高中物理规律的发现式学习，本文主要内容关键词为：高中物理论文,规律论文,发现论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
布鲁纳认为：发现式学习是以培养探究性思维为目标，以教材为内容，通过再发现步骤而进行的学习。在探究式高中物理课中，有一类运用数学方法（定量地演绎推导）和逻辑方法（定性判断选择）来“发现”新的物理规律（定理）的发现学习，就是学习者体验参与新物理规律“发现”过程的一种学习方法。这种学习方式有助于学习者更加真切地感知物理规律的发现过程，对问题提出→分析→假设（猜想）→验证（论证）等过程进行体验；还有助于开发学习者从现象到本质，从定性到定量再到定性定量相融合，以及形象思维与逻辑思维相融合等心智潜能。
一、物理规律发现式学习的条件
（一）知识储备
相关的知识储备是物理规律发现式学习非常重要的基础，因为一个新的认识总是在已有认识的基础上，纵向一步一步深入的，其学习与理解从一个层次到另一个层次逐步深入，如果对某一层次的知识不清楚、不准确、不系统，就没有在此基础上进行发现式学习的可能。不少的学习者误认为：物理规律的发现式学习都是从最原始的观察和实验开始的。事实并非如此，只是物理规律最初层次的发现学习是从最原始的观察和实验开始，主要在初中阶段进行，比如观察外力拉物体前进的实验现象，发现拉力对物体做功；观察滚动铁球能对外做功的现象，发现运动物体具有动能，这类发现学习更加注重现象等感性认识。还有更高一层次的发现式学习，比如在已知功能关系、做功、匀加速直线运动等知识基础之上，运用数学方法和逻辑方法，对动能定义式以及动能定理表达式的发现式学习。再如运用纯数学的方法推导出麦克斯韦方程组，发现电磁场运动规律等等。
（二）教师掌控
前人（科学家）发现的物理规律是在没有现成参考甚至没有别人指导情况下的首创，而发现式学习不是首创，学习者也不可能去首创，而是要让学习者在物理规律发现式学习中体验一种方法，获得一种思考研究问题的经验，并通过“成功的再发现实例”来提高探究创新的兴趣和思维质量。物理规律（定理）的发现式学习，不是让学习者去漫无目的的发现，而是需要教师有意创设出一种氛围和思维程序，有明确的准备知识、方向和目标，并由教师时刻具体掌控其思维程序而进行的发现学习。同时教师在掌控过程中不断进行反馈、调节，随时校正学习者出现的偏差，并引导其走向既定的方向和轨道。
（三）适宜的内容
在前面两个条件都得到满足的基础之上，还要注意并非所有内容都适合发现式学习。比如《磁通量》一节，无论怎样改造教材也不适合开展发现式学习。有些内容则是很好的发现式学习的题材。比如《电磁感应现象》一节，就是运用逻辑方法实施发现式学习很好的内容。整个学习过程从最初的观察实验开始，通过观察三个产生电磁感应现象实验，指导学生分析、研究、思考，引导学生发现这三个实验的共同特征、共同条件，最后得出结论：闭合回路中有磁通量变化，回路中就有感应电流。可见，将教材上适合发现式学习的内容进行适当的改造，并对其进行合理的教学设计，这些内容就能够成为发现式学习的好题材。
二、物理规律发现式学习的操作方式
（一）方式之一：移植类似方法
把类似的已有的处理问题的方法移植到新知识的发现，情况最为普遍。比如为了简化牛顿第二定律的表达形式，特别是表达式F=kma中的k=1，巧妙的通过定义力的单位为“牛顿”来满足k=1，实现了简化牛顿第二定律的表达形式F=ma。牛顿第二定律表达式的处理方法移植到类似的法拉第电磁感应定律表达式的发现学习，发现电磁感应定律的表达式中E=kΔΦ/Δt，同样也遇到简化表达形式的问题，也是规定当E的单位为V，ΔΦ的单位为Wb，Δt的单位为s，恰恰满足k=1，实现了简化电磁感应定律的表达式中E=ΔΦ/Δt。再比如：通过光同时具有波动性（光的干涉和衍射）、粒子性（光电效应）总结出光具有波粒二象性，这个方法移植到类似的处理其他微粒中，发现德布罗意“物质波”（微粒都具有波粒二象性）等等。
（二）方法之二：概括实验现象
从实验现象的概括分析发现新的物理规律点，分为两种情况：①观察不同条件下产生同一个实验结果，概括实验中不同因素均共同拥有相同的、本质的原因，实际上是发现这些不同条件下各种因素的交集。比如从三种不同实验条件下产生感应电流现象的研究中，寻找它们的相同点：产生电磁感应的条件是磁通量发生变化。②观察不同条件下产生同一个实验结果，概括实验中不同条件因素均从不同方面产生影响，实际上是发现这些不同条件下各种因素的并集。比如在探究向心加速度大小的实验中，概括各种因素的并集发现质量增大、线速度（或角速度）增大、半径减小等因素都会导致向心加速度增大。
