談中學(xué)物理教學(xué)中科學(xué)方法的教育

李茜

(孝感高級(jí)中學(xué) 湖北 孝感 432100 )

高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)把“過(guò)程與方法”作為物理課程標(biāo)準(zhǔn)的三維度之一.要求教師在引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的過(guò)程中，使學(xué)生體會(huì)和了解研究物理學(xué)的科學(xué)方法，能夠應(yīng)用物理知識(shí)和方法分析解決一些生活及生產(chǎn)中的物理問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，發(fā)展學(xué)生終身學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力.那么什么是科學(xué)方法？研究物理問(wèn)題采用的主要科學(xué)方法有哪些？物理教學(xué)中又怎樣對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育？下面是筆者的一些認(rèn)識(shí).

1 科學(xué)方法的內(nèi)涵及教育意義

科學(xué)方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造客觀(guān)世界的實(shí)踐活動(dòng)中，為了解決某一具體問(wèn)題，從實(shí)踐和理論上總結(jié)出來(lái)的正確的思維方式和行為方式.認(rèn)知心理學(xué)把科學(xué)方法分為弱認(rèn)知方法和強(qiáng)認(rèn)知方法.弱認(rèn)知方法指人們認(rèn)識(shí)事物的邏輯思維方法，是普遍適用于各個(gè)領(lǐng)域的一般的認(rèn)知方法，它包括分析、綜合、抽象、概括、類(lèi)比、判斷、演繹推理等方法.強(qiáng)認(rèn)知方法指特定專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的獨(dú)特的認(rèn)知方法，是包括弱認(rèn)知方法在內(nèi)的科學(xué)方法.比如物理學(xué)中的實(shí)驗(yàn)歸納法、控制變量法、理想模型法、等效替代法、類(lèi)比法、比值定義法、數(shù)學(xué)方法等.

趙凱華先生指出：“物理學(xué)是唯一的一門(mén)理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精密科學(xué)，物理學(xué)中有一套獲得知識(shí)、組織知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的最有效的科學(xué)方法，通過(guò)物理課程學(xué)習(xí)和掌握物理學(xué)的研究方法，對(duì)于科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)有好處 .”我們知道，物理學(xué)是包括物理方法論的科學(xué)體系，物理理論的形成和發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)方法的指導(dǎo).從物理教材中我們不難看出，每一個(gè)物理概念的建立，每一個(gè)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，無(wú)不滲透著科學(xué)家研究和探索物理世界的科學(xué)方法，它縱橫交錯(cuò)、貫穿于整個(gè)物理學(xué)之中，把不同的知識(shí)點(diǎn)連接起來(lái)構(gòu)成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系.科學(xué)事實(shí)證明，正確的方法是科學(xué)之魂，可以起到事半功倍的作用；物理學(xué)中每一次重大問(wèn)題的突破，必然伴隨著新的科學(xué)方法的產(chǎn)生和應(yīng)用.從某種意義上講，“方法”比“知識(shí)”更重要，因此，在物理教學(xué)中使學(xué)生知道和掌握研究物理學(xué)的科學(xué)方法，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

2 科學(xué)方法的教育內(nèi)容

物理學(xué)家在研究和描述物理現(xiàn)象、實(shí)施物理實(shí)驗(yàn)、建立物理概念、尋找物理規(guī)律、構(gòu)建物理理論的漫長(zhǎng)歷史過(guò)程中，采取了許多行之有效的手段，形成了一系列研究物理問(wèn)題的科學(xué)方法，通常稱(chēng)為物理方法.物理方法是科學(xué)方法的重要組成部分，不僅推動(dòng)了物理學(xué)自身的發(fā)展，還促進(jìn)了其他科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，具有一般科學(xué)方法的價(jià)值.中學(xué)物理中的科學(xué)方法主要有以下幾種.

2.1 抽象概括法

指認(rèn)知者在對(duì)某類(lèi)客觀(guān)事物現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)事實(shí)充分感知、形成清晰表象的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分析、綜合、抽象、概括等邏輯思維方法，把事物現(xiàn)象共同的本質(zhì)屬性特征加以概括而形成概念或規(guī)律的思維方法，如力的概念的形成，楞次定律得出的方法.

