论物理教学对学生思维发展的促进作用

在目前中学教学中，各科课程对学生思维发展均有特殊的作用。如数学，常被认为是智力的体操，对思维发展有独特的效用。我认为，物理学科（高中物理课程）同样为发展思维提供了其它学科不可替代的途径。

物理学是由概念、定律、定理等构成的逻辑体系。根据自然现象观测结果和实验结果，概括出概念，概念和概念之间的内在联系形成定律或定理，再由定律、定理构成有机的逻辑体系，即物理学理论体系。在高中物理教材中包含许多物理定律和规律。这些定律和规律构筑成物理体系基本框架。这些物理定律和规律在内容上虽然各不相同，但都是前人经过大量的科学研究和探索而总结出的人类文化的精髓，它们蕴涵着丰富的科学思想和方法。按当代认知心理学家的看法，知识可分为“描述性知识”、“程序性知识”、“策略性知识”等类型。在高中物理教材中，充分包含了以上三种知识类型。物理教材中含有丰富的关于自然界事实性知识，即描述性知识，如什么是力、什么是运动、什么是电、什么是磁等。物理教材中含有丰富的程序性知识（在特定的条件下可以使用的一系列操作步骤或算法）。如力与运动的关系中的牛顿三大定律，功与能的关系，电磁转化的关系等。在物理教材中含有丰富的策略性知识。物理概念的形成，物理规律的发现，它们无不是基于科学家对事物观察的基础上，由感性认识上升为理性认识，进而运用这些规律，在改造世界、创造世界的能动过程中不断深化和完善的。物理学的发展对社会发展起到了积极的推进作用，如今物理学的思想方法，被广泛运用在各项科学研究领域，单就心理学而言，物理学的思想方法，也随处可见。

然而，传统的教学，比较重视描述性知识和程序性知识的教学，高中物理教学也不例外。目前的物理教材中，通常对知识点的逻辑联系采用显处理，而对物理知识的内在联系，特别是物理的思想方法，采用隐处理，即不在课文中写明，而是让学生在学习过程中自己去领悟。这一方面促成了教师注重知识内容的教学，忽视思想方法的教学。另一方面，物理思想方法本身的抽象性、概括性，造成了学生难于掌握，这些都不利于培养学生的思维能力。如果，我们在教学中能注意挖掘教材的内涵，采用适当的教学方法，创造条件使学生亲身经历运用科学方法探索事物规律的过程，从中传授策略性知识，必将有利于学生掌握物理的学习方法和思维方法，促进学生的思维发展。

那么，如何立足教材，采用何种教学方法来促进学生的思维发展呢？我们不妨从教学实践中来考察分析一下。

例如，高中物理教材中有一节内容→《自由落体运动》，从教材安排上看，这节内容排在匀变速直线运动一般规律教学之后，可将“自由落体运动”作为匀变速直线运动规律的 一个应用课或习题课。但是，教材将“自由落体运动”单独立为一节内容，也可以将其视为物理规律的教学。我设计了两种不同的教案。

教案一：教学流程如表1

表1《自由落体运动》教学流程

通过各种落体情况的演示说明落体运动方向→介绍亚里士多德的学说以及伽利略的反驳→通过牛顿管演示验证伽利略学说→说明自由落体运动是初速为零的匀变速直线运动→给出自由落体加速度的值→从匀变速直线运动公式推出自由落体公式→运用自由落体公式解题1、2、3、→布置作业

这一教案是以教师讲解介绍为主，从教学内容上看，包含教材提供的所有内容。这种做法从行为主义学习心理角度看，似乎是可行的。因为行为主义学习心理学认为，有怎样的刺激就会有怎样反应。通过多次刺激，配以一定的学习动机的“准备”，加上适当的“强化”，对做出正确反应的学生给予奖励。促使学生建立刺激——反应联结，学生掌握了知识，学会了物理规律及具备了应用的能力。我认为这种做法忽略了物理规律的自身特点。在教学实践中，发现这种教学方法对提高学生的物理思维能力尤其创造性方面是极为不利的。

