摘要：教育是教人以智慧，教師應為思維而教.顯化方法是生長思維的有效途徑，實踐智慧是知識的價值體現(xiàn).從皮亞杰的雙重建構理論出發(fā)，通過“認知沖突”“主題強化”內(nèi)化建構等效法，生長思維；通過“物理習題”“原始物理問題”外化建構等效法，轉(zhuǎn)識成智.

關鍵詞：顯化等效法；思維；內(nèi)化建構；外化建構

作者簡介：劉權（1980-），男，江蘇蘇州人，教育碩士，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學.

教育是教人以智慧.教師應為思維而教，教會學生學會思維，學會解決問題.在知識與思維之間，知識本身并無價值，知識的價值存在于“解決問題”的過程中，知識發(fā)揮的是它思維訓練的價值.基于核心素養(yǎng)，教育通過知識培養(yǎng)人的認識能力，然后轉(zhuǎn)識成智，開發(fā)人的思維能力，形成創(chuàng)造性，最后化智成德，養(yǎng)成德性，使受教育者成為具有全人格的人[1].

杜威認為：“身體的生長是由于食物的消化吸收，同樣，思維的生長是由于教材的合乎邏輯的組織.”按照科學方法所展開的路子去編寫教材，是生長思維的有效途徑.科學方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的確定的思維程序和行為方式[2].采用科學方法的顯化方法來編寫教材，邏輯明確，脈絡清楚，容易使學生在學習中建立良好的認知結(jié)構，并形成有序的知識結(jié)構.這樣培養(yǎng)出來的學生往往具有很強的分析問題和解決問題的能力[3].

等效法也叫等效替代法，是物理學研究的重要方法之一，它是把陌生、復雜的物理對象、物理過程在保證某種效果、特性或關系相同的前提下，轉(zhuǎn)化為簡單、熟悉的物理對象、物理過程來研究其本質(zhì)和規(guī)律的一種思想方法.常見的等效法有對象的等效、模型的等效、過程的等效、運動的等效、作用的等效、原理的等效、圖形的等效和方法的等效等[4].

1內(nèi)化建構等效法，生長思維

從皮亞杰的雙重建構理論出發(fā)，在實際的物理教育中，教師向?qū)W生傳授大量經(jīng)過抽象的系統(tǒng)間接經(jīng)驗過程本質(zhì)上是一個認知的內(nèi)化建構過程.學生的聽課、做題、考試等環(huán)節(jié)都是圍繞著內(nèi)化建構而展開的[3].

認知結(jié)構通常是指學習者頭腦中擁有的知識結(jié)構，是知識和科學方法的心理組織結(jié)構，是學習者過去全部有意義學習的積累結(jié)果.只有當知識和科學方法轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生頭腦中的認知結(jié)構時，才具有能力的性質(zhì)[2].皮亞杰認為：當思維成功地把現(xiàn)實同化與它本身的結(jié)構，同時這個結(jié)構又順應于現(xiàn)實所出現(xiàn)的新的環(huán)境時，思維便很合適地適應特定的現(xiàn)實了[5].

11運用“認知沖突”，順應認知結(jié)構

順應是指改變內(nèi)部圖示，以適應環(huán)境現(xiàn)實.教師可運用“認知沖突”手段，打破學生已有的認知平衡，將“等效法”融入學生的認知結(jié)構，實現(xiàn)順應.

例1如圖1所示，一勻強電場與直角坐標系平行，A的坐標為（2，0），B的坐標為（0，3），O、A、B位置的電勢分別為0V，6V，3V.求電場強度E？

常規(guī)法：先找等勢面，根據(jù)電場線與等勢面垂直，確定電場強度方向，再根據(jù)U=Ed確定電場強度大小.

等效法：如圖2所示，先根據(jù)O、A電勢確定電場強度在x方向的分量Ex，根據(jù)O、B電勢確定電場強度在y方向的分量Ey，再利用Ex、Ey和E的等效關系，得到電場強度E.

認知沖突：在解題效率方面，等效法優(yōu)于常規(guī)法；在認知負荷方面，等效法只要求學生使用電場相關的基本知識和方法，而不用去找等勢面，認知負荷降低.

例2如圖3所示，一單擺處在水平向右的勻強電場中，小球帶正電，讓小球從最低點A靜止釋放，請找出小球上擺的最高位置B？已知小球重力是電場力的3倍.不計空氣阻力.

常規(guī)法：小球在重力、拉力和電場力共同作用下，上擺到最高位置B.設擺長和最高位置上擺的夾角，再利用動能定理，得知小球克服重力做功等于電場力做功.運用數(shù)學三角函數(shù)關系，得到小球上擺的夾角為60°.

等效法：如圖4所示，利用合力與分力的等效關系，得到重力和電場力的合力F（不變），再根據(jù)動能定理，得到合力F做功等于0，即F與AB線段垂直.迅速得知三角形OAB為等邊三角形.

