時閉合S，先將開關K與1端閉合，調節金屬電阻的溫度，分別記下溫度t1，t2，…和電流表的相應示數I1，I2，…．然后將開關K與2端閉合，調節電阻箱使電流表的實數再次為I1，I2，…，分別記下電阻箱相應的示數R1，R2，…．

(1)有以下兩電流表，實驗電路中應選用______．

A.量程0～100 mA，內阻約2 Ω

B.量程0～0.6 A，內阻可忽略

(2)實驗過程中，要將電阻箱的阻值由9.9 Ω調節至10.0 Ω，需旋轉圖中電阻箱的旋鈕“a”、“b”、“c”，正確的操作順序是______．

①將旋鈕a由“0”旋轉至“1”

②將旋鈕b由“9”旋轉至“0”

③將旋鈕c由“9”旋轉至“0”

(3)實驗記錄的t和R的數據如表2所示.

表2實驗數據

溫度t/℃20.040.060.080.0100.0阻值R/Ω9.610.411.112.112.8

請根據表中數據，在答題卡的方格紙上作出R-t圖像．

圖3 在方格紙上作出R-t圖像

由圖線求得R隨t的變化關系為R=______Ω．

本題重點培養學生的新知識組塊形成的能力，具體在思維方式培養方面，第(1)問側重于“歸納”這種思維方法，第(2)問側重于“概括”這種思維方法，第(3)問主要為“綜合”這種思維方法．

2.2.1 歸納

歸納是由個別性的物理判斷推出一般性的物理判斷的思維方法．學生在歸納時，通常首先是占有由物理實驗、生活或自然中的物理現象、過程或結論提供的材料，再由它們找出或是共同點、或是特點、或是某種關系、或是某種規律，然后再對其進行歸納——由這些具體的結論推出相應的一般結論．物理歸納的教學操作要求對物理事實和實驗數據進行歸納，尋找某種規律性，運用數學公式對物理問題進行解析時應注意體現完整性．

解析：(1)已知電源的電動勢為1.5 V，R在常溫下阻值約為10 Ω，當滑動變阻器接入電路的阻值為零時，電路中最大電流約為

當滑動變阻器接入電路的阻值最大為10時，電路中最小電流約為

2.2.2 概括

概括是將對個別事物屬性的認識推廣到同類事物的全體對象，形成對該類事物的一種普遍性認識的思維方法．概括的特點是從個別對象中發現同類對象的共同性，當這種共同性確實是特有的、本質的，概括才是正確的．物理概括教學操作要求對具體物理結論進行概括，文字概述應體現全面性．

解析:(2)將電阻箱阻值由9.9 Ω調到10.0 Ω，要考慮到安全性原則，如果先把b，c旋鈕調節到零，這樣做很危險，電路中的電流過大可能會損壞電表，應該先把電阻箱阻值調大再慢慢減小，以確保電路的安全，操作步驟是先將旋鈕a由“0”旋到“1”，然后將個位數及小數位旋轉至零，所以正確地順序為①②③．

2.2.3 綜合

綜合是將分立的研究對象或分析后的各部分的結論重新結合，并納入一個新的整體認識的思維方法．顯然，此時對事物的整體認識，已經明顯深化于將其分解之前的整體認識．“重新結合”的成功關鍵，在于正確確定相互的銜接點．

物理綜合的教學操作要求根據物理規律進行綜合，運用圖形圖像示意物理問題時應體現整體性．綜合方法，不是將分解后所得的單元，或是與未知物理事實發生聯系那些已知物理事實和已學過的物理知識，簡單進行與分析過程相逆的組合，而是要根據每一個單元的具體情況，找出相互間的具體銜接點，然后才能進行組合．

解析：(3)描點畫圖，如圖4所示．

圖4 描點畫圖

由圖線可得R隨t的變化關系為

R=0.04t+8.8

2.3選擇解決問題策略的能力

【例3】(2016年高考北京卷第23題)如圖5所示，電子由靜止開始經加速電場加速后，沿平行于版面的方向射入偏轉電場，并從另一側射出．已知電子質量為m，電荷量為e，加速電場電壓為U0．偏轉電場可看作勻強電場，極板間電壓為U，極板長度為L，板間距為d．

