淺談物理教學(xué)中的科學(xué)方法教育

劉成斌

物理學(xué)的發(fā)展史是一部記錄科學(xué)成果的歷史，也是總結(jié)科學(xué)研究方法的歷史，物理學(xué)的發(fā)展史表明：許多物理家做出的重大貢獻(xiàn)與他們運(yùn)用正確的科學(xué)方法是分不開的。所以科學(xué)方法是科學(xué)成果獲得的重要條件。在物理教學(xué)中有意識(shí)地經(jīng)常對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理科學(xué)方法的教育和訓(xùn)練，是提高學(xué)生智力水平，培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)，逐步樹立科學(xué)世界觀，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的重要途徑。特別是在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展，知識(shí)爆炸，競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，我們更應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到：加強(qiáng)科學(xué)方法教育勢(shì)在必行!本文就在物理教學(xué)中怎樣進(jìn)行科學(xué)方法教育談些粗淺的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

一、利用物理學(xué)史和介紹科學(xué)家的創(chuàng)造發(fā)明思想進(jìn)行科學(xué)方法教育

物理學(xué)史蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)方法?？v觀物理學(xué)史中許多規(guī)律的發(fā)現(xiàn)可以看出，科學(xué)探索的過程，總是要在各種新的現(xiàn)象和已有的理論中提出各種問題，預(yù)先做出假設(shè)，然后進(jìn)行驗(yàn)證。這是一種由問題和矛盾出發(fā)，帶有猜測(cè)性和探索性的科學(xué)研究方法，這種科學(xué)方法可以總結(jié)為：

許多偉大的科學(xué)家的創(chuàng)造發(fā)明，建立了豐功偉業(yè)，這與他們的天才和廣博的知識(shí)有關(guān)，但根本的原因還是他們?cè)诳茖W(xué)的征程中找到了正確合理的研究方法。例如：歐姆應(yīng)用水流和電流進(jìn)行類比的方法總結(jié)出歐姆定律；卡文迪許通過類比加猜想。加之巧妙的實(shí)驗(yàn)，得到了電荷間作用力的規(guī)律。這就是類比觸發(fā)靈感，喚起創(chuàng)造性思維取得的非凡成果。巴耳末由于他堅(jiān)定美的信念，直覺地猜測(cè)出了表征氫光譜線波長(zhǎng)規(guī)律的公式，這是猜想在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中起重大作用的典范。法拉第由電能生磁逆向思維考慮到磁是否能生電?通過反復(fù)不斷的實(shí)驗(yàn)，最后概括出最后的法拉弟電磁感應(yīng)定律，這是逆向思維的啟迪結(jié)果。富蘭克林在做靜電實(shí)驗(yàn)研究“地電”的問題時(shí)，他的夫人不小心碰倒了萊頓瓶，意外地發(fā)生了閃電，這使他使他與天空中的閃電現(xiàn)象進(jìn)行了聯(lián)想，從而對(duì)自然界中電的本質(zhì)認(rèn)識(shí)有了重大發(fā)展，進(jìn)而證實(shí)并建立了電荷守恒定律，這就是聯(lián)想引起的靈感和創(chuàng)見?？茖W(xué)巨人愛因斯坦從一個(gè)最平凡、最簡(jiǎn)單，也被人們長(zhǎng)期以來認(rèn)為是不成問題的問題，亦即“同時(shí)性”問題打開突破口，開創(chuàng)了新的理論——相對(duì)論。他又從幾百年來已被物理學(xué)家注意的另一個(gè)基本事實(shí)——慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等中，以豐富的想象力，設(shè)想了一個(gè)無引力空中木箱，通過內(nèi)部的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，來證實(shí)引力場(chǎng)與加速系等效，從而發(fā)現(xiàn)了廣義相對(duì)論的等效原理。這就是科學(xué)家創(chuàng)造性思維的啟示。

二、在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)方法教育

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)。要在演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生掌握觀察方法。觀察作為一種科學(xué)方法，需要在教學(xué)中認(rèn)真培養(yǎng)。為此，必須做到以下幾點(diǎn)：

1結(jié)合實(shí)際，啟發(fā)學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真觀察物理現(xiàn)象，勤于思考問題的習(xí)慣。例如：講物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求學(xué)生觀察以不同的參照物看物體的運(yùn)動(dòng)情況，最好體驗(yàn)一下坐在汽車或火車上的情景。在學(xué)習(xí)“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”時(shí)，讓學(xué)生觀察“氣墊導(dǎo)軌上的彈簧振子”的實(shí)驗(yàn)，即先讓導(dǎo)軌水平，然后逐漸抬起導(dǎo)軌的一端使之傾斜發(fā)現(xiàn)振子的振動(dòng)周期不變，這是為什么?若導(dǎo)軌水平時(shí)在滑塊(振子)上加放砝碼，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)周期變大，這是為什么?若用手把彈簧從中間部位固定發(fā)現(xiàn)振動(dòng)周期變小，這又是為什么?

