“优雅”物理:以优雅的方式呈现物理学的理性之美 星空体育网页版(中国)官方网站/登录/入口 陈国文 我的脑海里常浮现一个问题,如何归纳出物理学的思维方式,并以一种优雅的方式呈现给学生,培养他们良好的思维方式。每当走进课堂,我总希望自己是一个优秀的“导游”,带领学生去领略物理领域那一道道亮丽的风景,看一看麦克斯韦用四个优美的方程实现电和磁的统一,听一听爱因斯坦用小提琴雅致地奏出的“引力波”,逛一逛布赖恩·格林认为的由美丽的“弦”构成的优雅宇宙。显然,物理学并不像人们想象的那样冷峻深邃让人敬畏,而是触手可及的优美和高雅的浑然一体。物理学的原理结构有它美妙的地方,如果懂得它的逻辑的思维方法,这种“理性美”将引领人的自我认知和自我发展。用“优雅” 诠释物理,更能呈现物理学的理性之美,让更多的人享用物理思维方法带来的无穷益处。 一、“优雅”物理教学主张的提出缘由 物理学是优雅的,具有强大的文化力量。物理学具有对称美。如磁场存在两极的空间对称,万有引力定律与库仑定律的数学对称,分子热运动的三个维度几率相等的抽象对称。物理学具有简洁美。在理论上复杂的物理世界可以逻辑地归结为若干基本概念和原理,在研究方法上可以通过有限个实验归纳出一般的结论。物理学具有和谐美。如不同分支之间的现象、概念、规律互不矛盾,高级理论对低级理论的包容,各分支间存在互补。物理学具有多样统一美。牛顿定律把“天上”和“凡间”的运动规律统一,麦克斯韦电磁理论将电和磁的统一,“弦理论”试图将广义相对论与量子力学统一。物理学本身的“对称、简洁、和谐、多样统一”等特性,具有强大的文化力量。 “优雅”物理既是一种教学方式,更是一种教学艺术, 一种充满人性的教育智慧,是物理教育的美学境界。美国波士顿公共电视公司制作的《优雅的宇宙》纪录片,是根据哥伦比亚大学的物理学教授布赖恩·格林撰写的《优雅的宇宙》(The Elegant Universe)一书改编创作的。布赖恩·格林把深奥的物理理论与现实和物理的世界紧密结合,用浅显易懂的话语向大众解说宇宙的奥秘。他渊博的知识,迷人的风范,深入浅出的解说,把超过大多数人思维所能达到高度的“弦理论”(String Theory)说得那样触手可及,让众多观众兴趣盎然。物理教学深受“考试文化”的影响,高度关注一般的、抽象的知识与能力的培养及量化评价,脱离现实生活情境,忽视知识与认知技能的获得对相关情境的高度依赖性,其结果不仅导致学生知识迁移与社会适应能力的缺失,而且严重制约了学生的全面发展。如果我们能像布赖恩·格林一样教物理,那将会是多么美妙的“艺术”课堂。 我们的社会真的是亟需“优雅”的回归。北大章启群教授认为:“一个失去优雅的国度,无论他的人民多么富足,却免不了总带着俗陋、野蛮的气息。”作为教师,更多的是在思考,我们的教育该如何培养出优雅之人?杨振宁博士在《美与物理学》的讲座中,在评价物理学家狄拉克时,引用唐朝高适的诗“性灵出万象,风骨超常伦”。学习物理能提升人的“性灵(智慧、聪明)”,而性灵使人潇洒飘逸,自然形成脱俗的风骨和优雅的气质。用“优雅”诠释物理,是对物理教育研究视角的一次拓宽,更是对 “优雅”回归的坚定期盼。 二、“优雅”物理教学主张的内涵 “优雅”英文的本意是“Elegant”,用于指文字、想法、计划时其内涵是“简洁、巧妙”,用于指人或物时,其内涵是“优美、雅致” 。“优雅”的意蕴主要包括:简洁指简明扼要,没有多余的内容;巧妙指精巧美妙,灵巧高妙;优美指主体与有审美价值客体间的和谐统一;雅致指高雅的意趣,美观而不落俗套。