指向科学思维发展的物理认知模型建构策略

张煜

物理学是基于观察与实验，建构物理模型，并引用数学等计算方法，通过科学推理和论证的一门基础学科。物理学对人类的思维方式和价值观念都会产生巨大的影响，而这些主要是通过物理教学实施来实现的。物理课堂作为物理教学的主要方式，探究教学方式对学生的发展具有深刻的影响。探究教学不仅需要学生在做中学，也需要关注学生的认知建构来指导适合的教学方法。在实际课堂教学中常常会发现很多同学虽然上课很认真地听讲，老师所讲的内容也能明白，但是在做课后练习时却发现无从下手，甚至出现相同的题目，改变一个条件就解决不了，这就导致了在很多同学心中觉得高中物理是最难学的一门学科。

这些年国内外不少物理学者也在研究是什么原因导致这些问题产生的。他们得出的结论主要包括教师在教学过程中没有较好地引导、激励学生主动思考；没有有效地让学生理解所学物理知识与实际生活中的应用和缺乏对学生逻辑推理能力和科学思维能力的培养。针对以上出现的现象和产生的原因，我们尝试使用穆良柱教授的物理认知模型来进行教学设计，寻找解决上述问题的方法。

一、物理认知模型

物理学是自然科学中的基础科学之一，它是研究自然界中物理的基本结构、相互作用和运动规律的科学。物理学发展过程促进了人类生产生活方式的变化，对人类的思维方式、价值观念等产生了深远的影响。穆良柱教授认为物理学是在人们对自然的探索中通过不断积累认知过程中发展起来的，所以其从物理认知的角度总结归纳了物理认知模型，如表1所示。

穆良柱教授将认知阶段分为三大类，其中前两个过程对应实验物理认知阶段，中间三个过程对应理论物理阶段，最后三个过程对应应用物理认知阶段。从这个认知模型中我们可以看到科学与技术的差别，同时也更加清晰地阐述了物理学理论和实验的关系，即实验物理为理论物理的发展提供灵感，而理论物理又可以预言解释实验。而这恰好正是人类发展科学的一般途径。

我们根据这个物理认知模型在实际教学中进一步阐释。在具体的教学活动中首先通过对实际的物理现象进行观察，让学生思考其中会包含哪些物理规律。然后教师找到类似的物理规律相应的现象，让同学们认真观察其所包含的物理本质。在此基础上学生逐渐发现他们的共同点，就可以选择合适的对象进行分析，那么就可以让同学们选择一种理想的实验器材来更好地观察，激发了同学们创新实验的热情。在理想实验的基础上可以保留最本质的运动规律，多次实验，通过观察、实验和运用合适的数学工具对其分析，让同学们发现其包含的物理规律和物理法则。最后运用这一规律分析实际生活中的问题。

基于此物理认知模型，我们对人教版高中物理教材选修3-4中的“波的形成与传播”这一节内容进行了教学设计研究。

二、基于物理认知模型的教学设计

（一）将绳子一端在远处打个小结，然后向学生提问：“怎样才能站在远处将小结打开？”学生会根据生活经验，很自然地会就知道拿着绳子的另一端不断地上下抖动绳子，绳子的波动逐渐地传递到打结处，打结处慢慢地就松动了。学生对这样的生活现象有着感性认知，但认知的程度不够，不理解其包含的物理规律，通过设计这样的实验过程，让学生参与其中，增强课程的趣味性，同时也为后面提炼相关概念做好铺垫。

（二）波是一个非常抽象的概念，为了让同学们对这个概念有个形象生动的认识，需要我们用形象直观的方法来表达出来，所以课堂上继续让同学们观察抖动绳子的过程，绳子上产生的图像，这样就可以让学生对波动的概念有个更加清晰地认识。在此基础上就可以方便直观地向同学们介绍波的概念，紧接着让同学们思考怎样才能形成波？

（三）由于学生第一次学习波的概念，所以通过观察很难得到波的形成条件，因此老师通过一些合理地引导，让同学们发现问题。如果拿着绳子的手不抖动会形成波吗？手如果抖一次会看到什么呢？如果没有绳子只是手上下抖动会形成波吗？通过以上的问题和实验过程，同学们会逐渐总结出要想形成波，需要有质点和连续的物体才行，进而老师让学生明白连续的物体本质上就是介质的含义。那么波具有什么样的特点呢？这就需要选择一个合适的对象进行研究才行。学生会发现需要对介质中的一个一个质点进行研究，那么怎样才能获得一个一个质点？通过这样的设问和讨论，激发了同学们对创新实验的热情和鼓励了同学们积极思考的学习态度。

（四）学生在以前学生过质点的运动，对质点的常见运动有直观清晰地认识，但是这里却是多个质点一起运动，就会使问题变得异常复杂。另外波的形成需要振动，而振动是学生刚学习的新概念，这就增加了这一节学习的困难。为了让学生可以直观理解这一节运动，我们需要把物理学家的思维过程重现。为此在学生讨论的基础上，给出一个小小的实验器材。在这里可以把一个一个小球通过绳子依次连续吊起来，然后再通过一根绳子把这些小球依次连接起来，这样就可以方便地满足波形成的两个条件。我们就可以从下面观察小球运动的情况来研究波的传播问题。

