在大學物理教學中培養學生的批判性思維能力*
——淺析開放性提問的作用

2021-03-04 05:42:34張義馮興汪建殷鵬飛孫希媛王開明

物理通報 2021年3期

張義馮興汪建殷鵬飛孫希媛王開明

(四川農業大學理學院應用物理系四川雅安 625014)

在互聯網時代，知識的獲取已非常便捷，大學的任務已逐漸從知識的傳授向能力的培養方向發展．教育部在2010年頒布的《高等學校應用物理學本科指導性專業規范》中首次強調要培養學生敢于和善于提出問題的能力，具有獨立思考和批判精神，創新意識和創新思維[1]．因此好的教師應該是一個激勵者，善于激活學生的思維和大腦，激勵學生主動質疑．那么如何激發出學生的問題呢？有專家將課堂問答分為以學為中心和以教為中心的課堂問答過程[2]．傳統的以教為中心的課堂問答中，教學內容是固定的，不僅學生無疑問，教師也無，教師只是教材內容的忠實傳遞者．在這個過程中，學生只是被動地思考問題，思想和情緒很平淡，因此很難激發學生主動提出問題．而在以學為中心的課堂問答過程中教學內容不僅僅是書本上已有的知識點，更是開放性的、探索性的、跟生活緊密聯系的問題．學生在遇到這些開放性問題時會感到驚訝、困惑、好奇或興奮，而往往這樣更能啟迪思維，激發智力．

筆者從開放性提問的角度出發，以大學物理課程中的力學和光學內容為例，通過結合科學發展史、挖掘習題深度、設計演示實驗、工程案例教學4種方式，討論了如何挖掘開放性問題，激發學生的疑問，培養學生的批判性思維能力．

1 結合科學發展史

科學發展的過程就是批判性的、不斷接近真理事實的過程，質疑精神對于自然科學的發展至為重要．例如，隨著物理理論的發展，人們發現幾何光學中光的直線傳播定律只有在一定前提下才成立[3]．因此可在課堂上沿著光的傳播規律的認識過程依次提出問題，首先問：光在均勻媒質里一定沿直線傳播嗎？我們知道光的直線傳播定律必須在光波波長遠小于障礙物尺寸的前提下才能成立，否則會發生衍射現象，光會傳播到幾何陰影中去．由于中學時代有學生已經了解了光的衍射，因此部分學生能夠回答出衍射現象不滿足直線傳播定律的反例．但隨著近代愛因斯坦相對論的創立，光的傳播規律又受到了更深刻的撼動，根據愛因斯坦廣義相對論，質量非常大的物體會導致周圍的時空彎曲，并使得光線發生偏折．這個預言也在1919年通過了實驗驗證：實驗人員觀測了視線掠過太陽附近所看到的恒星位置，證明太陽引力導致恒星光線偏折了1.61弧秒，偏折角度與愛因斯坦所作的預言非常接近[4]．因此可知即使光線處于真空中并且障礙物尺寸遠大于光波波長的情況下，也可能出現光不沿直線傳播的現象．在此基礎上可進一步提出問題：滿足障礙物尺寸遠大于光波波長后，直線傳播定律就一定成立嗎？此時學生更加好奇而疑惑，能夠給出答案的學生已經不多了．但是通過以上結合光學發展史的開放性提問過程，會使學生意識到嚴謹的實驗驗證和邏輯推理對于科學發展的重要性，對獨立思考和批判性思維有一定的啟發作用．

2 挖掘習題深度

在課程習題的講授中，教師如果給出正確的解題步驟，固然能起到鞏固知識點的作用，但這樣學生只被動的接受，缺少思維的碰撞過程．因此，在習題的講授中教師可挖掘題目的深度，設計一些開放性問題，讓學生存疑求證．下面以一道剛體力學題為例予以說明：如圖1所示，兩人各執均勻桿(重G，處于水平靜止狀態)的一端．當左側人突然放手時，右側人手上用力變為多少？

圖1 兩人執桿習題示意圖

可先給出一種可能性：“原來兩人執桿，后僅一人執桿，右側執桿人用力會變大？”這看似正確的邏輯推論對不對呢？大部分學生通過角動量定律的學習后可得到如下解題過程：設左側人放手后桿的加速度大小為a，角加速度為β，右側人在左側人放手前后用力分別為F和F′，基于牛頓第三運動定律和角動量定律建立以下方程