圖5 例3題圖

(1)忽略電子所受重力，求電子射入偏轉電場時的初速度v0和從電場射出時沿垂直板面方向的偏轉距離Δy；

(2)分析物理量的數量級，是解決物理問題的常用方法．在解決第(1)問時忽略了電子所受重力，請利用下列數據分析說明其原因．已知

U=2.0×102Vd=4.0×10-2m

m=9.1×10-31kge=1.6×10-19C

g=10 m/s2

(3)極板間既有靜電場也有重力場．電勢反映了靜電場各點的能的性質，請寫出電勢φ的定義式．類比電勢的定義方法，在重力場中建立“重力勢”φG的概念，并簡要說明電勢和“重力勢”的共同特點．

本題重點培養學生的選擇解決問題策略的能力，具體在思維方式培養方面，第(1)問側重于“抽象”這種思維方法，第(2)問側重于“演繹”這種思維方法，第(3)問主要為“想象”這種思維方法．

2.3.1 抽象

抽象是指抽出研究對象的本質內容，舍棄非本質內容的思維方法．抽象是在分析、綜合與比較的基礎上進行的，抽象的結果要通過概括形成概念．科學抽象是物理學最重要的方法之一，它對物理學的卓越貢獻主要是導致了大量的物理概念與理想化模型的建立．眾所周知，物理概念與理想化模型是物理科學理論的主要根基之一．物理學之所以能夠大量使用科學抽象，是由于它的研究對象是復雜且相互間緊密關聯的，但在一定的條件下，并非研究對象的所有性質對某一研究目的都起著同等程度的作用．物理抽象的教學操作要求抓住相對本質的、主要的、共性的因素，建立物理概念或理想化模型，利用圖形圖像說明物理問題時應體現完備性．

解析:(1)由圖可知，電子在電場中做類平拋運動．根據功和能的關系，可得

電子射入偏轉電場的初速度

在偏轉電場中，電子的運動時間

偏轉距離

2.3.2 演繹

演繹就是從普遍性的理論知識出發，去認識個別的、特殊的現象的一種思維方法．物理演繹的一般過程是：根據已知的一般性的物理概念和規律，通過分析，確定符合該物理概念和規律所要求條件的具體對象，繼而得出具體對象的從屬，或具體對象亦具有一般性物理概念和規律所具有的特征的結論．物理演繹的教學操作要求以物理概念與規律為大前提，在物理語言的基礎上展開，運用數學公式解說問題時應體現連貫性．

解析:(2)考慮電子所受重力和電場力的數量級，有重力

G=mg=10-29N

電場力

由于F?G，因此不需要考慮電子所受的重力.

2.3.3 想象

想象屬于形象思維的范疇，指對已感知事物的形象回想，或指對原感知材料進行新的組合，創造新的形象，或指對未感知事物，甚至客觀不存在的事物進行創造性設想，前者稱為再造想象，后兩者稱為創造想象．它們在物理學中均有運用．

物理想象的教學操作要求借助想象理解物理概念和規律，文字闡述物理概念和規律時應體現深刻性．在脫離觀察和實驗的物質條件時，物理學研究是依靠對已有觀察和實驗的形象回想(含有形象記憶表象)來輔助進行思維方式研究的．

解析:(3)電場中某點電勢φ定義為電荷在該點的電勢能Ep與其電荷量q的比值，即

由于重力做功與路徑無關，可以類比靜電場電勢的定義，將重力場中物體在某點的重力勢能EG與其質量m的比值，叫做“重力勢”，即

電勢φ和重力勢φG都是反映場的能的性質的物理量，僅由場自身的因素決定.

2.4運用數學解決物理問題的能力

【例10】(2016年高考上海卷第30題)如圖6所示，兩端封閉的直玻璃管豎直放置，一段水銀將管內氣體分隔為上下兩部分A和B，上下兩部分氣體初溫度相等，且體積VA>VB．

(1)若A,B兩部分氣體同時升高相同的溫度，水銀柱將如何移動？

某同學解答如下：

設兩部分氣體壓強不變，由

上述解答是否正確？若正確，請寫出完整的解答；若不正確，請說明理由并給出正確的解答．

圖6 例10題圖

(2)在上下兩部分氣體升高相同溫度的過程中，水銀柱位置發生變化，最后穩定在新的平衡位置，A和B兩部分氣體始末狀態壓強的變化量分別為ΔpA和ΔpB，分析并比較二者的大小關系．