2.2 理想(化)模型法

為了研究問(wèn)題的方便，在一定條件下，忽略研究對(duì)象的次要因素，突出和再現(xiàn)其主要因素，把研究對(duì)象進(jìn)行高度的簡(jiǎn)化和純化，建立反映研究對(duì)象主要特征模型的方法.如質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、點(diǎn)電荷、光線(xiàn)、勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)等都是理想化的物理模型.理想模型的建立，為研究實(shí)際物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，是一次科學(xué)思想的飛躍，是研究實(shí)際客體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的橋梁和紐帶.

2.3 實(shí)驗(yàn)歸納法

是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析綜合、總結(jié)歸納出物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)方法.它主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得，運(yùn)用分析概括、數(shù)學(xué)方法進(jìn)行加工整理，歸納出各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)得出物理規(guī)律.用實(shí)驗(yàn)歸納法得出的規(guī)律一般叫物理定律，如牛頓第二定律、動(dòng)量守恒定律、閉合電路歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等.

2.4 演繹推理法

從已知的一般性物理規(guī)律出發(fā)，通過(guò)分析和限制條件，運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、演繹推理出新的結(jié)論，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)上升為新的物理規(guī)律的方法.用演繹推理法得到的規(guī)律一般叫做定理.

演繹推理是由一般到個(gè)別的推理，要求以可靠的一般原理或規(guī)律為大前提，才能推出新的命題結(jié)論.

2.5 控制變量法

在用實(shí)驗(yàn)探究物理規(guī)律過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)物理量受幾個(gè)物理變量因素的影響或制約時(shí)，先將其他的變量因素加以控制，保持不變，而讓其中一個(gè)因素發(fā)生改變，進(jìn)而研究這個(gè)因素對(duì)該物理量的影響，由此總結(jié)出物理規(guī)律的方法.

如在研究物體的加速度a與受到的合外力F、物體質(zhì)量m的關(guān)系中，先保持物體的質(zhì)量m不變，發(fā)現(xiàn)物體的加速度與合外力F成正比；再保持合外力F不變，發(fā)現(xiàn)加速度a跟物體的質(zhì)量成反比，綜合得出牛頓第二定律.再如向心力的大小F=mrω2,安培力的大小F=BIL所滿(mǎn)足的規(guī)律都是采用了控制變量法得到的.

2.6 等效替代法

是在保證某一方面效果相同的前提下，用一種理想的、熟悉的、簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象(或物理對(duì)象、物理過(guò)程)替代實(shí)際的、陌生的、復(fù)雜的物理現(xiàn)象(或物理對(duì)象、物理過(guò)程)的思維方法.運(yùn)用等效替代法可使問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易；具體操作的關(guān)鍵，是要明確不同事物在什么條件，什么范圍，什么方面上是等效的.常見(jiàn)的等效替代關(guān)系有：

(1)物理量的等效替代，如在研究共點(diǎn)力的合成實(shí)驗(yàn)中，保證橡皮條伸長(zhǎng)量相同的前提下，找到了兩個(gè)互成角度的共點(diǎn)力的合成規(guī)律——力的平行四邊形定則.

(2)研究對(duì)象的等效替代，如電磁感應(yīng)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的等效電源，帶電粒子在電場(chǎng)、重力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)等效為復(fù)合場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，串并聯(lián)電路中的等效電路、等效電阻.

(3)物理過(guò)程或物理模型的等效替代，如電場(chǎng)的類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)與重力場(chǎng)中的平拋運(yùn)動(dòng)等效，動(dòng)量守恒問(wèn)題中等效的“人船模型”.

2.7 類(lèi)比法

2.8 比值定義法

為了表示物質(zhì)的本質(zhì)屬性特征和物體的運(yùn)動(dòng)特征，采取比值的形式定義一個(gè)物理量的方法.物理學(xué)中用比值定義的物理量占有相當(dāng)大的比例.如用比值法表示物質(zhì)本質(zhì)屬性特征的物理量有：

它們的共同特征是：物質(zhì)的屬性是由物質(zhì)本身決定的，是一個(gè)不變的量，需要選取兩個(gè)或多個(gè)能反映物質(zhì)屬性特征的可測(cè)物理量，它們的比值是一個(gè)與可測(cè)量無(wú)關(guān)的定值.

