探尋物理定律背后的邏輯密碼

400多年前，伽利略在比薩斜塔上同時讓10磅和1磅的鐵球自由下落，結(jié)果兩個鐵球同時落地，令人們驚訝不已。這一經(jīng)典故事廣為人知，不過，很多人往往聚焦于實驗內(nèi)容本身，忽視了對其背后思維方式的挖掘。在伽利略的自由落體實驗中，他首先提出假設(shè)，隨后進(jìn)行了多次實驗驗證，所得結(jié)論不僅與猜想假設(shè)高度吻合，還通過恰當(dāng)?shù)倪壿嬐评?，賦予了結(jié)論更廣泛的適用性。這一過程正是邏輯思維與物理學(xué)科緊密結(jié)合的生動體現(xiàn)。

教育的價值并非讓學(xué)生記憶很多事實，而在于鍛煉他們的大腦學(xué)會思考。在信息化高速發(fā)展的當(dāng)下，青少年兒童迫切需要掌握邏輯思維能力，以識別、處理紛繁復(fù)雜的信息。從學(xué)科特性來看，物理學(xué)科為邏輯思維的培養(yǎng)提供了諸多契機。比如，許多物理概念和規(guī)律本身就是推理與演繹邏輯的綜合體現(xiàn)，學(xué)生在掌握這些概念和規(guī)律時，需要深入理解其步驟之間的邏輯關(guān)系，明晰物理定律的適用范圍及局限性。物理教學(xué)以實驗為基礎(chǔ)，學(xué)生在設(shè)計實驗方案、分析數(shù)據(jù)時，需要做出合理的假設(shè)，進(jìn)而規(guī)劃實驗步驟、選擇恰當(dāng)?shù)臏y量工具，并通過比較等方式進(jìn)行誤差分析。此外，從生活中的物理現(xiàn)象出發(fā)，學(xué)生還可以多維度剖析物理問題，構(gòu)建并應(yīng)用抽象的物理模型，通過推理論證得出結(jié)論。

批判性思維是邏輯學(xué)的日常應(yīng)用。在日常的教育教學(xué)過程中，我注重向?qū)W生滲透批判性思維，打破他們的思維定式，培養(yǎng)他們理性思考、反思總結(jié)的習(xí)慣，使他們在面對真實問題時，能夠運用邏輯進(jìn)行深入分析，作出恰當(dāng)?shù)呐袛唷?/p>

透視批判性思維的八大維度

為了便于分析與研究，我們可以結(jié)合物理教學(xué)將批判性思維分為八個具體維度。這些維度并非孤立存在，而是相互關(guān)聯(lián)的。在分析現(xiàn)實問題時，往往需同時調(diào)動多個維度進(jìn)行考量。

猜想與假設(shè)。指基于已知信息提出的一種嘗試性解釋或預(yù)測，基于假設(shè)，學(xué)生可以進(jìn)一步通過設(shè)計實驗來驗證這些預(yù)測的準(zhǔn)確性。

形象與直覺。指形象化的思維和直觀的感受，在物理教學(xué)中，形象化思維的運用能夠幫助學(xué)生更好地理解抽象概念、建立物理直覺。

求同與求異。兩者分別指的是尋找事物之間的共同點與差異，有助于學(xué)生更深入地理解和分類物理現(xiàn)象。

比較與類比。比較不同的物理現(xiàn)象或概念，找出它們之間的相似性和差異性，從而深化對這些現(xiàn)象或概念的理解。

歸納與演繹。前者是指從具體事例中總結(jié)出一般規(guī)律，后者指從一般規(guī)律推導(dǎo)出具體結(jié)論的思維方式。

分析與綜合。前者是指將復(fù)雜的物理問題分解為更小、更易于理解的部分。后者則是將不同的物理概念和定律結(jié)合起來，以形成對整體物理現(xiàn)象的理解。

模型與抽象。模型建構(gòu)是從現(xiàn)實世界提取關(guān)鍵要素并忽略次要因素的過程。抽象思維則是識別、概括不同物理現(xiàn)象之間的共性和特征。

溯因與推理。溯因過程鼓勵學(xué)生基于觀察到的物理現(xiàn)象探索可能的因果關(guān)系。推理過程則注重從已知的物理原理和定律推導(dǎo)出新的結(jié)論。

從學(xué)生反饋來看，他們對最后三個維度的理解與應(yīng)用相對薄弱，這也反映了這些維度在教學(xué)中的缺失。以高中物理模型的構(gòu)建與應(yīng)用為例，許多教師習(xí)慣直接為學(xué)生講解模型，導(dǎo)致學(xué)生缺乏自我探索構(gòu)建的過程，未能習(xí)得過程中的邏輯思維，洞察各個要素之間的本質(zhì)關(guān)系，只停留在模仿和記憶的層面，一面對新的情境和題目，就往往習(xí)慣于套用已有的模型，而不是將其抽象出來進(jìn)行分析和推理。這也是許多教師反饋學(xué)生“一聽就懂，一做就錯”的一個重要原因。

向思維深處再邁一步

我長期在一線擔(dān)任教學(xué)校長，現(xiàn)在還負(fù)責(zé)省里的教研工作，深刻感受到許多教師在物理教學(xué)中滲透批判性思維時所面臨的挑戰(zhàn)。他們在知識體系上并沒有什么問題，但在實際操作中仍覺得困難。其實，教師不需要完全推翻舊有的教學(xué)模式，而是在原來的教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，帶領(lǐng)學(xué)生向思維深處再邁一步即可。

