物理观察的建构特征及其对物理教学的启示——以“加速度”教学中的观察为例，本文主要内容关键词为：加速度论文,为例论文,其对论文,启示论文,物理教学论文，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。
物理学是研究物质结构和物质运动基本规律的科学，而观察则是探究物质对象的性质和联系，建立物理概念、规律以及科学理论的基础。物理教学要使学生掌握科学知识，发展科学探究能力，对物理现象的观察是一个不可或缺的环节。学生在课堂上进行的物理观察具有什么特征？这些特征对物理教学有哪些启示？下面通过一个真实的教学案例对此进行探讨。
一、物理观察的教学案例
“加速度”是描述物体运动速度变化快慢程度的物理量，因此在教学中，教师通常都会展示一些相关的运动现象，其目的是要让学生通过观察来认识物体运动所具有的“速度变化快慢”性质，为建立“加速度”概念奠定基础。在某中学，我们观摩了3位教师的“加速度”概念教学，他们在课上都借助多媒体手段展示了这样一段相同的视频：飞机和摩托车在跑道上赛跑。他们在这一观察环节的教学情况分别如下。
第1位教师在简单地引入新课之后提出问题：“飞机、摩托车起跑，谁会赢？”学生回答：“飞机。”随后，播放这段视频，教师引导：“起步时，摩托车在前。这时，摩托车加速跑，飞机也加速跑，为什么摩托车跑在了前面？”学生回答：“摩托车速度变化比飞机的快”“飞机加速度大”（注：课堂实情如此）。紧接着，教师又问：“生活中还有什么类似的例子？”……
第2位教师也是在引入新课之后播放这段视频，并提示学生：“请大家注意二者运动情况有什么不同？”在学生看完视频之后，教师引导：“速度都从零开始吧？飞机在此过程中速度有无变化？飞机与摩托车的运动各有什么特点？”学生说：“它们的快慢不同。”教师问：“什么快慢？”学生有的说运动快慢，有的说速度变化快慢。教师又问：“速度变化大？还是速度快？二者有区别吗？”学生回答：“不一样，应该是速度变化快慢不同。”教师再问：“生活中还有类似的例子吗？”……直到建立加速度概念之后，教师又让学生画出视频中飞机与摩托车启动过程的速度—时间图像。图1是其中3位学生各自画出的图像，教师对此进行简单评价，最后给出答案［见图2(b)］。
图1
第3位教师在课一开始即让学生观看视频，然后布置任务：“二者都在加速，试画出飞机、摩托车启动的速度—时间图像。”图2是教师指定的两位学生在黑板上各自作出的图像。
图2
接着，教师对两图表示的运动特征进行解释，然后要求学生说出飞机与摩托车运动特征的差别，并对两图进行评价。一个学生认为应该是(a)图正确，因为飞机的加速度大。教师便进行讲解：“飞机的加速度小于摩托车的加速度，应该是(b)图对。速度的变化与速度变化的快慢是两回事，飞机的速度变化大，但变化慢，摩托车的速度变化小，但变化快。”教师继续引导：“生活中有很多实例可以表明，物体运动速度变化快慢往往不同。谁能举例说明？”……
二、物理观察的建构特征分析
在上述案例中，教师引导学生观察了视频中的“飞机与摩托车启动”现象，并得出了预期的观察结论，即用语言描述的结论：“摩托车的速度变化比飞机的快”，以及用图线表示的结论：图2(b)所示的速度一时间图像。
从3位教师的教学看，上述结论的得出似乎并不复杂，因此不必花费太多时间去追究其中的缘由。果真如此吗？我们不妨做一些分析和思考。
