2018用认识论指导物理的教学
关键词：用认识论指导物理教学长期以来,物理学就是一门教师难教、许多难学的课程。但物理学的规律常通过教学的推理、演绎,以精确的形式表达;物理的发展与哲学思潮息息相关。它反映的思维方式非常丰富。这使课在拓宽视野、改善思维、提高的素质上有着重要的作用。为发挥这一作用,笔者尝试着变传授式的教学模式为诱导阅读式,用辩证唯物的认识论、方法论指导教学。下面是笔者的点滴体会。
是研究现实世界空间形式和数量关系的抽象。从数学的抽象到物理的具体,这是认识上的又一次飞跃。物理的一个任务就是要帮助他们完成认识上的这一次飞跃。例如讨论气体体积膨胀做功时要用到定积分概念,经过分析已得到体积膨胀dV所做的元功为PdV,学生也容易理解所有元功之和即为总功。但物理与数学脱节,没有意识到这就是定积分。这时,笔者通过图形帮助学生回忆起定积分的几何意义,使学生很快领悟到有限过程的功由对PdV积分得到,P(V)曲线下的面积即为过程的功。通过课后对定积分进一步复习,并具体计算等压、等温等过程的功,感到帮助他们解决了物理问题,在中的应用又加深了对微积分概念的理解。二者相辅相成,相得益彰。
的框架往往揭示出问题的实质。推导理想气体绝热过程的泊松方程就是一个很好的例证。笔者首先用等温、等容等过程启发、引导。对服从状态方程PV=nRT的理想气体,一般情况下有两个独立参量,增加一个条件(例如等温),剩一个,方程变成PV=c等形式。绝热过程条件为dQ=0,也应该只剩一个独立参量。与等温、等压、等容过程的不同之处在于P、V、T三者中任何一个都可以作为独立参量,方程也就可以写成f(P.V)=0等形式。如何由状态方程和条件dQ=dE+PdV=0来推导呢?首先有dE=NCVdT,得到三个参量的方程组。
PV=nRT(1)
NCVdT+PdV=0
如何消去T,得到PV之间的关系?思维活跃的学生很快会提出先对式(1)微分,取得形式一致后消去T,再积分便是所求。稍差一点的学生一经启发也不难明白。此后,式(1)的微分,以及消元、积分均由在课堂上自己阅读完成,笔者只需在最后时对积分常数略加说明。由于抽象的框架使学生抓住了事情的实质,提高了他们看问题的高度,因此教学过程不仅顺利,而且学生能触类旁通,有的甚至感到了轻松愉快,是种享受。
理想化的方法是科学抽象的一种形式。理想气体模型是普遍课中的典型实例。实际中的气体,温度较高、分子密度较小时,与分子间的平均距离相比,分子的体积很小;与碰撞相比,分子间的相互作用很校于是家在思维中进行极限转化,将次要因素,即分子大小和相互作用完全忽略不计,抽象出服从PV=nRT的理想气体模型。思维中的极限转化使次要因素由有到无,事情发生质的变化,这种简化问题的理想模型和理想实验在学中彼彼皆是。通过理想气体模型强调这一转化,此后出现的其他模型(如准静态过程),都觉得易于理解。
用方法论能很好地引导学生从理想向实际过渡。例如,当温度降低或压力增高时,实际气体并不能很好地遵守上述状态方程,二氧化碳即为一例。究其原因为条件变化,次要因素的作用会上升。范德瓦耳斯认为两条假设,即忽略了次要的因素,是引起偏差的主要原因。针对忽略分子大小,实际分子运动的有效空间有所减少,体积项要修正. 分子间的相互吸引相当于补充了一点内压力,压强项也有所改变。对模型的修正从忽略的次要因素入手使问题得以解决。教师如此引导,课后大都能够顺利地阅读教材。后续课程中从理想气体到真实气体、理想溶液到真实溶液的势的过渡,亦觉得自然。
遇到少数内容深奥的问题时,笔者教导学生一个正确的认识,往往要经过由实践到认识、由认识到实践这样多次的反复才能完成的道理来教导学生,使他们知道,一下子不能透彻理解是正常的,当学习的知识多了,认识能力提高了,回过头来再一看,发现它们并不那么深奥。由于学生本身就有这种体会,教师这样的教诲使不少焦灼的心情一下子放松下来。他们冷静地跟着教师分析问题的症结,并通过反复演算习题加深理解。
总之,教学方法的变更提高了学习的兴趣,方法论使师生在教学中尝到甜头。
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