以曲線運動的教學(xué)為例，許多教師習(xí)慣于通過設(shè)計情境，帶學(xué)生觀察旋轉(zhuǎn)雨傘邊緣水滴飛出的方向、鏈球旋轉(zhuǎn)后的飛行路徑等，來歸納做曲線運動的物體瞬時速度的規(guī)律。然而，這種做法在邏輯上并不完全自洽，因為它基于的是不完全歸納法，所涉及的案例均對應(yīng)圓這種特殊曲線。不完全歸納的一個重要特點是，只要有一只“黑天鵝”存在，“所有天鵝都是白色的”這個命題就無法成立。在此基礎(chǔ)上，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：如果是一般的曲線，這個規(guī)律是否還成立？進(jìn)而通過假設(shè)實驗進(jìn)行驗證，如利用無限分割的思想，將任意曲線看作許多短線段的組合，然后發(fā)給學(xué)生一些小球和可塑鋼軌材料，讓他們自由組合成各種形狀的曲線，而后用小球蘸取紅墨水，觀察并記錄小球在軌道末端呈現(xiàn)的運動軌跡，進(jìn)而更直觀地驗證曲線運動的規(guī)律。此外，還需結(jié)合數(shù)學(xué)推理，確保結(jié)論的普遍適用性。

當(dāng)然，這種改良并非隨意為之，而是需要在緊密貼合學(xué)情和學(xué)生需求基礎(chǔ)之上進(jìn)行創(chuàng)新。比如，在講授楞次定律時，很多教師會通過實驗帶學(xué)生探究影響感應(yīng)電流方向的因素，再通過記錄并歸納實驗現(xiàn)象，總結(jié)出楞次定律。不過，部分學(xué)生難以將實驗現(xiàn)象歸納為一般規(guī)律。此時就需要教師為學(xué)生搭建“橋梁”，幫助他們順利完成歸納的過程。在這一環(huán)節(jié)中，我購置了一根一米長的銅管，將其豎直放置后，首先讓一個粉筆頭從銅管的上端自由下落。接著，我又將一塊強力紐扣磁鐵放置在銅管的上端并靜止釋放，磁鐵下落的速度明顯比粉筆頭要慢，從而幫助學(xué)生理解了“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙那些引起它的磁通量的變化”。

像這樣的案例還有很多。基于以上經(jīng)驗，我提出了“提出命題→嘗試解釋→理論預(yù)言→實驗驗證→反思完善理論”的思維范式。以教學(xué)牛頓第三定律為例，學(xué)生在初中就學(xué)習(xí)過“力的作用是相互的”，有些教師會采用彈簧測力計來探究作用力和反作用力的關(guān)系，之后直接引出牛頓第三定律的內(nèi)容，并立即帶學(xué)生開始練習(xí)。這種方式看似高效，實則忽略了學(xué)生的即時反應(yīng)和他們思維發(fā)展的需求。

在實際教學(xué)中，常有學(xué)生會針對定律的適用范圍、實驗誤差等方面提出疑問，如：“在運動狀態(tài)下或非接觸狀態(tài)下，這個定律還適用嗎？”“如果豎直放置兩個彈簧測力計，結(jié)果還會一樣嗎？”這些問題正是學(xué)生調(diào)用多種維度主動思考、提出命題的體現(xiàn)。如果學(xué)生暫時未能主動質(zhì)疑，教師應(yīng)主動詢問并引導(dǎo)，適時為他們提供思考的方向和支持。隨后，結(jié)合學(xué)生提問，從理論上進(jìn)行分析和假設(shè)，并組織學(xué)生討論實驗驗證的方法。如針對該定律適用范圍的問題，可借助DIS傳感器，通過實際操作和觀察傳感器圖像，讓學(xué)生直觀地看到力的大小、方向及其隨時間的變化情況。最后，完善理論：作用力和反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上，并且同時產(chǎn)生、同時消失、同時變化。

批判性思維的跨學(xué)科探索

批判性思維是一種適用于所有學(xué)科的思維能力，具有可遷移的特性。隨著新高考、新課標(biāo)、新教材的落地推行，我開始在教學(xué)中積極探索運用跨學(xué)科學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。具體而言，分為如下四個步驟。

首先，選擇跨學(xué)科主題。立足高中物理教學(xué)，常見的跨學(xué)科主題包括能源的轉(zhuǎn)化與利用、健康與運動、信息技術(shù)等。以“能源的轉(zhuǎn)化與利用”為例，其所涉及的內(nèi)容包括物理學(xué)科的能量守恒定律、化學(xué)學(xué)科的化學(xué)反應(yīng)與能量釋放、生物學(xué)科的生物能源等。其次，確定核心概念。結(jié)合選定的跨學(xué)科主題，確定相關(guān)學(xué)科需要涉及的核心概念。上文案例中，涉及的核心概念包括熱力學(xué)第一定律、燃燒反應(yīng)原理、食物鏈與能量流動等。再次，設(shè)計跨學(xué)科活動。組織進(jìn)行“太陽能電池與植物光合作用的比較”實驗，學(xué)生能直觀地理解太陽能電池和植物光合作用在能量轉(zhuǎn)化效率上的差異，同時引導(dǎo)他們分析實驗數(shù)據(jù)，思考影響能量轉(zhuǎn)化的各種因素，并提出改進(jìn)建議。最后，促進(jìn)生成跨學(xué)科思維。鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出疑問，反思不同學(xué)科解釋的合理性和局限性，并引導(dǎo)他們綜合運用不同學(xué)科知識，提出具有創(chuàng)新性的解決方案。這樣，學(xué)生就能認(rèn)識到不同學(xué)科在解釋同一現(xiàn)象時同時具有合理性與局限性，并能逐漸運用綜合的觀點看待問題。