对“优雅”的基本认识为我们深入探讨“优雅”物理提供了词意基础和视角基础。在此基础上,进一步挖掘“优雅”物理的特定内涵。第一,物理学不仅对客观世界的规律作出了深刻的揭示,还形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。杨振宁博士认为物理学蕴含美的本质,是“造物者的诗篇”。 物理理论源于观察和实验,并通过实验检验,设计精巧的实验,能凸显“关于自然现象的科学思想方法”。物理规律依赖于数学语言描述,体现了物理学的简洁明快。物理理论表现出“自洽、对应、互补”的和谐,其“优雅性”往往是判断理论真实性的一种直觉。从心理学角度看,用“优雅” 诠释物理,能充分展示美丽无比的物理世界和精妙绝伦的物理思想方法,让学生愿意亲近物理,走进物理,从实验探究中体验无穷的快乐,从理论研究中诞生精彩的理念,从物理学史中汲取珍贵的营养。 第二,物理学的“弦理论”是为了统一并解释广义相对论和量子场论,但现在不能、可能永远不能进行直接而可行的实验验证。物理学家认为“弦理论”的明晰性、优雅性、唯一性和自洽性不是巧合特征,而是显示理论真实性的标志。“以一种统一而优雅的最终形式而可被理解,其优雅性和自洽性表明其本质正确性”。(菲利普·利普克·罗马尔《弦论的认识论》)从认识论的角度看,用“优雅” 诠释物理,提供了一个辨别事物是否真实的视角,不为纷繁复杂的表象所迷惑,给学生一双看清世界的“慧眼”。 第三,“优雅”物理是基于情境学习理论的生态化教学。情境学习理论认为:知识是在学习者和学习情境的互动、学习者与学习者之间的互动过程生成的。生态化物理教学要求教师,主动开发“潜在”资源,充分利用“创生”资源,营造对学习者有意义的真实情境,组织有利于发展学习者主体性、独特性和社会性的活动,从而促进学习者有效达成物理教学目标的过程。“优雅”物理课堂倡导回归自然和生命、流淌挚爱和真情、唤醒灵性和天赋,让学生在真实情境中体验、表达和交流,实现个体经验与教学情境的最佳耦合,促进学生自主的意义建构。 三、“优雅”物理教学主张的观点和内容 “优雅”物理教学,是指教师充分利用教学资源设计真实的问题或任务情境,为师生的共同研究提供有力支撑;给教学注入研究的元素, 让学生在知识的探究中产生自己的思想、体验和理解,教学过程是师生共同创造新知的过程;教学不仅追求教学目标的达成,更追求唤醒学生的灵性与天赋。 中学物理课程中的物理观念包括描述物质属性的观念和量度物质运动的观念,只有教师清晰地、系统地理解这些物理观念,才能以物理观念统领物理教学,实现物理课程目标。在教材内容研究中,要意识到知识与认知技能的获得对相关情境具有高度依赖性,以“描述物质属性的观念”的统领下开发“潜在资源”, 对“故事、现实问题、生活常识、科技成果与自然现象” 赋予物理意义,以“量度物质运动的观念”的统领下开发“创生资源” 设计显现智慧的真实实验。 真实情境为师生的共同研究提供有力支撑。使教学内容问题化、任务化,这种问题或任务由于具有真实性而使学生感到对自己有意义,进而产生学习和探究的欲望,这种情境要体现与所学内容高度相关,要体现简洁性,让学生能清楚与情境互动的价值。 教学过程是师生共同创造知识的过程。把“教学”与“研究”结合起来,用研究的意识、思维、视角、观点、方法开展教学,教学的本质是倾听和对话,学生在知识的探究中产生自己的思想、体验和理解,教师在研究学生的理解中提升教学智慧。 