（三）方法之三：用数学定量推导和逻辑定性判断
用数学方法（定量演绎推导）和逻辑方法（定性判断选择）相结合来发现学习新的物理规律。比如“动量定理”、“动能定理”、“机械能守恒”等等，将数学方法、逻辑方法与发现式学习结合起来是可行而且必要的。尽管高中物理这类问题的比重不是很大，但是这样可以使初学者理解物理规律的严密性、科学性；理解物理理论与实际过程的对应性，明白其中每一个演算在生活生产实际中均有实际过程与之对应，平时的演算并非无聊的游戏；使学习者体验到不仅通过观察、实验可以发现物理规律，而且通过数学方法的严密演算，也可以发现物理规律（定理）。物理前沿理论的探索，正是以数学与逻辑方法为主进行的理论探索，探索出结果之后再用实验验证其真伪。比如，物质波规律的发现就是这样的过程。
下面是以《动能定理》为例，来体验数学与逻辑视角下物理规律的发现式学习。
师：在初中学过的能量形式中，谁最简单呢？
生：动能。
师：动能和重力势能都叫做机械能，动能又比重力势能的情况简单得多。因为动能研究的对象是一个物体，而重力势能研究的是物体与地球组成的系统，至少两个物体。所以，我们遵循从简单到复杂的认识过程，从最简单的能量——动能开始，研究外力做功与物体动能改变之间的定量关系。
师：要研究外力做功与物体动能改变之间的定量关系（之前学习者只知道动能概念，不知道动能的定量表达式），需要知识准备。大家先回忆一下，上一节学习到的功能关系的内容是什么。
生：功是能量转化的量度。外界对物体做了多少焦耳功，或物体对外界做了多少焦耳功，物体的能量（包括动能）就转化了多少焦耳，或者说改变了多少焦耳。
师：那么功的定义式是什么？最简单情况下的定义式是什么？生：W=F·scosθ，最简单情况下功的定义式W=Fs。
师：要求功的多少需已知哪些量呢？
生：F和s。
师：在初中就知道，动能的大小与哪些量有关呢？
生：与m和v有关。
师：物体动能大小与m和v均为增函数关系，因此最终动能的定量式中一定用m和v来表示，与其他量无关。
【分析】许多中学生不会关注这一点在知识逻辑链中的重要性，他们根据以往的学习经验（思维定势）认为：一旦用数学进行某个推导，必然会出现所需要的结果。事实并非如此，要推导出某一结果，不是任找一个知识点开始推导就能推出所需的结果。正确的探究思维过程是这样的：首先在探究之初需要猜想这个结果及形式，以此来确定探究的目标；再根据猜想结果形式去寻找学过的与之有关的知识点；再将这些知识点汇集起来，按一定的逻辑（因果）关系和数学定量的演绎推导来验证我们的猜想是否正确。如果正确就发现了新的规律，如果不正确，推导不出我们猜想的结果，还需要回到探究问题的起点，重新猜想其结果和形式。
师：同样我们遵循从简单到复杂的认识过程，外力对物体做功在什么情况下是最简单的呢？
生：物体静止且只有一个外力对物体做正功。
师：可以作一个草图，满足物体静止且只有一个力对物体做正功并且要描述物体的动能改变。（找两个学生在黑板上作图，其余学生在下面作图，为后续教学铺垫。）
师：在水平方向只受一个恒力F，物体做什么运动？
生：初速度为0的匀加速直线运动。
师：表达物体动能增加必需哪些量呢？
生：
师：不需要的量呢？（理论探索中凡是结果没有的中间量都要消去）
生：加速度a。
师：从外力做功推出动能的变化，在W=Fs中，由含有的物理量换掉F、s。再观察上图，能够换掉吗？
生：（在草稿纸上演算，要求所有学习者要悟到）动能变化的定量关系。
（为了防止以上数学方法的理论探讨遗忘，可让学习者对上述推理和论证重复一遍或几遍。然后对动能动能定理进行总结，给出其内容表达式及注意事项。）
三、物理规律发现式学习的意义
运用数学与逻辑探究物理规律，让学生切身理解数学的基础性和工具性，是研究物理规律最重要的方法之一。但其实有很大部分学生并不了解数学可以干什么。通过物理规律的发现式学习让学生明白物理和数学的价值，以及数学物理不可分割，数学是物理的基础，数学物理融合起来又是其他学科的基础。
让学生体验科学探究的过程，既提高其探究、驾驭知识的能力，又提高了知识层次，站得更高，看得就更远。学生尝试着做了一次科学家当年的研究工作，能适度体会到数学物理的科学魅力，平时学习中会更加努力发掘其心智水平的潜在力。
在运用数学与逻辑探究物理规律的过程体验中，教师均采用“掌握学习”所倡导的小步子学习方法加以指导，结果大多数学生都能够成功的推导，很好地实现之前设定的发现式学习的目标。可见运用数学逻辑探究、发现物理规律的发现式学习在高中阶段是可行的。