罗国忠

(广西教育学院教研部,广西 南宁 530023)

惯性概念建立过程的逻辑问题及解决

罗国忠

(广西教育学院教研部,广西 南宁 530023)

一些初中物理教材和教学从牛顿第一定律引出惯性概念时,存在逻辑缺失、突兀生硬的问题,导致学生囫囵吞枣. 基于学生认知规律和推理规则,本文重新设计了以演绎为主和以类比为主的两条推理路线,循序渐进展开推理过程,使学生不仅自然顺畅建立了惯性概念,还得到了思维熏陶和训练,从而达到学会、会学和乐学三维效果.

惯性;难点;演绎推理;类比推理;无意义学习

惯性概念一直是初中物理教学的重要难点,其研究颇多,但研究者关注更多的是惯性概念的理解,较少关注惯性概念的建立过程. 这一研究现状不利于惯性概念教学难点的全面突破,因此本研究主要关注惯性概念的建立过程. 从推理思维视角进行比较,发现教材和教学主要以两种方式建立惯性概念:第1种从实验中引出惯性概念,属于归纳推理;第2种从牛顿第一定律中引出惯性概念,属于演绎推理. 笔者发现,在演绎推理时教材和教学存在逻辑缺失、突兀生硬的问题,以致学生似懂非懂、囫囵吞枣. 本文以一套教材及相应教学为例[1],分析惯性概念建立过程存在的逻辑缺失问题,并尝试改进.

1 问题的发现及归因

1.1 教材片断

教材在得出牛顿第一定律以后,接着叙述:牛顿第一定律指出,不受力时,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将保持匀速直线运动状态不变. 物理学中,把物体保持静止或匀速直线运动状态的性质叫做惯性.

1.2 教学片断

在一节课上,教师基本按照教材的思路进行教学.在得出牛顿第一定律以后,教师说道:从牛顿第一定律可知,不受力时,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将保持匀速直线运动状态不变. 物理学由此认为物体具有保持静止或匀速直线运动状态的性质,这个性质就叫惯性……

一个学生提出疑问:为什么根据“不受力时,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将保持匀速直线运动状态不变”,就可以知道“物体具有保持静止或匀速直线运动状态的性质”?

疑问出乎意料,故教师楞了一下,反问学生:难道还看不出来吗?

学生小声咕嘟:怎么看?看不出……

从逻辑关系看,“不受力时,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将保持匀速直线运动状态不变”是现象或结果,而“物体具有保持静止或匀速直线运动状态的性质”是现象的原因,即两者是因果关系. 以上教材和教学进程都是先结果后原因,在逻辑上属于由结果追溯原因,但追溯直截了当,没有推理分析,没有商量余地,这样陡然的变化让学生猝不及防,一时回不过神,出现理解障碍,才会发出疑问,而教师则以反问“难道还看不出吗”来加以回应,意味着推理分析用不着. 学生需要推理分析,而教材和教师没有推理分析,让学生口服心不服,只能囫囵吞枣,出现了奥苏贝尔所称的无意义学习的典型症状,违背了“尊重学生主体、顺应学生认知”的新课程理念.

1.3 归因分析

1.3.1 教材和教师不知道怎样推理分析

从牛顿第一定律引出惯性概念,真的用不着推理分析吗?要回答这个问题,不妨先看看什么情况用不着推理分析?

(1) 两者关系非常简单,简单到一目了然,不言自明.例如,迎面来了一只动物,教师说:这只猫真可爱.如果有人偏要较劲:为什么说它是猫呢?教师可以反问:难道还看不出吗?因为凡是见过猫的人,其头脑储存着各种猫形象,只需把所见动物与各种猫形象进行模糊而快速地整体比较,就可迅即识别,这个识别过程是形象思维,根本用不着“因为……所以它是猫”的抽象思维,即用不着推理分析,只能意会不能言传. 如果硬要推理分析,反而将简单问题复杂化,多余累赘. 那么,对于“不受力时,原来静止的物体将保持静止,原来运动的物体将保持匀速直线运动状态不变”现象,能一目了然地看出其原因是“物体具有保持静止或匀速直线运动状态的性质”吗?显然学生看不出,否则他们就不会质疑和抱怨了.

(2) 灵感、顿悟.例如,当年牛顿发现各种物体不管怎样抛出去,最后都会落到地面,为什么会这样呢?牛顿一直苦思冥想,始终无果,终于有一天坐在苹果树下,被苹果砸中了脑袋而灵感迸发:哦……这应该是物体受到地球引力所致.诸如此类的大量例子说明,灵感的出现既有必然性也有偶然性,必然性指的是经过认真思考,思维能量积蓄到思维阈限时,就有可能出现思维跃迁;偶然性指的是思维跃迁出现在什么场合、时间等不确定,有时可遇不可求,你想时它不来,你不想时它来了[2]. 但是,这里学生根本没有思考余地,更不用说苦思冥想了,这时灵感会轻易来吗?

以上分析说明,既非简单的一目了然,也非玄妙的灵感、顿悟而获知“物体具有保持静止或匀速直线运动状态的性质”. 既然如此,就应该按照学生认知规律和推理规则,明确地展开推理分析,以理服人.

既然用得着推理分析,为什么教材和教师没有推理分析呢?为了弄清原因,下课后笔者与执教教师、几十名听课教师座谈交流. 教师的反馈大致有几种:教材是专家编的,不会有问题吧?教材这样编,就这样教呗;这也觉得有些不顺,但也没多想;也想过,但一下子想不出办法…也就是说,一些教师没有意识到问题,一些教师意识到问题,但找不到更好的解决办法,只好“原汁原味”地教教材. 或者说,教材和教师之所以没有推理分析,倒不是推理分析多余累赘,更可能的是教材编者和教师都不知道怎样推理分析,无奈之下只好直截了当、略掉推理分析了.

