基于科學思維 突顯因果本質
——例析初中物理教學中的邏輯失當

張前軍

(江蘇省南京市金陵中學仙林分校中學部,江蘇 南京 210033)

1 引言

物理學是自然科學領域研究物質的基本結構、相互作用和運動規律的一門基礎學科。初中物理教學的許多內容之間存在著因果關系,判斷兩個事物形成因果關系需滿足三個條件:(1) 時間序列性。從發生順序上講,因在前,果在后。(2) 關聯性。因的變化必然帶來果的變化。(3) 特定性。排除其他可能解釋結果的因素。由于初中物理教學內容較為基礎以及學生邏輯思維水平較低,一些具有因果關系內容的教學過程看似合乎情理,實際上卻違背了因果關系的三個條件,這些教學邏輯失當問題不容易被教師發現,也不會被學生駁斥,以至于這種類型的錯誤長期存在。下面根據因果關系的三個條件對幾個初中物理教學邏輯失當的情況進行分析。

2 反射定律中“反射角等于入射角”的教學邏輯問題

關于“光的反射定律”,為了防止學生錯誤記成“入射角等于反射角”,有教師在教學中對 “反射角等于入射角”做了重點強調:這就好比生活中的一個因果關系,只能說孩子姓氏跟父母姓氏相同,不能說父母姓氏跟孩子姓氏相同;實驗中先有入射光后有反射光,因而不能說成“入射角等于反射角”。這種教學現象在日常教學乃至省級優質課比賽中都出現過,可想而知,這種教學邏輯失當不是少數教師的行為。

在光的反射中不能說成“入射角等于反射角”,真的可以用因果關系來解釋嗎?蘇科版初中物理教材是在 “實驗:探究光的反射規律”之后歸納得出以上結論的,而實驗是探究光的反射規律,也就是回答以下問題:反射光線在哪里?光的反射遵循什么規律?反射定律是通過三個方面的表述才確定了反射光線的位置。我們并不否認入射光線和反射光線之間滿足因果關系中的時間序列性,但反射光線是該實驗探究的主體,根據語言文字表達習慣,在定律中就應該把“反射光線”放在“入射光線”之前作為主體進行表述,用因果關系解釋定律中“反射角等于入射角”是答非所問,畫蛇添足,這種教學邏輯誤用了因果關系的時間序列性。

3 平面鏡成像實驗中等效替代法的教學邏輯問題

蘇科版初中物理教材在“探究平面鏡成像的特點”的實驗中,提出:“將另一個相同的棋子B放到鏡后,使它與棋子A在平面鏡中所成的像重合,此時棋子B的位置就是棋子A的像的位置?！痹诮虒W中以及使用較為普遍的資料中關于棋子B所起等效替代作用的解釋主要有兩類:(1) 棋子B替代了棋子A的像。[1](2) 用棋子B替代棋子A比較像與物的大小關系,用棋子B替代棋子A的像以確定像的位置。[2]這兩種有代表性的說法都不否認棋子B替代棋子A的像,只不過是應用范圍有所區別。

等效替代法是從等同效果出發,用易于研究的、本質因素相同的事物替代不容易研究的事物的方法。這里蘊含著兩個重要的邏輯關系:(1) 替代物不是隨意的,其本質因素必須與原物相同,符合因果關系的關聯性和時間序列性,即原物是因,替代物是果。(2) 原物和替代物不能同時存在于研究過程中。簡而言之,等效替代的兩個代換主體具有單向性、過程具有排他性,用等效替代法測電阻、“曹沖稱象”故事都凸顯了這個邏輯。由于實驗中棋子A的像的屬性還未知,用棋子B替代棋子A的像顯然不滿足因果關系的關聯性,選擇與已知棋子A相同的棋子B替代棋子A才合乎因果邏輯關系。