首先，学生能从所观察的现象中直接看出上述结论吗？显然不能。这是因为，在这段视频中，学生直接观察到的是：飞机与摩托车最初静止于同一起跑线，然后同时启动，运动越来越快；在启动的开始阶段，摩托车冲在飞机的前面；一段时间之后，飞机逐渐追上并超过摩托车。由于已经学习了机械运动、位置、位移、速度等概念，学生可以明确地辨别出两个物体在某时刻的位置或某时间间隔内的位移上的异同，并能粗略地感觉到某些时刻二者速度的异同。他们不难认定：飞机与摩托车的初位置、初速度相同；启动时速度都逐渐增加；开始阶段的各个时刻摩托车的速度比飞机的快；一段时间之后，飞机的速度比摩托车的快。如果让他们分辨谁的速度变化大，那就要从前面已经认定的并用已有概念表征的信息进行推测——比较速度之差；如果让他们分辨谁的速度变化快，那就要基于那些观察信息和其他相关概念（如比率概念——用速度变化与所用时间的比值衡量速度变化快慢）作出更多的推测——比较速度之差与所用时间的比值。这表明，物理观察需要相关的知识，也离不开逻辑的思维判断。
第二，基于观察信息进行合理的逻辑推断可以保证不同观察者得出一致的观察结论吗？就前述启动现象的观察而言，学生可以如此推测：飞机与摩托车从同一起跑线同时启动，由于摩托车在开始的一段时间冲在飞机前面，表明在先前某时刻它的速度大于飞机的速度，所以它在该时刻之前的那一阶段的速度变化比飞机的大，而所用时间相同，所以速度变化就比飞机的快。但是，有的学生可能这样推测：飞机与摩托车从同一起跑线同时启动，当飞机追上摩托车时，它的速度一定比摩托车的速度大，那么在开始到此刻的这段时间内，飞机的速度变化就比摩托车的大，因所用时间相同，所以飞机的速度变化比摩托车的快。我们看到，依据可靠的观察事实和一样的比率概念进行合理的推断，得出的却是截然不同的结论。怎么会出现这样的情形呢？原来，观察者采用了观察事实中不同的信息——前者采用了启动开始阶段的信息，后者采用了从开始到飞机追上摩托车这一阶段的信息。事实上，由于观察主体持有不同的兴趣、观念、知识、思维方式等，常常会有不同的关注点和不同的推断方式，因此所采用的观察信息常常会有所不同。这样，尽管都以事实为基础并进行了合理的逻辑推断，却仍然有可能得出不同的观察结论。
第三，观察结论总是从观察信息逻辑地推出吗？前述的两个可能的推断都是合理的，但却是相互矛盾的。由于学生此时只是用平均变化率来判断速度变化快慢，因此要解释两个结论之间的矛盾，得出合理的观察结论，完全靠逻辑推断恐怕是困难的。学生可以这样思考：开始时飞机与摩托车都静止，如果总是摩托车的速度变化快，飞机就不能追上摩托车；如果总是飞机的速度变化快，摩托车就不可能冲在飞机前面。他们会意识到原来的两个结论都不能单独解释所观察的现象，于是逐步设想：摩托车和飞机加速到一定程度后速度应保持一个稳定值，但飞机的加速时间比摩托车的长，这样，飞机的速度就会逐渐超过摩托车的速度，从而追上并超过摩托车。显然，学生不可能从视频中直接看出飞机和摩托车什么时候由加速转变为匀速，因此，这个运动过程模型是他们为了解释现象主动构想出来的；相关结论也不是像前两个结论那样从观察信息推导出来的，而是基于设想的情境推测出来的。学生之所以相信这样的构想和结论，是因为它们能合理地解释观察事实并为其他人所认同。如果我们再考察用图像表示的观察结论，那么这种“假设一检验”的特征就表现得更加明显。以图1为例，学生作出的3个图像显然都不是依据十分可靠的凭据逻辑推断出来的，都是为解释现象而设想的过程模型。事实上，由于观察条件的限制，我们常常不能获得更为可靠的观察信息，于是不得不对观察对象作出想象、猜测，以解释观察事实。这种情形在我们认识微观现象和宇观现象时就更为普遍。可见，基于观察信息进行构想，然后对现象进行解释，进而得出观察结论，这是物理观察的一个显著特征。