認知沖突：在解題效率方面，等效法優(yōu)于常規(guī)法，物理方法優(yōu)于數(shù)學方法；在認知負荷方面，等效法只要求學生使用功能相關的基本知識和方法，而不用去設置過多的物理量，用數(shù)學表達式求解，認知負荷降低.

12運用“主題強化”，同化認知結(jié)構

同化是指把環(huán)境因素納入有機體已有的圖示或結(jié)構中，以加強和豐富主體的動作.此處的圖示在本文中是指“等效法”，而對應的動作是指“等效法”的強化應用.教師可以運用“主題強化”手段，強化學生在同類情境中運用“等效法”的意識，實現(xiàn)同化，形成自覺行為.使學生產(chǎn)生一種對問題的敏感性，用等效法迅速地抓住問題的要害，找出解決問題的途徑.

121模型強化

例3如圖5所示，水平放置的U形金屬框架中接有電源，電源的電動勢為E（內(nèi)阻不計），框架上放置一質(zhì)量為m、電阻為R的金屬桿ab，它可以在框架上無摩擦地滑動，框架兩邊相距L，框架處在勻強磁場當中，磁感應強度為B，方向垂直框架向下請求出穩(wěn)定時金屬桿ab的速度大小？

如圖6所示，將圖5中的電源換成充好電的電容器（電容為C，電荷量為Q），其它條件不變.請求出穩(wěn)定時金屬桿ab的速度大??？

如圖7所示，將圖5中的電源換成運動的金屬桿cd（質(zhì)量為m、電阻為R），讓金屬桿cd以速度v水平向右切割磁感線，其它條件不變.請求出穩(wěn)定時金屬桿ab的速度大??？

等效法強化：圖6中，將充好電的電容器等效成圖5中的電源，不過電容器在放電的過程中，電容器兩極板的電壓不斷減小，可以看成是一種電動勢變化的電源；圖7中，將切割磁感線的金屬桿cd等效成圖5中的電源，不過運動的金屬桿cd向右運動，產(chǎn)生感應電動勢（隨v的改變而改變），可以看成是一種電動勢變化的電源.接下來圖6、圖7處理分析金屬桿ab的運動的思路和圖5方法相同.

122過程強化

例4如圖8所示，豎直放置的等螺距螺線管高為h，該螺線管是用長為L的硬質(zhì)直管（內(nèi)徑遠小于h）彎制而成.一光滑小球從上端管口由靜止釋放，求小球運動到底端的時間？

如圖9所示，小球從地面以初速度v做斜拋運動，不計空氣阻力，求小球落地時水平位移？

如圖10所示，在場強為B的水平勻強磁場中，一質(zhì)量為m、帶正電q的小球在O靜止釋放，小球做擺線運動，求小球運動到最底端的y坐標值？

等效法強化：圖8中，將小球的螺旋線運動等效成小球沿高度為h，長度為 L的斜面運動；圖9中，將小球的拋物線運動等效成兩個方向直線運動的合運動（小球以vx向右做勻速直線運動和以vy向上做加速度為g的豎直上拋運動）；圖10中，將小球的擺線運動等效成直線運動和圓周運動的合運動（小球以v向右做勻速直線運動和以v逆時針做勻速圓周運動，其中v滿足mg=Bqv）[6].

2外化建構等效法，轉(zhuǎn)識成智

從皮亞杰的雙重建構理論出發(fā)，外化建構是學生把在課堂上所學知識用來解決物理問題的過程.應當明確指出的是，學生解答物理習題的過程并不是認識的外化建構過程，而是認識的內(nèi)化建構過程.對此，楊振寧教授指出：“僅僅讀很多的書，從老師那里學到很多知識，做很多習題，只能說是訓練獨立思考能力的一半.而另一半的方法是復雜的，不是每個學生都能采納同樣的建議或勸告，這個方法要靠自己去摸索.”顯然，楊振寧教授所說的前者是指認識的內(nèi)化建構，而后者即指認識的外化建構[3].

21批判性處理物理習題

批判性思維是一種高階思維素養(yǎng).思維的批判性是指思維中嚴格估計思維材料和檢查思維過程，善于獨立思考，不受暗示干擾，善于發(fā)現(xiàn)問題，提出質(zhì)疑，進行爭論，不斷分析解決問題所依據(jù)的條件，反復檢查已擬定的假設、計劃和方案；善于客觀地考慮正反兩方面的論據(jù)；善于明辨是非曲直，不人云亦云，盲從附和[7].

