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用認(rèn)識論指導(dǎo)物理教學(xué)
用認(rèn)識論指導(dǎo)物理教學(xué) 長期以來，物理學(xué)就是一門教師難教、許多學(xué)生難學(xué)的課程。但物理學(xué)的規(guī)律常通過教學(xué)的推理、演繹，以精確的形式表達(dá)；物理的發(fā)展與哲學(xué)思潮息息相關(guān)。它反映的思維方式非常豐富。這使物理課在“拓寬視野、改善思維、提高學(xué)生的素質(zhì)上”有著重要的作用。為發(fā)揮這一作用，筆者嘗試著變“傳授式”的教學(xué)模式為“誘導(dǎo)閱讀式”，用辯證唯物的認(rèn)識論、方法論指導(dǎo)教學(xué)。下面是筆者的點(diǎn)滴體會。 數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界空間形式和數(shù)量關(guān)系的抽象科學(xué)。從數(shù)學(xué)的抽象到物理的具體，這是認(rèn)識上的又一次飛躍。物理的一個任務(wù)就是要幫助他們完成認(rèn)識上的這一次飛躍。例如討論氣體體積膨脹做功時要用到定積分概念，經(jīng)過分析已得到體積膨脹ｄＶ所做的元功為ＰｄＶ，學(xué)生也容易理解所有元功之和即為總功。但物理與數(shù)學(xué)脫節(jié)，沒有意識到這就是定積分。這時，筆者通過圖形幫助學(xué)生回憶起定積分的幾何意義，使學(xué)生很快領(lǐng)悟到有限過程的功由對ＰｄＶ積分得到，Ｐ（Ｖ）曲線下的面積即為過程的功。通過課后對定積分進(jìn)一步復(fù)習(xí)，并具體計(jì)算等壓、等溫等過程的功，學(xué)生感到數(shù)學(xué)幫助他們解決了物理問題，在物理中的應(yīng)用又加深了對微積分概念的理解。二者相輔相成，相得益彰。 數(shù)學(xué)的框架往往揭示出物理問題的實(shí)質(zhì)。推導(dǎo)理想氣體絕熱過程的泊松方程就是一個很好的例證。筆者首先用等溫、等容等過程啟發(fā)、引導(dǎo)。對服從狀態(tài)方程ＰＶ＝ｎＲＴ的理想氣體，一般情況下有兩個獨(dú)立參量，增加一個條件（例如等溫），剩一個，方程變成ＰＶ＝ｃ等形式。絕熱過程條件為ｄＱ＝０，也應(yīng)該只剩一個獨(dú)立參量。與等溫、等壓、等容過程的不同之處在于Ｐ、Ｖ、Ｔ三者中任何一個都可以作為獨(dú)立參量，方程也就可以寫成ｆ（Ｐ．Ｖ）＝０等形式。如何由狀態(tài)方程和條件ｄＱ＝ｄＥ＋ＰｄＶ＝０來推導(dǎo)呢？首先有ｄＥ＝ＮＣＶｄＴ，得到三個參量的方程組。 ＰＶ＝ｎＲＴ（１） ＮＣＶｄＴ＋ＰｄＶ＝０ 如何消去Ｔ，得到ＰＶ之間的關(guān)系？思維活躍的學(xué)生很快會提出先對式（１）微分，取得形式一致后消去Ｔ，再積分便是所求。稍差一點(diǎn)的學(xué)生一經(jīng)啟發(fā)也不難明白。此后，式（１）的微分，以及消元、積分均由學(xué)生在課堂上自己閱讀完成，筆者只需在最后總結(jié)時對積分常數(shù)略加說明。由于抽象的數(shù)學(xué)框架使學(xué)生抓住了事情的實(shí)質(zhì)，提高了他們看問題的高度，因此教學(xué)過程不僅順利，而且學(xué)生能觸類旁通，有的學(xué)生甚至感到了“輕松愉快”，是種享受。 理想化的方法是科學(xué)抽象的一種形式。理想氣體模型是普遍物理課中的典型實(shí)例。實(shí)際中的氣體，溫度較高、分子密度較小時，與分子間的平均距離相比，分子的體積很��；與碰撞相比，分子間的相互作用很校于是科學(xué)家在思維中進(jìn)行極限轉(zhuǎn)化，將次要因素，即分子大小和相互作用完全忽略不計(jì)，抽象出服從ＰＶ＝ｎＲＴ的理想氣體模型。思維中的極限轉(zhuǎn)化使次要因素由有到無，事情發(fā)生質(zhì)的變化，這種簡化問題的理想模型和理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中彼彼皆是。通過理想氣體模型強(qiáng)調(diào)這一轉(zhuǎn)化，此后出現(xiàn)的其他模型（如準(zhǔn)靜態(tài)過程），學(xué)生都覺得易于理解。 用方法論能很好地引導(dǎo)學(xué)生從理想向?qū)嶋H過渡。例如，當(dāng)溫度降低或壓力增高時，實(shí)際氣體并不能很好地遵守上述狀態(tài)方程，二氧化碳即為一例。究其原因?yàn)闂l件變化，次要因素的作用會上升。范德瓦耳斯認(rèn)為兩條假設(shè)，即忽略了次要的因素，是引起偏差的主要原因。針對忽略分子大小，實(shí)際分子運(yùn)動的有效空間有所減少，體積項(xiàng)要修正. 分子間的相互吸引相當(dāng)于補(bǔ)充了一點(diǎn)“內(nèi)壓力”，壓強(qiáng)項(xiàng)也有所改變。對模型的修正從忽略的次要因素入手使問題得以解決。教師如此引導(dǎo)，學(xué)生課后大都能夠順利地閱讀教材。后續(xù)課程中從理想氣體到真實(shí)氣體、理想溶液到真實(shí)溶液的化學(xué)勢的過渡，學(xué)生亦覺得自然。 遇到少數(shù)內(nèi)容深奧的問題時，筆者教導(dǎo)學(xué)生“一個正確的認(rèn)識，往往要經(jīng)過由實(shí)踐到認(rèn)識、由認(rèn)識到實(shí)踐這樣多次的反復(fù)才能完成”的道理來教導(dǎo)學(xué)生，使他們知道，一下子不能透徹理解是正常的，當(dāng)學(xué)習(xí)的知識多了，認(rèn)識能力提高了，回過頭來再一看，發(fā)現(xiàn)它們并不那么深奧。由于學(xué)生本身就有這種體會，教師這樣的教誨使不少學(xué)生焦灼的心情一下子放松下來。他們冷靜地跟著教師分析問題的癥結(jié)，并通過反復(fù)演算習(xí)題加深理解。 總之，教學(xué)方法的變更提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，方法論使師生在教學(xué)中嘗到甜頭。
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