教案二：由于“自由落体运动”的研究，在物理学史上有其重要的意义，伽利略对“自由落体运动”的研究，开创了实验研究物理规律的先河，对物理学的发展起了积极的推进作用。为此我将这节课设计为寻找运动规律的课，在教学安排上，突出规律的科学研究方法的教学，重点将传授物理定律和规律的教学结构转为探索物理规律的教学结构。在此教学思想的指导下，对“自由落体运动”一课教学作如下设计（表2）

表2   “自由落体运动”教学流程

通过各种落体情况的演示，创设研究情景，引入亚里士多德的学说→利用生活中的实验及伽利略和逻辑反驳去伪存真，分清一般落体运动，定义自由落体运动→推断自由落体运动快慢牛顿管→提出自由落体运动质的假设→实验推断假设的正确性并测g定的大小→得出自由落体运动公式→巩固练习

第一种教学设计，以介绍规律的发现过程为主，通过老师的讲解使学生掌握规律，这样的教学设计，是把学生作为接受知识的对象，由教师输入知识，学生被动接受。从教学的知识内容上看，两种教案无多大差别，但是从学习兴趣的激发、物理方法的学习、学生运用已知物理知识探索规律的能力的提高等到方面比较，教案一是不够的，教案二有一定的优势。

教案二在第一阶段通过人们在生活中对落体现象一些错误的直觉，创设了研究情景，激发了学生研究落体运动的兴趣。在此基础上，引导学生对不同质量、不同大小、不同密度物体的落体现象的观察，并穿插伽利略的逻辑反驳，从而使学生自觉地应用科学抽象原理得出“自由落体运动”模型。在此教学过程中，我特意加入了一段有关比萨斜塔落体实验是否由伽利略完成的历史谜案，把学生引入伽利略时代，激以了学生的思维欲望。通过第一阶段的实施，学生一方面对自由落体运动有了科学的定性认识，另一方面课堂教学氛围得到了优化，学生沉浸在探索运动规律的气氛之中，这为第二阶段“自由落体运动”规律的定量研究，建立了良好的情感基础和认识准备。

第二阶段的教学是本节课的重点，在这里蕴含了伽利略开创的研究自然规律的科学方法，这就是先提出假设，再用数学推理，最后用实验来检验论证。教案一是以结论形式直接给学生，容易造成学生机械学习，并且这种被动接受，无法体验物理学研究方法，感受科学家历史的思维美感。第二教案却能在这方面产生良好的效果。我在第一阶段从引导学生观察实验得出自由落体速度随下落时间增大而增大这一定性结论出发，以伽利略时代的测量工具为背景穿插伽利略的数学推理方法，启发学生发散思维，并从学生提出的方法中进行筛选，归纳得出探索“自由落体”规律的思路和方法。教学流程如表3：

表3   《自由落体运动》教学流程

提出Vαt

假设

由于V不能直接测量

Vαt时

Sαt2

由于计时工具限制

研究斜面上的自由滑落物体

自由落体运动规律

现代新技术验证

（电子计时器、频闪）验证

在此基础上，把测定重力加速度g的实验改为探索自由落体运动的探索性实验。在教学中指导学生测量下落高度h和时间t，并对测量数据进行比较分析，从而验证下落高度h与下落时间t的平方成正比关系，推导出自由落体的运动公式，并计算出重力加速度的值。

从以上教学过程可以看出，这种做法不同于行为主义认知观念。在教学中将学生不是视作为被动的知识接受器，而是视作为积极的信息加工者。在第二教案的设计中，不只是强调学习的结果，而是强调学习的过程，使学生在掌握物理的基本规律的同时，还能掌握学习物理的基本方法。在第二教案的设计中，可以看到这样一些特征：

(1)强调学习过程。教师在实施教学活动时，设法形成一种学生能独立探究的情境，并不是提供现成的知识，通过这样的教学活动，学生不再是被动的、消极的知识接受者，而是主动的、积极的知识探究者。