用比值法表示物體運(yùn)動(dòng)特征的物理量有：

它們的共同特征是：在相同時(shí)間內(nèi)某物理量的變化量相等，用變化量和變化所用時(shí)間的比值表示物體的運(yùn)動(dòng)特征.

物理學(xué)中的科學(xué)方法很多，除了上述幾種方法外，還有圖像法、乘積定義法、轉(zhuǎn)換法、整體法、隔離法等等.

3 科學(xué)方法教育的途徑

巴甫洛夫認(rèn)為,重要的是科學(xué)方法、科學(xué)思想的總結(jié)，認(rèn)識(shí)一個(gè)科學(xué)家的方法遠(yuǎn)比認(rèn)識(shí)他的成果價(jià)值要大.在新課程理念下的物理教學(xué)中，應(yīng)該結(jié)合教學(xué)內(nèi)容適時(shí)、適度地對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育，將科學(xué)方法的教育落實(shí)到具體的教學(xué)環(huán)節(jié)之中，將科學(xué)方法教育滲透到物理知識(shí)的認(rèn)知活動(dòng)中，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)方法，掌握科學(xué)方法，學(xué)會(huì)用科學(xué)方法解決物理問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和發(fā)明創(chuàng)造能力.

然而，科學(xué)方法并沒(méi)有在物理教材中以文字的形式明確表述出來(lái)，而是以“隱形方式”隱含在物理知識(shí)體系之中，往往不易引起教師和學(xué)生的重視，容易被淡化或忽視，長(zhǎng)期以來(lái)使得科學(xué)方法的教育表現(xiàn)為隱性的教育方式.為了全面落實(shí)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，有效實(shí)施“過(guò)程與方法”的教育，需要教師變科學(xué)方法的“隱性教育”為“顯性教育”，在引導(dǎo)學(xué)生形成物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律過(guò)程中，在應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，應(yīng)該明確地指出科學(xué)方法的名稱(chēng)、內(nèi)容和操作過(guò)程，有目的、有計(jì)劃、有意識(shí)地進(jìn)行科學(xué)方法的教育，寓科學(xué)方法的教育于物理概念的形成之中，寓科學(xué)方法的教育于物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)之中，寓科學(xué)方法的教育于物理訓(xùn)練之中.

物理概念是對(duì)物理事物、物理現(xiàn)象本質(zhì)特征的高度概括和抽象，是構(gòu)建物理理論最基本的元素.物理概念分為定性概念和定量概念.定量的物理概念又稱(chēng)為物理量，不同物理量的定義所用到的方法一般是不同的，定量確定物理量單位大小的科學(xué)方法也不同.

比如，物理學(xué)中七個(gè)基本物理量(質(zhì)量m、長(zhǎng)度L、時(shí)間t、熱力學(xué)溫度T、電流強(qiáng)度I、摩爾量M、發(fā)光強(qiáng)度I)單位的定義，必須采用國(guó)際上規(guī)定的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和具體的實(shí)驗(yàn)操作程序來(lái)確定.由此可見(jiàn)，建立物理概念的過(guò)程必定有科學(xué)方法的參與.

在物理概念教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)每一個(gè)物理概念是怎樣形成的，運(yùn)用了哪些科學(xué)方法.同時(shí)應(yīng)向?qū)W生指出， 用科學(xué)方法建立起來(lái)的物理量，為定量認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物體運(yùn)動(dòng)物理規(guī)律奠定了數(shù)學(xué)計(jì)算、演繹推理的基礎(chǔ)；人們?cè)诖嘶A(chǔ)上采用一定的科學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)手段，在確定的條件下，建立起物理概念、物理量之間所滿(mǎn)足的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.物理學(xué)規(guī)律及科學(xué)方法的應(yīng)用又推動(dòng)了物理學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展.因此，結(jié)合物理概念的建立，物理規(guī)律的形成過(guò)程，及時(shí)介紹所用到的科學(xué)方法，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育的重要途徑.

1 中華人民共和國(guó)教育部 . 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn) .北京 ：人民教育出版社，2003

2 趙凱華. 對(duì)中學(xué)物理課程若干問(wèn)題之我見(jiàn). 物理教學(xué) ，2009，31(2)：2