G-F′=ma

a=0.5Lβ

最后可得F′為0.25G，而兩人執桿時每人用力F為0.5G．可以發現僅右側一人執桿時，他用力反而變小了，與假想的結論完全相反，這樣的結果會讓學生感到驚訝、產生疑問，會產生進一步探究的興趣．

接下來教師可引導學生去反思背后的物理原因，提出問題：相對于兩人執桿，一人執桿時為什么用力反而會變小？用力大小與兩人執桿的位置有沒有關系？如果改變其中一人的位置，剩下的人用力還是變小嗎？這時的問題就比較深入而有趣了，學生也想進一步去研究執桿位置對用力大小的影響．部分學生通過計算可得出以下結果：以改變右側人位置為例，以桿中央為原點建立如圖2所示的坐標系.

圖2 研究執桿位置對力的影響

a=xβ

最后可得到

而通過力矩平衡可得放手前右側人的用力為

圖3 放手前后右側人用力F2與隨x的變化關系

3 設計演示實驗

物理是一門以實驗為基礎的科學，如果課堂上只有理論教學，學生難免感到平淡，因此教師可設計演示實驗并展開提問，將理論和實踐聯系起來．例如伯努利方程的學習中，可設計出如圖4所示的兩種裝置，與學生討論．對于圖4(a)中的空吸裝置，根據伯努利方程可知，由于出口處的氣體流速小于細管處的流速，因此細管處的壓強要小于出口處的大氣壓，最終導致液面上升．授課教師可在學習伯努利方程前給出該裝置圖，并提出這樣一個問題：“在推動活塞的過程中，由于氣體被推動向前和向下，液面應該會被氣體壓的下降？”由于缺乏流體力學相關知識，學生一般都認同這種現象會發生．此時教師可拿出圖4(b)所示玻璃管，將豎直管插入水中，并從左向右對水平管吹氣，可發現豎直管中的水面竟然會上升．接著，伯努利方程學習結束后又可給出圖4(c)裝置，提出問題：如果管徑是均勻的，液面還會上升嗎？此時較多學生會有以下推論：管徑沒變化，出口處的氣體流速和中間分支管處的流速相同，分支管處的壓強等于出口處的大氣壓，因此液面高度不變．事實上，最終通過圖4(d)所示的T形管實驗可以發現液面是下降的．這是由于空氣并非理想流體，是可被壓縮的，而伯努利方程僅適用于理想流體，因此管內氣體由于被壓縮導致壓強要略大于大氣壓，從而導致液面下降．相反，如果是從水平管右邊吸氣，會導致氣體膨脹，壓強變小，液面上升．通過該演示實驗的討論，學生能夠對伯努利方程和理想流體的概念有更深刻的理解，并會發現，許多看似合理的邏輯竟然不對，只有通過親自實驗才能判斷真偽．

圖4 兩個演示實驗裝置

4 加強工程案例教學

古往今來，人類創造了許多偉大的科技成就和工程發明，如蒸汽機、人造衛星、手機等，而這些科技發明中的工程元件結構，往往經歷了長期的實踐和改進才最終成型．因此針對某個工程元件的結構設計加以討論，也是鍛煉批判性思維很好的途徑．例如，在剛體力學的內容中可給出發動機中的曲柄連桿機構圖(圖5)，就活塞的形狀進行討論．以圖中活塞為研究對象，進行受力分析：活塞除了受到向下的氣體壓力F外，還受到連桿產生的斜向左上的壓力Fl，和左側氣缸壁向右的側壓力Fc．在側壓力Fc作用下，活塞截面會被擠壓變形成橢圓狀，進而可能造成活塞卡死或局部磨損過大．實際工程中為了解決這個問題，往往預先將活塞加工成橢圓柱形，橢圓面的長軸與左右側壁垂直，以抵消掉擠壓造成的變形．另外由于發動機工作時活塞頂部溫度高，熱膨脹更大，因此為了防止活塞卡死，其頂部直徑往往要小些，由頂部向下直徑是逐漸增加的，一般呈錐形或階梯型[5]．針對這些工程知識，可以對學生提出如下問題：發動機氣缸內部為圓柱形，那其中活塞也是圓柱狀嗎？如果考慮到受力情況和熱脹冷縮呢？通過以上力熱學分析，學生會發現原來理所當然的結論卻在實際應用時因為要考慮諸多因素而大相徑庭，意識到質疑的重要性，并對實際工程應用有所了解．

圖5 曲柄連桿機構

5 結束語