（2）注重“直觉思维”的培养。教师在教学中，不是用指示性的语言或结论灌输知识，而是利用实验现象、生活经验等直觉映象，激发学生的思维，形成丰富的想象，促使学生运用已有知识，在解决问题中，发现探究事物的方法，并形成对规律的新认识。如在学生获得自由落体运动的速度随时间或高度的增加而增加的定性认识时，鼓励学生提出速度与时间或高度的定量关系的各项假设，并要求学生提供验证假设的方法。这种跃进的，走捷径的思维方式，在科学发现活动中是极为重要的，这种思维能力的培养在第一种教案中是无法做到的。

（3）强调学生的内在学习意愿的激发。在第二教案中，不仅利用物理学科自身的风采，激发学生的学习兴趣，而且利用学生对探索的欲望和成功的体验来激发学生的学习兴趣。例如，当有学生提出直接测量速度来验证自己的假设，而因速度无法直接测量遭到否定时，学生不仅对自己的能力提出挑战，而且，学生与学生之间也将形成竞争。学生在这种情况下，会自觉投入到寻找新的验证方法的探索之中去。

在实践中，我发现第一教案和第二教案的效果是不同的。例如在课程的最后，同时让学生解一有关“自由落体运动”的题目，学生体现出了不同的思维热情和认知水平。题目是这样的：已知落体在最后一秒内下落的高度，求物体开始下落时的高度。接受第一教案的学生，大多只能按类似的例题解法解决问题。而接受第二教案的学生，虽然没有直接获得例题的启示，但在解题时却充分体现创造思维，学生的解法出人意料的丰富多彩。有的同学利用最后一秒内的平均速度求全程高度，也有同学利用两阶段自由落体运动求解，还有学生利用初速为零匀加速直线运动的位移与时间平方成正比的关系求解。究其原因，我认为这主要是一方面学生能自觉将匀变速直线运动规律迁移到“自由落体运动”中，另一方面是学生的创造性得到了充分的激发。

从以上的事实可以看出，当我们的教学设计具备第二教案中所具备的三个特征时，教学有助于学生的思维发展。为此我认为，在物理规律的课堂教学设计中，不能单纯强调知识内容的多少，而应该注重教学过程的设计是否符合学生的认知心理，是否使教学过程涵盖知识领域、操作领域、情感领域等多方面的内容，超越学科知识本身，使学生在参与教学活动的同时，融入到学科的体系中去，领会学科体系内在的巨大的文化内涵。

高中物理所涉及的许多内容可使我们依照学生认知心理规律，设计出有利于学生思维发展的教学方案。例如，根据皮亚杰的“平衡”理论，我们可以设计出许多促进学生思维的教学方法。当代心理学家皮亚杰指出：促进儿童思维结构的不断变化和发展，其主要原因是“平衡”。所谓“平衡”就是指不断成熟的内部组织和外部环境的相互助作用，是一种动态平衡。个体通过“同化”和“顺应”这两种形式来达到机体与环境的平衡。平衡——不平衡——平衡——的动态过程，推动着学生思维结构的不断变化和发展。如在高中教材中有一节关于“力的合成”的教学内容。学生根据自己的经验，以及初中学生获得的知识，在大脑中存有一种“图式”。即在同一直线上的两个共点力，方向相同时合力F=F1+F2，方向相反时合力F=F1—F2。学生在一定认知水平上会认为这是适用于求任何两个共点力的合力的方法。当教师提出不在一直线上而是互成角度的两个F1和F2，其合力F的大小是多大的问题时，学生往往会试图把这一问题“同化”到已有的“图式”之中，即认为F=F1+F2。当教师通过实验演示，指出这个结论是错误的，即F=F1+F2，这时，学生原有的“平衡”被打破，这时就需要修正原有“图式”。建立新的“图式”，以此达到新的平衡。这个过程就是“顺应”的过程。在学生“顺应”过程中，如果教师能结合物理方法（如：等效替代，矢量图示等）进行一些“策略性知识”的传授，必将有利于学生掌握物理思想方法，丰富学生的思维方法，促进学生科学思维能力的发展。