借鑒認(rèn)知發(fā)展理論 培養(yǎng)物理科學(xué)思維

□ 江蘇省南通市竹行中學(xué) 曹旭鳳

著名心理學(xué)家皮亞杰提出的認(rèn)知發(fā)展理論，是指一個(gè)人出生后，為了能夠更好地適應(yīng)生活、適應(yīng)社會(huì)，對(duì)接收到的事物，遇到的困難和問(wèn)題，尤其是突發(fā)的事件，所采取的思維方法、解決辦法以及各方面的能力表現(xiàn)，會(huì)隨年齡的增長(zhǎng)而產(chǎn)生明顯變化的過(guò)程。在物理教學(xué)中尊重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，隨著科學(xué)探究的逐步深入，由易到難，有效刺激學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生物理科學(xué)思維的能力。

一、滲透學(xué)科思想，發(fā)散解題思路

借鑒認(rèn)知發(fā)展理論進(jìn)行物理教學(xué)，首先要滲透物理學(xué)科思想，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，發(fā)散學(xué)生的解題思路。初中物理教學(xué)中，教師可以通過(guò)數(shù)形結(jié)合、等效替代等方法去實(shí)現(xiàn)。

1.數(shù)形結(jié)合，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充轉(zhuǎn)化

在物理教學(xué)中進(jìn)行的所謂數(shù)形結(jié)合法，就是指把數(shù)學(xué)語(yǔ)言（物理量）和圖形（物理圖像）相結(jié)合的教學(xué)方法。利用這種教學(xué)方法，可以讓學(xué)生將復(fù)雜抽象的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為形象直觀的視覺(jué)可度量問(wèn)題。

在學(xué)習(xí)“熔化的特點(diǎn)”時(shí)，教師常會(huì)在課堂上做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一是燭蠟的熔化實(shí)驗(yàn)，二是冰熔化的實(shí)驗(yàn)。探究過(guò)程中，要觀察燭蠟和冰的溫度和狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。面對(duì)一大堆數(shù)據(jù)，初學(xué)物理的初二學(xué)生往往不知所措。這時(shí)教師可以指導(dǎo)學(xué)生建立關(guān)于溫度和時(shí)間的直角坐標(biāo)系，并根據(jù)實(shí)際情況在兩個(gè)坐標(biāo)上標(biāo)好單位長(zhǎng)度代表的時(shí)間、溫度；將對(duì)應(yīng)的時(shí)間和溫度的點(diǎn)描到坐標(biāo)系中；將點(diǎn)連成線；將物質(zhì)的狀態(tài)寫(xiě)到對(duì)應(yīng)線上。學(xué)生從圖像上不難看到燭蠟的圖像是一條持續(xù)上升的曲線，而冰的圖像則是先上升再水平后上升的，其中那段水平線表示冰從固態(tài)變成了液態(tài)。學(xué)生馬上就歸納出熔化的特點(diǎn)：一是冰（晶體）熔化時(shí)溫度不變，燭蠟（非晶體）熔化時(shí)溫度升高；二是兩種物質(zhì)熔化時(shí)都在吸熱。此后學(xué)生看到這樣的圖像，也不必借助確鑿的數(shù)據(jù)，就能立即判斷是晶體還是非晶體。

數(shù)形結(jié)合是初中物理學(xué)習(xí)中非常常見(jiàn)的方法之一，它在熱學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。利用數(shù)形結(jié)合的方法，引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的形象思維習(xí)慣，提升學(xué)生對(duì)物理概念、物理規(guī)律的理解深度。

2.等效替代，引導(dǎo)化繁為簡(jiǎn)

等效替代法，顧名思義就是采取其他實(shí)驗(yàn)器材、研究方法等替代原來(lái)的器材、方法，取得相同的研究效果。

早上起床后，我們通常會(huì)對(duì)著鏡子梳洗一番，鏡子中的“人”是鏡子前的人的像。在學(xué)習(xí)“平面鏡”這一節(jié)時(shí)，由于這個(gè)成像看得到，但摸不著，因此無(wú)法直接探究這個(gè)像跟物體之間的關(guān)系。所以在選擇實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，可以利用茶色玻璃板替代普通的平面鏡，一方面，茶色玻璃板也能成清晰的像，達(dá)到該實(shí)驗(yàn)的效果；另一方面，茶色玻璃板是透明的，可以用一個(gè)與茶色玻璃板前完全相同的物體來(lái)替代玻璃板后的像，便可以確定了這個(gè)像的位置，再用刻度尺分別量出像和物體到平面鏡的距離并比較，從而得出像與物到平面鏡的距離相等的結(jié)論；此外，由于玻璃板后的物體替代了像，通過(guò)觀察像是否與玻璃板后的物體重合，確定平面鏡所成的像與物體的大小是否相等。