在用棋子B替代棋子A的像并進行大小比較的過程中,發現棋子B與棋子A的像大小相等,此時它們的空間位置自然也相同,位置量可以相互等量代換,至于誰代換了誰只是為了運算方便而進行的選擇罷了。這也就是說等量代換的兩個量是可以在同一過程中共存的,代換主體也沒有單向性,這與等效替代法蘊含的內在邏輯關系是明顯不同的。因此,“棋子B代換了棋子A的像以確定像的位置”用的是等量代換法,說成具有因果關系的等效替代法在邏輯上是錯誤的。

4 “探究壓力的作用效果”教學設計中的邏輯尷尬

關于“探究壓力的作用效果”實驗中要不要考慮受力物體的材質,比較流行的看法是:在按現教材的表述開展“壓強”概念教學時,我們認同受力物體的材質是影響壓力作用效果的因素之一,但在實際教學中通常會回避對該因素的研究。[3]文獻[3]的編輯在編后語中指出:教材安排活動“探究壓力的作用效果”,目的是引入壓強的概念,而非探究壓力引起形變的規律,教材在各種實例中都是以相同材料的受力物進行對比的,實驗結論也只限于力的大小和受力面積,從而邏輯地引出了壓強的概念。

我們都認同該實驗是為了引出壓強概念,但該實驗并不等同于探究影響壓強的因素(壓力大小和受力面積)而需要回避“受力物體的材質”。從該實驗的表述分析,教學中是無法規避“壓力作用的效果與受力物體的材質有關”的猜想給教學所帶來的尷尬,否則就違背了因果關系的特定性。

筆者認為,改變教材的表達邏輯,一切就會釋然。建議該實驗表述為“活動:探究壓力對作用效果的影響”。調整后的實驗表述并不否認受力物體的材質對作用效果的影響,而且明確表示只是從壓力角度研究對作用效果的影響。在教學中引導學生首先猜想影響壓力作用效果(形變)的因素,學生的猜想中自然會包括受力物體的材質,但它不是該實驗所要研究的影響因素,它在該實驗中恰恰是需要“控制不變的量”。

類似問題的解決方法在蘇科版初中物理教材八年級下冊的 “牛頓第一定律”一節中已經出現過。教材在“牛頓第一定律”之前編排了“活動:探究阻力對物體運動的影響”,在這個活動中,利用“小車在水平面上運動的距離”來反映“阻力對物體運動的影響”,但影響“小車在水平面上運動的距離”的因素不僅有阻力的大小,還有小車到達水平面的初速度,因此在實驗教學過程必須控制不變的量是“小車到達水平面的初速度”,只改變阻力大小(改變水平面材料)。顯然,對這部分內容的教學我們是沒有爭議的,也沒有出現教學邏輯上的尷尬。

在調整后的實驗中,要引導學生從力的三要素角度來改變壓力。由于壓力概念已經明確了壓力的方向與受力物體的表面垂直,在這里也只能從力的大小和作用點角度來研究壓力對作用效果的影響。改變力的大小比較簡單,但對改變力的作用點的分析需要一個思維轉變的過程:在我們之前的教學中,學生已經形成了力作用位置在一個“點”上的認知,在后面的學習中,只要涉及 “力”,學生頭腦中已經把它抽象成了“有向線段”的理想模型,在該實驗中需要引導學生關注事實細節,壓力作用的位置不是一個理想的“點”,實際是一個“面”,這樣將影響作用效果的壓力的兩個方面因素歸結為 “壓強”就順理成章了。

5 結語

科學思維具有嚴密的邏輯性,是物理學科核心素養的核心內容。[4]因此,教師要真正做到用教材教而不是教教材,加強對教材的研究,優化教學內容,基于證據和邏輯進行合乎科學思維的教學,這樣才能幫助學生形成物理觀念、提高科學思維能力,絕不能為了鞏固一些物理知識,對一些錯誤的教學邏輯習以為?；蛲泼摓椴坏靡讯鵀橹?。至于在邏輯上容易產生混淆且非重要的內容,教師需要將它們的內在邏輯關系研究透徹,在教學中可以不說,但不能說錯,更不能以訛傳訛。