教学不仅仅追求教学目标的达成,更追求唤醒学生的“灵性与天赋”, 帮助学生“产生、遵循和发展自己的观念”,提供让学生“诞生精彩观念的机会”的教学是学生讲解交流、教师倾听的过程,在理解学生想法的基础上,帮助学生在课堂上实现人生价值的追求。 三、“优雅”物理教学主张的实践 (一)“优雅”物理教学主张的教材化研究 将知识转化为真实情境是参透“优雅”物理教学主张的教材解读的最佳方式。 1、将知识转化为真实情境的理论视角 根据情境学习理论,真实情景应达到以下要求:一是情景必须是简洁的,突出反映使学生对现有的知识产生不满,即认识到需要发展或需要修正;二是情境必须是精巧的,能集中反映物理现象,即学生能懂得其物理内涵;三是情景必须是和谐的,即情景与学生的经验、信念和直觉具有一致性;四是情境必须是有效的,即能够解决面临的问题,可以用来解释和预测物理现象。 2、将知识转化为真实情境的策略 我们以相对论中“引力波”的概念介绍为例来说明如何以“简洁、巧妙”的方式将物理知识转化为问题情景。在教材中引力波的知识介绍为:“相对论中,爱因斯坦则认为引力是一种跟电磁波一样的波动,称为引力波,引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。”这一段高度浓缩的知识让人感到头晕脑胀。通常介绍科学家在心满意足地使用牛顿的万有引力定律时,却忽视了牛顿深怀尴尬的秘密,他对引力产生原因毫无头绪。我们设计这样的一个宇宙灾难,如果太阳突然无征兆地消失,地球将如何运动?学生按牛顿运动定律理论,可以判断地球将立即离开它的轨道倾斜地飞向宇宙空间。牛顿认为引力是超越任何距离的瞬间作用。我们知道,光从太阳到地球需八分钟,引力的传播速度会超过光速吗?带着疑惑,基于相关理论,我们可以“物体放在绷床上”为情景,展示“时空弯曲”的情况,用“投入湖中的石块激起的水波”为情境,展示太阳消失引起扰动造成沿空间结构延伸的引力波。 我们以简洁的方式提供 “从牛顿的尴尬到爱因斯坦的思考”这样一完整、真实的问题,还原知识产生的背景,恢复其原来的生动性、丰富性,使学生意识到对“引力”的思考需要发展和修正。精巧的“宇宙灾难”模拟实验情境,集中反映了太阳引力作用下的行星以及行星做“离心运动”等物理现象。为使学生能理解其物理内涵,应该在情境中链接与新知识有关的前期知识与方法,如光速是宇宙中速度的极限的知识及物理学中的类比方法。情境中应蕴含物理的思维,用一种或多种方法来统领其他的要素,学生能用自己原有的认知来审视所面对的事实。以“弯曲的绷床”类比“时空弯曲”,以“水波”类比“引力波”,这种和谐的“优雅”能增强对“真实性”的信念和直觉。有效的情境应该是从实际问题中提取相关信息,寻找物理对象在变化过程中满足的规律,起到“解释”和“预测”的作用。学习“引力波”能对引力的本源问题进行科学的解释,并对其他的现象进行预测。 3、解决真实情境创设的途径 利用物理学史还原真实情景。比如,在《牛顿第一定律》教学中,了解牛顿第一定律产生的历史背景、形成和发展的过程能更深刻理解它的本质,从人类开始思考“力和运动的关系”到形成牛顿第一定律历时两千多年,这其间凝聚了无数人心血,也走了一些弯路。提供给学生的素材中增加了亚里士多德的生平,黑格尔对亚里士多德的评价,介绍伽利略理想斜面实验的科学思想和这种思想对物理学发展的影响,爱因斯垣与诺特尔对惯性定律的研究成果等。这样的教学内容还原了物理学史的真实情况,恢复了其原来的生动性、丰富性。 