第四，物理观察结论有没有主观因素的参与？前面已经谈到，物理观察会受到观察主体的兴趣、观念、知识、思维方式等因素的影响，即所谓“观察负载着理论”。不同的人可以从同一现象中“看”出不同的内容，表明物理观察会受到主观因素的影响，这是容易理解的。这里，我们还想说另外一种情形。图2(b)被认为是描述启动现象的正确结论，但是，它真的描述了启动过程的事实真相吗？显然不是。事实上，我们根本无法得到本体论意义上的事实真相!就飞机与摩托车启动现象而言，我们能够推测，它们的启动有一个加速过程，但并不是严格的匀加速过程。所以，如果仅考虑各结论与事实的符合程度的话，图2(b)并不比图1的3条图线有更大的优势。显然，如果我们非要追求观察结论的纯粹客观性，就会陷入无法克服的困境，这既不现实，也无必要。如何解决这一问题呢？按照通常的说法，要忽略次要因素，突出本质因素，进行科学抽象。实质上，这也是人们为了认识种种复杂的物质对象，不得不采用的方式——给实际对象构想一个可能的模型，看它能不能更好地解释已有的观察事实，能不能得到大家的认同。这表明，观察结论的得出不仅有主观因素的影响，而且经常是必须有主观因素的参与，这也正是人的创造性的体现。
综上所述，学生在课堂上进行的物理观察不是一个纯粹的客观反映过程，而是对观察到的有限的客观信息进行主体意识的加工，对客观现象及其特征进行重新构想的过程。我们并不否认物理现象的客观性，但是，物理学所探究的事物的本质属性是潜在和抽象的，这些抽象的性质不会直接映射在我们的头脑中，也不完全是逻辑地推证的，而是基于观察信息建构起来的。对观察结论的认定，既与事实证据有关，也与群体的认同有关，其可靠性并不是绝对的。
三，物理观察的建构特征对物理教学的启示
理解物理观察的建构特征对物理教学有哪些启示呢？
首先，物理观察的建构特征启示我们，学生探究物理现象、形成科学认识的过程其实是一个生动的自主建构过程。所谓自主建构，并不是指学生在教师主导的“直观—逻辑—结论”模式下接受可靠的知识，而是指他们基于各自的兴趣、观念、知识、思维等多种因素，对物理现象进行反复的感知、构想、推断、检验，逐步生成关于物理现象的个性化理解；这种个性化理解会存在种种不足，所以还需要通过与他人的讨论、交流，逐步生成可以解释事实并为大家所认同的见解。深入理解学生的学习心理规律，是实现有效教学的基本前提。
其次，物理观察的建构特征生动地表明，形成物理知识的科学探究过程并不是一个线性的、基于观察事实的逻辑归纳过程，而是基于事实的反复的建构过程。在这个过程中，人们对物理现象的探究结论总是逐步演进的，所生成的科学知识总是有待发展的。因此，尽管中学物理所涉及的知识大多具有坚实的事实基础，但我们仍然不能把它们看作是确证不变的真理。同时，我们也不能将建构性的科学探究理解成单一形式的逻辑实证过程。只有合理理解科学知识建构及科学探究的本质，才能更好地设计并开展有意义的探究教学。
再次，从物理观察的建构特征来审视课堂教学，我们就应该想到，让学生进行实验操作和现象观察，其用意并不仅仅在于从现象推证出预期的结论，更在于诱发学生对此类现象的已有理解和独特认识，激励学生之间的思想交锋。也就是说，教师要把学生看成有头脑有智慧的探究群体，引导他们适度重演科学知识的社会建构[1]过程，在共同的探究中建构起对物理对象的理解。
总之，我们必须认识到，教师在课堂教学中期望学生得出的观察结果和每个学生实际获得的观察结论往往是有差异的，这是由物理观察的建构特征决定的。认识这一点，对于改进物理教学具有重要的指导意义。