1.3.2 教材和教师隐含着残缺的推理分析

尽管教材和教师没有明确地推理分析,但实际上隐含着推理分析. 要弄清其隐含怎样的推理分析,首先要知道什么是推理?所谓推理,就是根据一个或一些判断得出另一个新判断的思维形式. 推理可分为演绎推理、归纳推理和类比推理,演绎推理是从一般到个别,归纳推理则从个别到一般,类比推理则从个别到个别. 从牛顿第一定律中引出惯性概念,这种方式不符合归纳和类比的特征,那就是演绎了. 演绎推理的一种典型形式是三段论,它包含3个部分:大前提——一般原理,小前提——特殊情况,结论——根据一般原理对特殊情况作出判断. 从三段论的角度来看,如果把牛顿第一定律当成一个前提,则惯性就是结论. 很明显,这个三段论缺少了一个前提,逻辑链条出现了残缺,属于逻辑缺失,难怪学生会出现认知障碍.

2 问题的解决

基于学生认知规律和推理规则,重新设计了以演绎为主和以类比为主的两条推理路线,循序渐进地展开推理过程.

2.1 以演绎推理为主,归纳推理和类比推理为辅

如果采用演绎推理的三段论,首先要寻找并补足缺失的前提. 如果把牛顿第一定律所描述的“不受外力的物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变”看成小前提(特殊情况),则需要寻找并补足缺失的大前提(一般原理). 已知小前提和结论,根据三段论进行反向追溯,可以推知大前提应该是“物体或物质某方面保持不变是一种性质”.

2.1.1 运用归纳推理得到大前提

启发回忆:一个物体不管位置、形状、状态等怎样变化,其质量保持不变,这是物体的一种性质;一种物质不管位置、形状等怎样变化,只要状态不变,其密度也保持不变,这是物质的一种性质……

不完全归纳推理:这些例子表明,物体或物质某方面保持不变是一种性质.

2.1.2 运用三段论进行演绎推理

因为物体或物质某方面保持不变是一种性质(大前提),而牛顿第一定律告诉我们:不受外力时物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变(小前提),所以不受外力时物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变也是一种性质(结论).

2.1.3 运用类比推理初步定义惯性概念

这种性质类似于通常所说的本性或习惯,因此把不受外力时物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变的性质称为惯性.

2.1.4 运用类比推理拓展惯性概念外延

学生疑问:受外力时物体也有惯性吗?

类比启发:受外力时物体还有质量吗?学生阅读时有阅读能力,不阅读时还有阅读能力吗?以此类推,不管物体是否受到外力,处于什么状态,它的惯性始终存在.

2.2 侧重运用类比推理

启发联想:牛顿第一定律已经指出,不受外力时物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变. 这意味着什么呢?……暂时想不出也没关系,请大家回忆一下,我们有哪些学过的知识也同样涉及到某种东西不变的?

回忆旧知:质量或密度等概念也涉及某种东西不变. 物理学把这些不变看成物体或物质的一种性质.

类比迁移:类似地,不受外力时物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变,我们是否也可以把这看成是物体的一种性质呢?这种性质类似于我们通常所说的本性或习惯,这样我们就把不受外力时物体保持静止状态或匀速直线运动状态不变的性质称为惯性.

……(接下来与第一条路线类似)

实践表明,以上两条推理路线逻辑清晰,循序渐进,更符合学生认知规律和推理规则,因此学生注意力集中、思维活跃,不仅自然顺畅地建立了惯性概念,还得到思维熏陶和训练,达到了学会、会学和乐学的三维效果.

值得注意的是,两种推理路线都用到了类比. 类比激活了学生的已有经验或知识(类象),为新知识(本象)的产生提供了生长点;类比搭建了快捷认知通道,让学生茅塞顿开,轻松越过认知障碍,不仅领略了类比推理的奇妙,还拓展了思维空间. 但是,可能有教师提出疑虑:把物体的惯性与物体的质量、物质的密度、学生的阅读能力进行类比,学生会不会混淆?例如,尽管每个学生始终存在阅读能力,但阅读能力会发生波动,经过努力也会提高,而一个物体的惯性却不会发生变化. 这确实是有益的提醒,不过应该知道:任何类比中的本象(这里是惯性)和类象(这里是质量、密度、阅读能力)都不是相同,而是类似,即有同有异,我们利用的是同的方面,同时要警惕异的方面. 给学生交代清楚,我们是在假定阅读能力稳定前提下进行的类比. 事实表明,学生容易接受这些类比,也能区分本象和类象之间的异同,不会产生负面影响.

3 结语

这节课讲有形物体的惯性,但教材和教师也暴露了自身无形思想的惯性,教材或教师本位的传统思想惯性在作祟,以致忽视了“顺应学生认知”新课程理念. 不同的是,物体惯性不可改变,但思想惯性还是可以改变的,当然也不会轻易改变. 不管怎样,“打铁必须自身硬”,教材和教师只有打破传统思想惯性的桎梏,顺应学生的认知规律,从学生本位而非教材或教师本位出发设计教材、教学,才能让学生学得口服心服,达到学会、会学和乐学三维效果.

1 华东地区初中物理教材编写组. 物理八年级下册[M]. 广州: 广东教育出版社, 2015.

2 田世坤, 胡卫平. 物理思维论[M]. 南宁: 广西教育出版社, 1996.

本文系广西教育科学“十二五”规划2013年度广西普通高中课程改革专项课题“高中物理探究教学有效性的实践研究”(2013ZJJ042)研究成果之一.

2017-04-12)