物理中的隱性知識(shí)的作用和價(jià)值

徐建濤

知識(shí)可以分為顯性知識(shí)和隱性知識(shí)兩種。能夠以書(shū)面文字、圖表和數(shù)學(xué)公式加以表述的，稱(chēng)為顯性知識(shí);而未被表述的知識(shí)，比如在做某事的行動(dòng)中所擁有的知識(shí)，稱(chēng)為隱性知識(shí)。如果把顯性知識(shí)比喻成材料，那么隱性知識(shí)就是方案、方法、工具。在物理學(xué)科中“做某事的行動(dòng)”可以是解決物理問(wèn)題或是做物理實(shí)驗(yàn)。本文研究的是在解決物理問(wèn)題中所體現(xiàn)的隱性知識(shí)，包括觀點(diǎn)判定、思維建立、方法選擇、模型比較等，它們難以以文字的形式表述出來(lái)，卻對(duì)問(wèn)題的解決不可或缺。顯性知識(shí)與隱性知識(shí)的學(xué)習(xí)如影隨形。學(xué)習(xí)概念、規(guī)律、定理等顯性知識(shí)離不開(kāi)對(duì)其中蘊(yùn)含的隱性知識(shí)的理解。例如：“質(zhì)點(diǎn)”是有質(zhì)量的點(diǎn)，是顯性知識(shí)。但是，它是從具體物體中抽象出的，這種復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)單化，就是形式層面的隱性知識(shí);突出主要因素，忽略次要因素，就是方法層面的隱性知識(shí)。學(xué)生反映高中物理難學(xué)，原因主要在于沒(méi)有很好地理解和掌握隱性知識(shí)。

例如：高為h且足夠長(zhǎng)的木板質(zhì)量為M，最初靜止在光滑地面上，質(zhì)量為m的小木塊以初速度v₀從左端沖上長(zhǎng)木板。長(zhǎng)木板的上表面粗糙，木板與木塊間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，小木塊最終與木板以相同的速度一起向右運(yùn)動(dòng)。從剛沖上木板到最終共速的過(guò)程中，求解以下問(wèn)題。問(wèn)題A：木塊和木板各自的加速度？問(wèn)題B：木塊與木板共速時(shí)的速度是多少？問(wèn)題C：木塊對(duì)地面的位移是多少？問(wèn)題D：木板對(duì)地面的位移是多少？問(wèn)題E：木塊和木板組成的系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量是多少？問(wèn)題F：木塊在木板上滑行的時(shí)間是多少？問(wèn)題G：木塊受到怎樣的沖量？問(wèn)題H：木板受到怎樣的沖量？

該習(xí)題從內(nèi)容來(lái)看，既涉及時(shí)間量，又涉及空間量;從分析角度來(lái)看，有力和運(yùn)動(dòng)、功和能量，動(dòng)量和沖量三種觀點(diǎn)可供選擇;從解題過(guò)程來(lái)看，既涉及科學(xué)思維的建立，又涉及科學(xué)方法的選擇。讓學(xué)生在準(zhǔn)確應(yīng)用顯性知識(shí)的同時(shí)深刻體會(huì)隱性知識(shí)的作用和價(jià)值。

一、隱性知識(shí)在運(yùn)用解題觀點(diǎn)中的作用和價(jià)值

“板塊模型”可以“一題多問(wèn)”。題目中提供的已知條件不同、所求物理量不同，學(xué)生選擇的分析觀點(diǎn)也就不同。從條件出發(fā)，利用小木塊的質(zhì)量和動(dòng)摩擦因數(shù)可以求出二者之間的滑動(dòng)摩擦力。解決問(wèn)題A只能使用力和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)。解決問(wèn)題B既可以使用力和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，又可以使用動(dòng)量和沖量觀點(diǎn)。解決問(wèn)題C、D、E時(shí)，由于條件和問(wèn)題涉及的是力在空間上的積累，則暗示學(xué)生可選擇力和運(yùn)動(dòng)、功和能量?jī)煞N觀點(diǎn)。解決問(wèn)題F、G、H時(shí)，條件和問(wèn)題涉及的是力在時(shí)間上的積累，則暗示學(xué)生可在力和運(yùn)動(dòng)、動(dòng)量和沖量觀點(diǎn)中作出選擇。