在該探究活動(dòng)中，教師兩次利用了等效替代法，一是用玻璃板替代平面鏡，二是用與玻璃板前完全相同的物體來(lái)替代玻璃板后的像，有效的化解了因平面鏡所成的虛像給探究活動(dòng)帶來(lái)的困難。

等效替代法聽(tīng)起來(lái)較為深?yuàn)W，但在探究活動(dòng)中比較容易實(shí)施。進(jìn)行等效替換時(shí)，一定要抓住問(wèn)題的本質(zhì)。在物理探究過(guò)程中使用等效替代的思想進(jìn)行活動(dòng)，可以引導(dǎo)學(xué)生從繁雜的物理問(wèn)題中走出來(lái)，實(shí)現(xiàn)思維的提升和發(fā)展。

二、歸納具體方法，提升解題效率

除蘊(yùn)含在物理學(xué)科中的思想外，在物理學(xué)習(xí)中還有一些具體的方法值得采納，比值定義法與控制變量法是初中物理中最常見(jiàn)的兩種方法。

1.比值定義法，反映物質(zhì)屬性

比值定義法就是用兩個(gè)物理量的“比”來(lái)定義一個(gè)新的物理量的方法。

如在“物質(zhì)的密度”這一節(jié)中，物質(zhì)的密度這一物理量，就是典型的應(yīng)用比值定義法的概念。探究活動(dòng)中，教師首先準(zhǔn)備三個(gè)材料相同、大小不同的長(zhǎng)方體鐵塊，讓學(xué)生用天平分別測(cè)出這三個(gè)鐵塊的質(zhì)量，再用刻度尺分別測(cè)出這三個(gè)鐵塊的邊長(zhǎng)，求出它們的體積，將測(cè)得的質(zhì)量和體積填入表格，引導(dǎo)學(xué)生尋找質(zhì)量和體積之間存在的規(guī)律。學(xué)生借助數(shù)學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量增大n倍，體積也增大n倍，即質(zhì)量和體積成正比，它們的比值是相同的。其次，教師給出三個(gè)材料相同、大小不同的長(zhǎng)方體蠟塊，讓學(xué)生用同樣的方法尋找蠟塊的質(zhì)量和體積之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)三個(gè)蠟塊的質(zhì)量和體積的比值也是相同的。但這個(gè)比值與鐵塊的質(zhì)量和體積的比值不同。然后繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分析比值相同或不同的原因，讓學(xué)生了解質(zhì)量與體積的比值反應(yīng)了物質(zhì)的一種特性，就用密度這個(gè)物理量來(lái)表示物質(zhì)的這個(gè)特性。這樣，就非常順理成章地得出：質(zhì)量與體積的比值就是密度。最后比值定義法得出密度概念后，教師還可以繼續(xù)提供適量的煤油和酒精，分別測(cè)出它們質(zhì)量和體積，求出密度，發(fā)現(xiàn)煤油和酒精的密度竟然是相同的，讓學(xué)生了解到，不同的物質(zhì)，其密度可能是相同的。

利用比值定義法得出的物理量常反映物質(zhì)的基本屬性，即它的大小與物質(zhì)的種類有關(guān)，與定義它的物理量的大小無(wú)關(guān)，所以這類物理量與定義它的物理量之間不存在數(shù)學(xué)函數(shù)中的正反比關(guān)系。教師要引導(dǎo)學(xué)生理解為何可以在這類物理量中采用比值定義法，讓學(xué)生真正理解物質(zhì)的物理屬性。

2.控制變量法，發(fā)現(xiàn)隱形規(guī)律

如果一個(gè)物理量A可能受到B、C兩個(gè)因素影響，我們將保持C因素不變，研究B對(duì)A的影響；再保持B因素不變，研究C對(duì)A的影響，最后再綜合起來(lái)得出規(guī)律，這種方法稱為控制變量法。

例如我們?cè)谘芯课矬w的重力勢(shì)能的影響因素時(shí)，就采用了控制變量法。首先讓學(xué)生猜測(cè)可能出現(xiàn)的影響因素，學(xué)生根據(jù)“由于物體被舉高具有的能稱為重力勢(shì)能”這個(gè)基本概念，馬上就作出猜測(cè)：物體的質(zhì)量、物體被舉高的高度；接著教師提問(wèn)，我們?cè)撊绾巫霾拍艿贸鼋Y(jié)論呢？學(xué)生聯(lián)系剛學(xué)完的動(dòng)能，肯定會(huì)回答“用控制變量法分兩步完成”。老師拿出實(shí)驗(yàn)器材，先分析如何在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)重力勢(shì)能的大小，然后可以讓學(xué)生邊演示邊講解。第一次讓一個(gè)重物從某一高度自由落下撞擊木樁，第二次讓較重的重物從相同的高度自由落下撞擊木樁，比較兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木樁陷入的深度增加了；第三次仍用第二次的重物，但從更高處自由落下撞擊木樁，發(fā)現(xiàn)木樁陷入更深了。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不難得出結(jié)論：物體質(zhì)量越大，被舉得越高，重力勢(shì)能就會(huì)越大。

