借鉴认知发展理论 培养物理科学思维

□ 江苏省南通市竹行中学 曹旭凤

著名心理学家皮亚杰提出的认知发展理论，是指一个人出生后，为了能够更好地适应生活、适应社会，对接收到的事物，遇到的困难和问题，尤其是突发的事件，所采取的思维方法、解决办法以及各方面的能力表现，会随年龄的增长而产生明显变化的过程。在物理教学中尊重学生的认知发展规律，随着科学探究的逐步深入，由易到难，有效刺激学生，培养学生物理科学思维的能力。

一、渗透学科思想，发散解题思路

借鉴认知发展理论进行物理教学，首先要渗透物理学科思想，培养学生学习物理的兴趣，发散学生的解题思路。初中物理教学中，教师可以通过数形结合、等效替代等方法去实现。

1.数形结合，实现补充转化

在物理教学中进行的所谓数形结合法，就是指把数学语言（物理量）和图形（物理图像）相结合的教学方法。利用这种教学方法，可以让学生将复杂抽象的物理问题转化为形象直观的视觉可度量问题。

在学习“熔化的特点”时，教师常会在课堂上做两个实验，一是烛蜡的熔化实验，二是冰熔化的实验。探究过程中，要观察烛蜡和冰的温度和状态随时间的变化情况。面对一大堆数据，初学物理的初二学生往往不知所措。这时教师可以指导学生建立关于温度和时间的直角坐标系，并根据实际情况在两个坐标上标好单位长度代表的时间、温度；将对应的时间和温度的点描到坐标系中；将点连成线；将物质的状态写到对应线上。学生从图像上不难看到烛蜡的图像是一条持续上升的曲线，而冰的图像则是先上升再水平后上升的，其中那段水平线表示冰从固态变成了液态。学生马上就归纳出熔化的特点：一是冰（晶体）熔化时温度不变，烛蜡（非晶体）熔化时温度升高；二是两种物质熔化时都在吸热。此后学生看到这样的图像，也不必借助确凿的数据，就能立即判断是晶体还是非晶体。

数形结合是初中物理学习中非常常见的方法之一，它在热学、光学、力学等领域都有广泛应用。利用数形结合的方法，引导学生建立物理模型，可以培养学生良好的形象思维习惯，提升学生对物理概念、物理规律的理解深度。

2.等效替代，引导化繁为简

等效替代法，顾名思义就是采取其他实验器材、研究方法等替代原来的器材、方法，取得相同的研究效果。

早上起床后，我们通常会对着镜子梳洗一番，镜子中的“人”是镜子前的人的像。在学习“平面镜”这一节时，由于这个成像看得到，但摸不着，因此无法直接探究这个像跟物体之间的关系。所以在选择实验器材时，可以利用茶色玻璃板替代普通的平面镜，一方面，茶色玻璃板也能成清晰的像，达到该实验的效果；另一方面，茶色玻璃板是透明的，可以用一个与茶色玻璃板前完全相同的物体来替代玻璃板后的像，便可以确定了这个像的位置，再用刻度尺分别量出像和物体到平面镜的距离并比较，从而得出像与物到平面镜的距离相等的结论；此外，由于玻璃板后的物体替代了像，通过观察像是否与玻璃板后的物体重合，确定平面镜所成的像与物体的大小是否相等。

在该探究活动中，教师两次利用了等效替代法，一是用玻璃板替代平面镜，二是用与玻璃板前完全相同的物体来替代玻璃板后的像，有效的化解了因平面镜所成的虚像给探究活动带来的困难。

等效替代法听起来较为深奥，但在探究活动中比较容易实施。进行等效替换时，一定要抓住问题的本质。在物理探究过程中使用等效替代的思想进行活动，可以引导学生从繁杂的物理问题中走出来，实现思维的提升和发展。

二、归纳具体方法，提升解题效率

除蕴含在物理学科中的思想外，在物理学习中还有一些具体的方法值得采纳，比值定义法与控制变量法是初中物理中最常见的两种方法。

1.比值定义法，反映物质属性

比值定义法就是用两个物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法。

如在“物质的密度”这一节中，物质的密度这一物理量，就是典型的应用比值定义法的概念。探究活动中，教师首先准备三个材料相同、大小不同的长方体铁块，让学生用天平分别测出这三个铁块的质量，再用刻度尺分别测出这三个铁块的边长，求出它们的体积，将测得的质量和体积填入表格，引导学生寻找质量和体积之间存在的规律。学生借助数学知识发现质量增大n倍，体积也增大n倍，即质量和体积成正比，它们的比值是相同的。其次，教师给出三个材料相同、大小不同的长方体蜡块，让学生用同样的方法寻找蜡块的质量和体积之间的关系，发现三个蜡块的质量和体积的比值也是相同的。但这个比值与铁块的质量和体积的比值不同。然后继续引导学生分析比值相同或不同的原因，让学生了解质量与体积的比值反应了物质的一种特性，就用密度这个物理量来表示物质的这个特性。这样，就非常顺理成章地得出：质量与体积的比值就是密度。最后比值定义法得出密度概念后，教师还可以继续提供适量的煤油和酒精，分别测出它们质量和体积，求出密度，发现煤油和酒精的密度竟然是相同的，让学生了解到，不同的物质，其密度可能是相同的。