2創(chuàng)造條件，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察什么?為何觀察?這就要求教師給學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)，明確觀察點(diǎn)，提出思考問題。例如：在學(xué)習(xí)摩擦力時(shí)，用自制教具做了這樣的演示：在一條橡皮墊上放一小磚塊，小磚塊在連著一個(gè)彈簧秤。實(shí)驗(yàn)時(shí)，一手拉動(dòng)彈簧秤的另一端，另一手固定橡皮墊，彈簧秤的指數(shù)由零逐漸變大，這是為什么?當(dāng)磚塊開始滑動(dòng)時(shí)，讀數(shù)變小，這又是為什么?通過實(shí)驗(yàn)說明：開始時(shí)磚塊受到的是靜摩擦力，由小變大，達(dá)到最大時(shí)為最大摩擦力，當(dāng)磚塊開始滑動(dòng)時(shí)，磚塊受的是滑動(dòng)摩擦力，說明滑動(dòng)摩擦力比最大靜摩擦力小。

3教給學(xué)生進(jìn)行觀察的一些具體方法。主要有：①對(duì)比觀察法。例如，在研究透鏡成像規(guī)律中，蠟燭在焦點(diǎn)內(nèi)和焦點(diǎn)外，像的性質(zhì)有什么不同。②分步觀察法。對(duì)于復(fù)雜的物理現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生按一定的步驟、程序進(jìn)行觀察。如在研究牛頓第二定律時(shí)，先控制力F一定，觀察加速度a與物體質(zhì)量的關(guān)系，再使物體質(zhì)量一定觀察加速度與外力F的關(guān)系，然后再歸納總結(jié)得出a=F／m。③歸納觀察法。即從一個(gè)個(gè)的現(xiàn)象中，先得出一個(gè)個(gè)結(jié)論，然后歸納出一般的規(guī)律，這是一種由特殊到一般的認(rèn)識(shí)過程。例如，力的概念是從推、拉、提、壓……等現(xiàn)象中，最后歸納出力是物體對(duì)物體的作用。再如在電磁感應(yīng)的教學(xué)中，通過幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn)。即閉合導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)；磁鐵插入或拔出螺線管時(shí)；用變阻器使螺線管中電流強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，以及改變磁通量變化速度等，從而總結(jié)出法拉第電磁感應(yīng)定律。

三、在概念和規(guī)律的教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)方法教育

科學(xué)方法體現(xiàn)在具體科學(xué)知識(shí)的認(rèn)知過程中，只有把認(rèn)知過程充分而又合理地展示出來，學(xué)生才能看到科學(xué)問題是怎樣提出來的，從什么角度，用什么方法去解決，從而學(xué)到科學(xué)的方法。這就要求我們?cè)诮虒W(xué)這中注意物理概念和規(guī)律的形成過程，按照學(xué)生的認(rèn)知過程，合理地設(shè)計(jì)教學(xué)方案和教學(xué)過程。例如，在進(jìn)行牛頓第一定律的教學(xué)時(shí)，可以設(shè)計(jì)如下教學(xué)程序：①提出問題：大多數(shù)人從生活經(jīng)驗(yàn)中都感受到，只有力的作用物體才能運(yùn)動(dòng)。難道只有力的作用物體才能運(yùn)動(dòng)嗎?沒有力的作用物體就不能運(yùn)動(dòng)嗎?②演示實(shí)驗(yàn)：讓小車從斜面頂端滑下，分別滑到鋪有毛巾、棉布和木板的平面上，觀察小車前進(jìn)的距離。③分析推論：從實(shí)驗(yàn)中可以看出，運(yùn)動(dòng)物體受到的阻力越小，它的速度就減小得越慢，它運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)。進(jìn)一步推理得出：在理想情況下，如果表面絕對(duì)光滑物體受到的阻力為零，它的速度將保持不變，從而概括出牛頓第一定律。這樣的教學(xué)可以讓學(xué)生領(lǐng)略到物理學(xué)中應(yīng)用邏輯與直觀、抽象與形象相結(jié)合的理想化論證方法。

四、在解題訓(xùn)練中進(jìn)行科學(xué)方法教育

解題訓(xùn)練是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。在解題訓(xùn)練中主要是進(jìn)行思維方法的訓(xùn)練，努力提高學(xué)生的思維能力和分析解決問題的能力。特別要重視變通性訓(xùn)練，即充分利用課本上的習(xí)題、例題加以適當(dāng)改造，改變問法、變換題型、增減題設(shè)條件等進(jìn)行訓(xùn)練。例如，有一個(gè)凸透鏡的焦距為15厘米，位于主光軸上一個(gè)點(diǎn)光源S距透鏡20厘米，求像點(diǎn)位置。這是一道簡(jiǎn)單常見的光學(xué)題，可把它進(jìn)行如下變換改造：

變換1：若使點(diǎn)光源在豎直平面內(nèi)沿垂直主光軸方向做振幅為2厘米的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則像點(diǎn)的振幅為多少?

變換2：若使透鏡在豎直平面內(nèi)沿垂直主光軸方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，已知像點(diǎn)的振幅為12厘米，那么透鏡的振幅是多少?

變換3：若用黑紙將透鏡遮出一半，點(diǎn)光源所成的像有什么變化?

變換4：若將透鏡從光心處垂直側(cè)面切成兩半，其成像情況怎樣?

變換1要求學(xué)生由定向思維發(fā)展到發(fā)散思維；變換2要求學(xué)生由正向思維過渡到逆向思維；變換3和變換4則要求學(xué)生借助形象思維到抽象思維。教學(xué)實(shí)踐證明，習(xí)題變換與思維訓(xùn)練不僅能加深對(duì)物理概念、規(guī)律的理解，而且是培養(yǎng)科學(xué)方法、提高思維的靈活性和思維的深刻性的一條有效途徑。

綜上所述，在物理教學(xué)中，教師在傳授物理知識(shí)的同時(shí)，一定要有意識(shí)地進(jìn)行科學(xué)方法教育，努力結(jié)合物理教學(xué)特點(diǎn)，誘導(dǎo)學(xué)生逐步掌握物理學(xué)研究的基本方法，即觀察實(shí)驗(yàn)法，科學(xué)抽象法和數(shù)學(xué)工具法。還要掌握特殊的研究方法，如比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、模型與模擬、猜想與假說、靈感與直覺等，不斷提高和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，把他們培養(yǎng)成為獻(xiàn)身科學(xué)、攀登科學(xué)高峰的—代新人。