以学生的生活事件与经验设计真实情境。在日常生活中,学生已经接触到许多与科学有关的生活事件,形成了物理学习的前概念和相应的认知结构,其中有许多与自己前概念和认知结构相矛盾的体验和相应问题。教师在教学时可以利用高质量视频展示生活事件和科技事件,吸引学生、激发学生为追求答案而积极思维。 利用精巧实验设计真实情景。这种情景可以使学生以研究者的角色进入学习,学会科学地看问题、想问题,逐步了解物理学的探究过程和方法。例如在《磁生电的探索》这节课中,由三位同学背着教师将一枚硬币放置于其中一位同学手中,由教师判断硬币所在之处。教师伸出手臂,从学生的手臂上方划过,准确地判断出硬币所在之处,这样的情景让使学生处于惊奇、困惑之中,教师进而揭密:硬币其实是块硬币式的磁铁,教师的袖子中藏有与发光二极管相连接的线圈,当线圈经过磁铁上方时产生感应电流,二极管发光,秘密就在于此。 (二)“优雅”物理教学主张的教学化研究 现以典型的规律课“闭合电路欧姆定律”为例,介绍“优雅”物理教学主张下的课堂教学。本课在参加第三届全国物理教学名师大赛中获一等奖,教学视频在中央电视台教育频道展播,课例研究论文发表在《福建基础教育研究》。 1、以真实实验为基础的,能引发学生与“前概念”的冲突,激励学生的思想交锋。为消除“电源两端的电压保持不变”这一“前概念”影响,引导学生对电源存在内阻的认识,本课教学中以三个演示实验设置问题情景。 演示一:四盏小灯泡并联,由四个电键控制,外电路如图所示。用四节干电池串联作为电源接入AB两端,逐一闭合电键,观察小灯泡的亮度变化情况;再逐一断开电键,观察小灯泡的亮度变化情况。 演示二:用恒定电压电源的直流6V档替换电池组,逐一闭合电键,观察小灯泡的亮度变化情况;再逐一断开电键,观察小灯泡的亮度变化情况。 演示三:在图示电路的干路上加一个约为0.5Ω的电阻(用二个1Ω的电阻并联),再按演示二的操作,观察小灯泡的亮度变化情况。 学生描述观察到的实验现象。 演示一:逐个闭合电键,灯泡变暗;逐个断开电键,灯泡变亮。(灯泡变暗,说明电源两端的电压变小。学生疑惑:谁分走了那一部分电压) 演示二:电键闭合、断开,灯泡的亮度几乎不变。(说明演示一中电压的减小不是由于导线分走电压所致) 演示三:逐个闭合电键,灯泡变暗;逐个断开电键,灯泡变亮。(学生猜想:是否可以认为干电池由恒定的电动势和定值内阻构成) 评析:三个简洁精巧的真实实验是用自制教具演示的,体现开发教学资源的意识。由于实验现象与学生已有的认知发生冲突,激发起发展认知的需求,在与情境的相互作用中产生新的想法。 2、采集真实实验数据, 为探究提供有效实据。 物理学作为一门以实验为基础的科学,观察和实验是提问题的基础。直观、形象的实验能激发思考,为知识的建构奠定基础。教学中为研究电源电动势产生的原因及内外电路电势升降情况,设置如下两个探究实验。 探究一:电源没有接入外电路时,电源电动势与极板电势提升的关系。实验中需要测出UAB、 UAD 、UCB 、UCD的电势差。用数字电压表实测数据为UAB=2.11V,UAD=1.50V, UCB=0.60V, UCD=0V。通过对实测数据的分析,可得到的结果是:UAB= UAD +UCB ,即电源的电动势,为电极附近由于非静电力做功,两次电势提升之和。 评析:在课堂中,采集到的数据能支持实验结论。但学生对UCD=0感到惊奇,通过讨论,学生认识到UCD=0的原因是内电路没有电流,内电阻上没有电势的降落。同时还提出:为什么正极板电势提升大于负极板?通过实验探究,共同研究了UCD=0的原因,学生对蓄电池的工作原理有所了解,并能提出引发新思考的问题。