例5圖11所示的圓盤模型（A、B物體質(zhì)量分別為m和2m，距離圓心的距離分別為r、2r，物體與圓盤間的動摩擦因素都為μ，有輕繩連接），學生常常視為難點.要保證物體能隨圓盤做勻速圓周運動，求物體轉(zhuǎn)動最大角速度的問題，學生理解較為費勁.于是學生批判性設想：此題涉及兩個物體，又由于超過最大角速度，A、B物體都會滑動，能否找到一個物體C代替物體A和B？可見學生已經(jīng)具備了等效法應用的自覺行為.由于高中不涉及系統(tǒng)質(zhì)心的概念，學生需要查詢資料學習質(zhì)心概念，再根據(jù)質(zhì)心特點，確定了物體C的特點：質(zhì)量為3m，位置在圓心左邊，離圓心的距離為r.學生通過批判性運用等效法，成功將問題轉(zhuǎn)化為對一個物體的運動研究，輕松化解了難點.

22創(chuàng)造性解決原始物理問題

原始物理問題是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在能夠反映物理概念、物理規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型物理現(xiàn)象和物理事實.原始物理問題的表述形式是對物理現(xiàn)象的描述，它基本上采用文字敘述的方式呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，沒有物理習題中常見的已知量、未知量.

原始問題所具有生態(tài)性和開放性等特點，決定了其解決過程必然是探索和發(fā)現(xiàn)的過程.面對客觀真實的原始問題，學生很難找到可以直接模仿的題型，而是需要通過獨立思考，不斷嘗試，對問題進行思考.學生的創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)只有在原始問題教學中才有生命力，才能顯示出思維的內(nèi)涵、色彩、格調(diào)，才能顯示出思維內(nèi)在的理由、作用和功能[2].

例6如圖12所示，節(jié)日里燃放禮花，禮花彈升到高空之后引爆，煙花將向著各個方向飛行.但是禮花彈形成的煙花總是在空中呈現(xiàn)一個向外擴大的球形.試解釋，禮花彈形成的煙花在任一時刻總是在同一個球面之上[2].

抽象表征：忽略空氣阻力，把煙花抽象成質(zhì)點.假設禮花彈爆炸時，任一煙花的速率都相同

賦值表征：可以用正交分解的方法賦值，這里推薦使用極坐標系的方法賦值.設任一煙花的初速度為v，t時刻煙花相對于坐標原點（爆炸中心位置）的位移為r.

方法表征：選取極坐標系，用等效法和演繹推理法.

物理表征：煙花豎直方向做自由落體運動.相對于坐標原點，煙花以v向各個方向做勻速直線運動.

數(shù)學表征：在任一時刻t，任一煙花都會分布在半徑為r=vt的球面上，其球心在爆炸中心位置的正下方12gt2處.

3教學建議

31顯化方法、生長思維、轉(zhuǎn)識成智的教學過程其實是一種深度教學過程

學生在深度教學中與學習內(nèi)容充分互動，涉及的教學內(nèi)容與學生經(jīng)驗體系充分融合.學生僅記住知識的符號、含義是不夠的，還必須把握知識背后的價值、邏輯、方法以及運用知識進行創(chuàng)造[8].等效法是一種物理方法，它與物理知識緊密聯(lián)系，科學方法還包括思維方法（分析、綜合、抽象、概括等）.教師在顯化方法的時候，不能刻意將物理方法和思維方法隔離開來.深度教學的應然狀態(tài)是激勵學生運用思維方法展開思維活動，借助物理方法去解決問題.

32物理問題解決由思維品質(zhì)、物理知識、物理科學方法共同起作用

思維品質(zhì)是問題解決的基礎與起點，并且先有思維品質(zhì)的參與，然后才是物理知識和物理方法的參與[2].因而，教師要保證顯化方法、生長思維的效果，應該注重學生思維品質(zhì)的培養(yǎng)，在物理概念的建立中，在物理規(guī)律的探究中，在物理原始問題的解決中，有意識地、有針對性地培養(yǎng)學生思維的深刻性、靈活性、批判性、獨創(chuàng)性和敏捷性.

33方法的知覺、模仿、領悟、遷移是一個思維進階的過程

建議教師以習題為基礎，運用“認知沖突” 順應認知結(jié)構，運用“主題強化”同化認知結(jié)構，助學生自覺運用方法.再以原始問題為升華，助學生轉(zhuǎn)識成智.

參考文獻：

[1]郅庭瑾.為思維而教[M].北京：教育科學出版社，2007.

[2]邢紅軍.高中原始物理問題教學研究[M].北京：中國科學技術出版社，2016.

[3]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國科學技術出版社，2014.

[4]李柏濤.等效法在自主招生考題中的應用[J].物理教師，2013（12）：90.

[5]皮亞杰.皮亞杰教育論著選[M].北京：人民教育出版社，2015.

[6]張慶枝.對一道電磁學選擇題的討論[J].物理教師，2011（12）：50.

[7]田世昆，胡衛(wèi)平.物理思維論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.

[8]羅祖兵.深度教學：“核心素養(yǎng)”時代教學變革的方向[J].課程·教材·教法，2017（4）：23.