本題重點培養學生的運用數學解決物理問題的能力，具體在思維方式培養方面，第(1)問側重于“質疑”思維和“判斷”思維，第(2)問主要為這種“推理”思維．

2.4.1 質疑

質疑是指經過充分地分析后提出的疑問．它貫穿于物理實驗、思維、運用等所有的過程之中．質疑的高級形式表現為詳謬：同一個對象按不同的推理而產生的“相悖”結論．在一個物理研究的范疇確定以后，必須首先選擇需要研究和解決的問題．由于問題本身在相當程度上決定著研究的意義，成果獲得的可能性與價值取向，因此，發現有價值的問題又成為整個研究的關鍵之一，這也就是物理學將質疑作為思維起始的必要性．

物理質疑的教學操作要求鼓勵學生發現問題、試作分析、提出質疑，利用文字論述問題時應體現科學性．在物理學習中，學生能自覺運用質疑的方法，會在分析中有效地加深對物理概念規律的理解，并使所學的有關知識融會貫通．

解析:(1)不正確．

水銀柱移動的原因是升溫后，由于壓強變化造成受力平衡被破壞，因此應該假設氣體體積不變，由壓強變化判斷移動方向．

2.4.2 判斷

判斷是運用已有的物理概念對所研究的物理內容做出肯定或否定結論的一種思維形式．物理概念的定義就是一個肯定的判斷．概念內涵、外延以及物理規律的表述也都是物理判斷．物理研究實際是由相互緊密聯系的許多物理判斷表現的．物理判斷的教學操作要求使用觀察、實驗以及直覺與想象等方法對有關概念直接做出判斷，借助圖形圖像聯想解決物理問題應體現靈活性．

解析:(2)正確解法：設升溫后上下部分氣體體積不變，則由查理定律可得

因為

ΔT>0pA

可知

ΔpA<ΔpB

所以水銀柱向上移動．

2.4.3 推理

物理推理是由一個以上的物理判斷獲得另一個新的物理判斷的思維形式．物理教學中應用比較多的一個是類比推理，另一個是數理推理．物理推理的教學操作要求借助推理解決物理問題，運用數學公式推理解答物理問題時，注意提高思維的遷移性．

解析:(3)升溫前有

pB=pA+ph(ph為汞柱壓強)

升溫后同樣有

兩式相減可得

ΔpA=ΔpB

3 結論

綜上所述，在培養學生物理語言表征問題能力的教學過程中，思維方式由于受到物理學本身及其特點的約束，它們已具有在物理學中的運用特征，這些運用特征可簡略概括成以下幾點．

(1)分析、綜合與比較的方法滲透到整個物理語言表征問題之中．換句話說，不論用什么思維形式，是建立物理概念，還是做出物理判斷或進行推理；不論什么思維過程，是進行抽象，還是提出質疑；不論是用這種方法釋疑，還是用那種方法釋疑；都離不開分析、綜合和比較．

(2)抽象和概括的方法主要用來形成物理概念，建立理想化模型，歸納與概括、演繹與概括則主要用來建立物理規律．

(3)在培養學生物理語言表征問題能力的教學中，各種思維方式與物理語言表征問題的基本方式及物理語言表征問題能力之間相互交織和滲透，互相作用和影響，互相推進和制約，不僅僅局限于前面表1所在位置，而是立體交叉，彼此融合的．

思維方式是人們世界觀、價值觀以及對待事物或問題的態度和方法的統一表現，接受傳統教育培養的學生，其思維方式往往是較為單一的，這樣“點對點”的思維方式，雖然使得問題的解決變得直接簡單，但在對問題的深入研究和分析方面，以及在對學生思維培養方面存在著明顯的不足．在教學過程中，經常通過物理語言來構建教育模塊，注重文字敘述、數學公式表達和圖形圖像表示等物理語言表征形式來呈現問題，引導學生從感性到理性一步步地豐實學生的認知，實現知識邏輯層次顯性化，勢必會使得學生的思維方式潛移默化的發生改變，有利于培養學生具有流通性、變通性、獨特性的思維方式，讓學生學會提出問題、思考問題、探究問題，并且成為一種思維習慣、一種需要，從而引導學生形成物理語言表征問題的能力，進而提高學生解決物理問題的能力．

1 廖伯琴．中學生物理問題解決的表征差異及其成因探析.成都：四川教育出版社，2001

2 續佩君.物理能力測量研究.南寧：廣西教育出版社，1996

3 田世昆，胡衛平.物理思維論.南寧：廣西教育出版社，1996

*全國教育科學“十二五”規劃教育部重點課題“培養中學生物理語言表征問題能力的實踐研究”的階段性研究成果，課題批準號：DHA140323.

段玉文(1964- )，男，中教高級，研究方向：中學物理課程、教材、教法．

2017-03-14)