利用比值定义法得出的物理量常反映物质的基本属性，即它的大小与物质的种类有关，与定义它的物理量的大小无关，所以这类物理量与定义它的物理量之间不存在数学函数中的正反比关系。教师要引导学生理解为何可以在这类物理量中采用比值定义法，让学生真正理解物质的物理属性。

2.控制变量法，发现隐形规律

如果一个物理量A可能受到B、C两个因素影响，我们将保持C因素不变，研究B对A的影响；再保持B因素不变，研究C对A的影响，最后再综合起来得出规律，这种方法称为控制变量法。

例如我们在研究物体的重力势能的影响因素时，就采用了控制变量法。首先让学生猜测可能出现的影响因素，学生根据“由于物体被举高具有的能称为重力势能”这个基本概念，马上就作出猜测：物体的质量、物体被举高的高度；接着教师提问，我们该如何做才能得出结论呢？学生联系刚学完的动能，肯定会回答“用控制变量法分两步完成”。老师拿出实验器材，先分析如何在实验中体现重力势能的大小，然后可以让学生边演示边讲解。第一次让一个重物从某一高度自由落下撞击木桩，第二次让较重的重物从相同的高度自由落下撞击木桩，比较两次实验发现木桩陷入的深度增加了；第三次仍用第二次的重物，但从更高处自由落下撞击木桩，发现木桩陷入更深了。根据这个实验，学生不难得出结论：物体质量越大，被举得越高，重力势能就会越大。

值得注意的是，利用控制变量法描述物理量与其中一个因素的关系时，一定要先说明控制哪些因素不变，再说明这个物理量与该影响因素之间的关系。学生在回答实际问题时，往往会遗漏控制的条件，导致结论不完整。

控制变量法是初中阶段最常用的一种研究方法。控制变量法可以引导学生一步步排除无关因素的干扰，得出研究的物理量与影响因素之间的关系，有效加深了学生对物理知识的理解。

三、加强逻辑推理，优化解题过程

1.演绎推理，分析个别情况

物理是一门与逻辑思维紧密相关的学科，因此提升学生的解题能力还要加强学生在解题过程中的逻辑推理，实现解题步骤和思维的优化。

演绎推理就是根据已有的一般规律，通过分析推导得出个别性的规律的一种科学思维方式。通过演绎推理，可以利用大规律下的经验，与个别案例所得的结论相对比，实现对个别情况的细致分析。

如在“牛顿第一定律”这一节中，学生学习了牛顿第一定律相关的物理知识后，此时教师就可以让学生根据牛顿第一定律进行演绎推理，分析相关的物理问题。在探究过程中学生都知道小车在运动时轮子与地面之间存在摩擦力，而且这个摩擦力的方向与小车运动的方向相反，正是这个摩擦力迫使小车的运动速度不断减小直至静止下来。接着我们分析一下摆锤的状况。我们看到摆锤除了与细线相连，并没有与地面接触，但是摆锤摆动的幅度却越来越小，最终还是会处于静止状态，这是为什么呢？学生此时就会想到，摆锤在空气这一介质中运动，虽然看不见但是摆锤与空气之间也存在摩擦力，而且这个摩擦力的方向也与摆锤摆动的方向相反，所以也应该是摩擦力迫使摆锤改变了它的运动状态。

进行演绎推理是锻炼学生逻辑推理能力，培养学生逻辑思维的重要方式之一。在初中物理学习的过程中，定理、定律属于一般性的大规律，而物理题目则属于个别情况，利用演绎推理可以让学生迅速找出解题方法，提升解题效率，实现对问题的优化解答，这样的过程也有助于培养学生的物理科学思维。

2.类比推理，分析关联情况

开普勒曾说类比推理是自己最好的老师。类比推理就是先分析比较两个研究对象之间有某些相同或相似的属性，再经过推理其他属性也是相同的过程。利用类比推理，可以分析物理量之间的关联情况，实现对物理现象的深入理解。

在学习“电压和电压表的使用”这一节时，就可以引导学生进行类比推理。利用看得到的、学生熟悉的水压和水流类比看不见的、比较抽象的电压和电流。学生根据日常生活经验知道，水管水压较大时，水流就较大；水压较小时，水流就较小；没有水压，就没有水流，所以水压是形成水流的原因。那么同理，电压是形成电流的原因。水压迫使水只能沿着水管向某一方向移动，形成水流；同理，电压也迫使电荷定向移动，形成电流。水泵提供水压，同理，电源提供电压等。

需要注意的是，利用类比推理时，杜绝利用抽象的现象类比抽象的现象。引导学生进行类比推理，有效地培养了学生的逻辑思维能力，提升了学生的联想能力和举一反三的能力。

借鉴认知发展理论的教学方法，可以有效培养学生的物理科学思维，推动学生努力学习物理知识，促进学生不断提升学习物理的能力，提高学生的学习水平。