（五）将第一个小球上下振动一次，我们会看到紧接着各个质点依次振动下去，初次振动方向向上，并且可以看到一个完成的波形逐渐向前传播。如果将第一个小球先向下振动一次，会发现接下来每一点都会先向下振动，然后一个完成的波形依次振动下去。将第一个小球上下振动两次，会发现后面有两个波形向前传播，并且每一个小球都会上下振动两次，然后停止下来。

（六）一个新的物理概念的形成，需要将学生生活中的“碎片化”的知识、感性的认识综合起来。我们可以通过设置一个一个问题串，激发学生的求知欲，通过演绎推理、类比等思维方式进行优化整合，以达到知识的重构。在以上实验观察的同时，引导学生注意以下问题：①观察其中某个任意小球的运动情况；②由第一个小球振动开始依次观察每一个小球的第一次振动（起振）方向；③观察每个小球运动的顺序；④观察每一个小球和第一个小球的振动时间有什么特点；⑤第一个小球上下振动一次，波形向前传播特点；⑥波形运动方向与小球运动方向具有什么样的关系。学生在以上问题的基础上观察得出波形运动的规律：①波在传播过程中每个质点都在自己的平衡位置附近做简谐振动，一会儿质点位于波峰位置，一会儿出现在波谷位置；②每个质点的起振方向都和波源的起振方向相同；③在振动的过程中前面的质点带动后面的质点振动，并使得振动形式逐渐向外传播；④后面每个质点的振动情况都和波源的振动情况一样；⑤波形在空间上具有周期性，并且波源上下振动一个周期，波形会向前传播一个波形，也就是一个波长；⑥波传播的方向上和质点振动的方向互相垂直。用公式可以表达运动具有的特点为v=λ/T或者v=x/t。该过程思维表达如图所示。

（七）总结了波的形成与传播的概念和规律后，进一步引导学生思考质点运动方向和波传播方向的关系，从而给出这种波的传播方向和振动方向互相垂直的波称为横波。在大自然中还存在波的振动方向和传播方向在同一直线上的运动，我们把这样的波称为纵波，进而指导学生运用逻辑推理的方式大胆给出纵波的运动性质和运动规律。为了让学生直观地看到和验证所猜想的纵波的性质，我们在课堂上利用纵波演示仪演示纵波传播过程中的图像，让学生可以清晰地看到纵波运动的特点。另外给学生介绍声波是纵波的概念，但是由于声波在空气中的形成与传播是看不见的，那么设计怎样的实验才能验证声波是纵波这一概念呢？引发同学们积极思考在音响前面张贴一张薄膜，在薄膜上面放上一块硬币，随着音响发出声音，学生会看到硬币也在不断地上下跳动，改变增加声音的频率，就会发现硬币跳动得更快。通过增加这样的一个设计，让学生不仅体会到实验对研究物理问题的重要性，还可以激发学生对物理创新实验设计的兴趣。

（八）在近几年的几次地震中，我们经常会看到地震前电视中、短信中会提前收到地震倒计时，为什么现在我们可以事先知道地震什么时候到来呢？原来地震中不仅存在纵波，也存在横波。通过科学计算发现纵波的传播速度比横波的速度大。进而引导同学们思考，在地震中是纵波的破坏性大，还是横波的破坏性大？我们是怎样来预测地震呢？在同学们讨论之后，我们给出答案。事实上在地震发生后，我们就会先收到纵波的信号，再根据科学的计算，可以预测横波到来的时间，那么我们就可以预测地震了。我们目前预测地震的方式并不完善，还需要努力学习，开发更加有效合理的方法来预测地震。通过这样的教学设计，不仅让同学们把理论知识和生活实践结合起来，还激发了同学们科学的探究精神。

教学是一门艺术，在物理教学中需要设计巧妙的、创新的教学设计，才能获得良好的教学效果和激发学生的学习兴趣。基于穆良柱教授提出的物理认知模型而进行的教学设计是符合科学家发现物理规律的一般方法，是从生活中常见物理现象开始，从实验的角度总结物理规律，再把得到的物理规律应用到实际生活中的认知规律来指导教学，将教学内容和物理思想方法合理地结合在一起，在教会学生知识的同时，也全面培养了学生的实验物理认知能力、理论物理认知能力和应用物理认知能力。在此理论的指导下，教师的教学思路可以沿着最有效的方式进行，还可以根据学生的特点，在各个实际教学过程中穿插合理的教学活动，使得课堂的教学设计更加灵活和高效。

物理认知模型下的教学设计，在实施过程中充分体现了学生为主体，教师为主导的教学理念。教师在实际教学过程中主要扮演指引者和启发者的角色，让学生一步一步沿着科学研究的方法主动思考，发现物理规律，最后与实际生活中的问题联系起来，激发同学们学习的兴趣和学以致用的态度，有效培养了物理思维能力和解决实际问题的能力。