值得注意的是，利用控制變量法描述物理量與其中一個(gè)因素的關(guān)系時(shí)，一定要先說(shuō)明控制哪些因素不變，再說(shuō)明這個(gè)物理量與該影響因素之間的關(guān)系。學(xué)生在回答實(shí)際問(wèn)題時(shí)，往往會(huì)遺漏控制的條件，導(dǎo)致結(jié)論不完整。

控制變量法是初中階段最常用的一種研究方法?？刂谱兞糠梢砸龑?dǎo)學(xué)生一步步排除無(wú)關(guān)因素的干擾，得出研究的物理量與影響因素之間的關(guān)系，有效加深了學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解。

三、加強(qiáng)邏輯推理，優(yōu)化解題過(guò)程

1.演繹推理，分析個(gè)別情況

物理是一門(mén)與邏輯思維緊密相關(guān)的學(xué)科，因此提升學(xué)生的解題能力還要加強(qiáng)學(xué)生在解題過(guò)程中的邏輯推理，實(shí)現(xiàn)解題步驟和思維的優(yōu)化。

演繹推理就是根據(jù)已有的一般規(guī)律，通過(guò)分析推導(dǎo)得出個(gè)別性的規(guī)律的一種科學(xué)思維方式。通過(guò)演繹推理，可以利用大規(guī)律下的經(jīng)驗(yàn)，與個(gè)別案例所得的結(jié)論相對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別情況的細(xì)致分析。

如在“牛頓第一定律”這一節(jié)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓第一定律相關(guān)的物理知識(shí)后，此時(shí)教師就可以讓學(xué)生根據(jù)牛頓第一定律進(jìn)行演繹推理，分析相關(guān)的物理問(wèn)題。在探究過(guò)程中學(xué)生都知道小車(chē)在運(yùn)動(dòng)時(shí)輪子與地面之間存在摩擦力，而且這個(gè)摩擦力的方向與小車(chē)運(yùn)動(dòng)的方向相反，正是這個(gè)摩擦力迫使小車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度不斷減小直至靜止下來(lái)。接著我們分析一下擺錘的狀況。我們看到擺錘除了與細(xì)線相連，并沒(méi)有與地面接觸，但是擺錘擺動(dòng)的幅度卻越來(lái)越小，最終還是會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，這是為什么呢？學(xué)生此時(shí)就會(huì)想到，擺錘在空氣這一介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，雖然看不見(jiàn)但是擺錘與空氣之間也存在摩擦力，而且這個(gè)摩擦力的方向也與擺錘擺動(dòng)的方向相反，所以也應(yīng)該是摩擦力迫使擺錘改變了它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

進(jìn)行演繹推理是鍛煉學(xué)生邏輯推理能力，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的重要方式之一。在初中物理學(xué)習(xí)的過(guò)程中，定理、定律屬于一般性的大規(guī)律，而物理題目則屬于個(gè)別情況，利用演繹推理可以讓學(xué)生迅速找出解題方法，提升解題效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的優(yōu)化解答，這樣的過(guò)程也有助于培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)思維。

2.類比推理，分析關(guān)聯(lián)情況

開(kāi)普勒曾說(shuō)類比推理是自己最好的老師。類比推理就是先分析比較兩個(gè)研究對(duì)象之間有某些相同或相似的屬性，再經(jīng)過(guò)推理其他屬性也是相同的過(guò)程。利用類比推理，可以分析物理量之間的關(guān)聯(lián)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理現(xiàn)象的深入理解。

在學(xué)習(xí)“電壓和電壓表的使用”這一節(jié)時(shí)，就可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比推理。利用看得到的、學(xué)生熟悉的水壓和水流類比看不見(jiàn)的、比較抽象的電壓和電流。學(xué)生根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)知道，水管水壓較大時(shí)，水流就較大；水壓較小時(shí)，水流就較小；沒(méi)有水壓，就沒(méi)有水流，所以水壓是形成水流的原因。那么同理，電壓是形成電流的原因。水壓迫使水只能沿著水管向某一方向移動(dòng)，形成水流；同理，電壓也迫使電荷定向移動(dòng)，形成電流。水泵提供水壓，同理，電源提供電壓等。

需要注意的是，利用類比推理時(shí)，杜絕利用抽象的現(xiàn)象類比抽象的現(xiàn)象。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比推理，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力，提升了學(xué)生的聯(lián)想能力和舉一反三的能力。

借鑒認(rèn)知發(fā)展理論的教學(xué)方法，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)思維，推動(dòng)學(xué)生努力學(xué)習(xí)物理知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生不斷提升學(xué)習(xí)物理的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。