學(xué)生能夠做出以上的分析和決策，主要是通過(guò)使用隱性知識(shí)。學(xué)生首先將之前三種觀點(diǎn)的內(nèi)容和應(yīng)用儲(chǔ)存在大腦中，然后依據(jù)題目提供的條件和問(wèn)題，逐一將二者進(jìn)行比對(duì)，最后將相似度最高的觀點(diǎn)作為結(jié)果。學(xué)生學(xué)會(huì)使用隱性知識(shí)來(lái)選擇解題觀點(diǎn)，解決問(wèn)題中的“角度”問(wèn)題，能夠自由應(yīng)對(duì)高中物理的“一題多問(wèn)”。

二、隱性知識(shí)在建立解題思維中的作用和價(jià)值

學(xué)生在解決一個(gè)具體問(wèn)題時(shí)，一般會(huì)依次經(jīng)歷下面的環(huán)節(jié)，最終形成完整的解題思維。

1.建立模型。學(xué)生通過(guò)審題，將題目中抽象的文字?jǐn)⑹鲛D(zhuǎn)化為具象的、可視化的物理模型，呈現(xiàn)出現(xiàn)象、事實(shí)、情景、狀態(tài)、過(guò)程等信息。在“板塊模型”中，學(xué)生通過(guò)審題要在頭腦中思考木板、木塊各自初始狀態(tài)的速度、所在位置和二者的相對(duì)位置;末態(tài)共速時(shí)各自的速度、所在位置和二者的相對(duì)位置。之后，把它們轉(zhuǎn)化成可視化的實(shí)物模型，并將關(guān)鍵條件在圖中標(biāo)明，如圖1。對(duì)于其他多過(guò)程、多物體模型，學(xué)生要依據(jù)情景將全程進(jìn)行分段，形成分過(guò)程;并且明確每個(gè)分過(guò)程的參與者，即研究對(duì)象。這個(gè)建立模型的過(guò)程，就是隱性知識(shí)。

2.區(qū)分條件。題目提供的條件可以分為已知條件、隱含條件和干擾條件，學(xué)生要學(xué)會(huì)利用已知條件，挖掘隱含條件，排除干擾條件來(lái)解決問(wèn)題。“板塊模型”例題中的小木塊質(zhì)量m、木板質(zhì)量M、動(dòng)摩擦因數(shù)μ都屬于已知條件，學(xué)生在解題過(guò)程中要對(duì)其加以充分使用，借助這些已知量去表達(dá)未知量。題干中提到的地面光滑，就屬于隱含條件，暗示木板和地面之間沒(méi)有摩擦力;木板足夠長(zhǎng)也是隱含條件，暗示無(wú)論小木塊相對(duì)木板的位移是多大，都不會(huì)從木板上掉下，二者最終共速的情形一定能成立。發(fā)現(xiàn)這種暗示，就是學(xué)生挖掘隱含條件的過(guò)程。在題干中提到木板的厚度h，與要解決的問(wèn)題毫無(wú)關(guān)系屬于干擾條件，學(xué)生要將其排除，不予考慮。這種利用已知條件、挖掘隱含條件、排除干擾條件的過(guò)程就是隱性知識(shí)，是解題思維中的關(guān)鍵組成部分。

3.生成思維模塊。在前面分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生將解題所需的顯性知識(shí)與模型中的一個(gè)分過(guò)程進(jìn)行對(duì)應(yīng)和結(jié)合，生成一個(gè)獨(dú)立的思維模塊。模型中的分過(guò)程越多，生成的模塊也越多。另外，確定解題切入點(diǎn)、明確解題關(guān)鍵也將獨(dú)立生成為思維模塊。這個(gè)生成各種模塊的過(guò)程，就是隱性知識(shí)。

4.建立連接。學(xué)生對(duì)已經(jīng)形成的多個(gè)思維模塊進(jìn)行比較，依據(jù)解題需要將其排序，然后將它們連接起來(lái)，形成一個(gè)鏈條，就生成了解題的思維。這個(gè)比較、排序、連接的過(guò)程，就是隱性知識(shí)。形成的思維鏈越長(zhǎng)，說(shuō)明思維就越深入;越完整，說(shuō)明考慮問(wèn)題越全面;思維模塊越豐富，說(shuō)明思維就越精細(xì)、縝密。