探究二:在电源接入外电路的情况下,电源电动势与内外电路电势降落的关系。改变外电阻,测出几组内外电压。用两个数字电压表分别测出数据(如表所示)。 学生按下表记录数据,并进行分析,实验结果:U外+ U内=定值,通过与电源的电动势的数值进行比较得出:在闭合电路中,电源内部电势升高的数值等于内、外电路中电势降落的数值,即E = U外+ U内。 要求学生用能量守恒定律进行推导,并与实验结果进行比较,建构闭合电路欧姆定律。 评析:在整个实验探究中,师生合作得到的数据精确有效,为问题的解决提供真实的数据支持,通过与理论探究结论的比较,学生深刻地理解闭合电路欧姆定律。学生在分析数据中,支持了预测的结论。同时,学生还提出“随着外电路电阻的减小(即回路中电流的增大),内外电压之和小于电源电动势”的想法,在老师的引导下,了解到随着电流的增大,探针与极板之间存在的电阻的分压增大造成的影响。 3、以真实实验为载体,学以致用。 学生在学习了闭合电路欧姆定律后, 与原有认知产生了冲突,可以抓住学生这一矛盾心理, 积极引导学生对新旧知识进行比较, 促进同化。本节设计分组实验, 强化对所学知识的应用。 提供实验任务:按图示思路连接实物,调节滑线变阻器,观察电压表和电流表的变化规律,并解释实验现象。 评析:教师在活动设计中应考虑到:学生将实验所得到的分散信息联系起来会存在困难,应尽可能把实验目标、意图清晰地告诉他们,当学生了解到教师安排实验活动的意图时,将更容易达到预期的目标。 本节教学落实以下三条主线:关注知识的逻辑结构。本节课从三个实验对比入手引入新课,通过比较引发学生质疑,消除电源两端电压恒定的“前概念”影响,认识到电源内阻的存在。师生合作通过实验得到精确有效的数据,支持“电源电动势与极板电势提升的关系”和“电源电动势数值上等于内外电压之和”的结论,并通过与科学结论进行比较建构闭合电路欧姆定律。 关注学生的认知发展。学生要由“对部分电路的认知发展到对全电路的认知”和“对静态电路的认知发展到含源动态电路的认知”。本节课通过真实实验,先解决对电源的认识问题,再解决全电路中电势升降的数值关系问题,最后通过学生的实际操作了解电路的动态变化。梯度合理,以环环相扣的问题解决让学生获得认知水平的发展。 关注情境功能与教学效果的匹配。我们应当清醒地认识到:无论多么精妙的实验设计,理论不会从观察和操作中浮现出来。原因是:实验提供的信息是分散的,实验数据同理论需求的数据存在偏差,学生不能观察到教师想让学生观察的现象。在本节教学中存在“极板电势提升与电源电动势数值上的偏差”和“内外电路的电压之和随着回路电流的增大而减小”等实验情况。关注实验功能与教学效果的匹配,应及时捕捉学生的思维动态,重视学生的思维训练,通过预测-观察-解释等策略,把实验所给的信息联系起来,让学生有机会描述和解释,使实验与学生个人原有认知、同伴的观点发生共鸣,最终实现与教学效果的匹配。 “优雅”物理的提出具深厚的思想渊源,丰富的教育实践支撑,师者的艺术情怀。以优雅的方式呈现理性之美的灵性课堂中,同学生们一道感悟物理,感悟生命。
专著:《教学主张与名师成长》2017年7月出版,ISBN-7-5334-7759-2 |
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