三、隱性知識(shí)在選擇解題方法中的作用和價(jià)值

學(xué)生在分析“板塊模型”時(shí)可以“一題多解”，公式法、圖像法等多種方法供選擇。在公式法中，解決問(wèn)題C、D時(shí)，既可以選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，又可以選擇動(dòng)能定理來(lái)解決。解決問(wèn)題E時(shí)，既可以選擇功能關(guān)系，又可以選擇能量守恒定律對(duì)熱量求解。解決問(wèn)題F時(shí)，既可以選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，又可以選用動(dòng)量定理。另外，在運(yùn)動(dòng)學(xué)公式中，學(xué)生還可以在速度公式、位移公式、平均速度定義式三種方法中做出選擇求解時(shí)問(wèn)。解決問(wèn)題G、H時(shí)，既可以選擇沖量的定義式，又可以選擇動(dòng)量定理。但是，不同的方法對(duì)應(yīng)的解題過(guò)程繁簡(jiǎn)程度不同，學(xué)生可以以省時(shí)、便捷為原則確定最佳方法?？梢?jiàn)，選擇方法的過(guò)程就是隱性知識(shí)，它可以幫助學(xué)生提高問(wèn)題解決的效率，同時(shí)還解決了解題的“靈活度”和“精準(zhǔn)度”問(wèn)題。

四、隱性知識(shí)在分析同類(lèi)模型中的作用和價(jià)值

“板塊模型”還可以“一題多變”?！鞍鍓K模型”中小木塊與木板之間的摩擦力為恒力，屬于特殊情況。下面三個(gè)模型中，物體之間的相互作用力是變力，屬于一般情況。求解共速時(shí)的速度和系統(tǒng)損失動(dòng)能的去向問(wèn)題時(shí)，盡管模型特點(diǎn)稍有區(qū)別，但是蘊(yùn)含的物理規(guī)律、解題的思維和方法是完全相同的。

1.子彈打木塊模型。例如：質(zhì)量為m的子彈，以初速度v₀射入光滑地面上靜止的木塊M，并留在其中。求整個(gè)過(guò)程中子彈和木塊組成的系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。

2.兩塊夾彈簧模型。例如：質(zhì)量分別為m_A和m_B的滑塊之間用輕質(zhì)彈簧相連，水平地面光滑。m_A、m_B原來(lái)靜止，在瞬間給m_A一個(gè)很大的沖量，使m_A獲得初速度v₀則在以后的運(yùn)動(dòng)中，彈簧的最大勢(shì)能是多少？

3.球軌模型。例如：如圖2，帶有1/4光滑圓弧軌道質(zhì)量為M的滑車(chē)靜止置于光滑水平面上，一質(zhì)量為m的小球以速度v₀水平?jīng)_上滑車(chē)，到達(dá)某一高度并不脫離軌道。求小球到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)增加的重力勢(shì)能？

加上“板塊模型”，四個(gè)模型共同的特點(diǎn)是系統(tǒng)在水平方向都符合動(dòng)量守恒，并且模型中的物體最終共速;區(qū)別在于不同模型中系統(tǒng)損失的動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化的能量形式不同。學(xué)生比較四個(gè)模型，找出相同點(diǎn)和不同點(diǎn)的過(guò)程就屬于隱性知識(shí)。學(xué)生利用之前分析“板塊模型”所形成的思維對(duì)其他的三個(gè)模型進(jìn)行分析，只需稍做調(diào)整，就可以將問(wèn)題解決掉。隱性知識(shí)幫助學(xué)生在變化的形式中找到不變的原理和規(guī)律，做到了“舉一反三”，解決了學(xué)習(xí)的“廣度”問(wèn)題。

綜上所述，隱性知識(shí)對(duì)問(wèn)題的解決起著最直接的作用，成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要手段和途徑。高中物理教學(xué)要重視對(duì)隱性知識(shí)的挖掘和使用，給學(xué)生打造平臺(tái)、創(chuàng)造機(jī)會(huì)，促進(jìn)思維的發(fā)展和學(xué)科素養(yǎng)的提高。

（責(zé)任編輯 徐德明）