高中物理概念建立中科學(xué)方法的顯化研究

段俊霞 張昌印 袁本利

☆專題：物理科學(xué)方法教育②☆

高中物理概念建立中科學(xué)方法的顯化研究

段俊霞1張昌印2袁本利3

在新一輪高中物理課程改革中，科學(xué)方法教育被提到與知識教育相提并論的高度，也就是說，科學(xué)方法跟科學(xué)知識一樣成為課程的重要內(nèi)容。鑒于此，本文深入研究高中物理概念建立過程中的科學(xué)方法顯化教育。

一、物理概念建立中的科學(xué)方法

科學(xué)方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的正確的思維方式和行為方式，是人們認識自然和改造自然的有效工具。物理概念是物理現(xiàn)象、物理過程的概括化和抽象化的思維形式，是物理學(xué)習(xí)或物理思維的基本單位，是物理基礎(chǔ)知識最重要的內(nèi)容。那么兩者之間存在著什么樣的邏輯呢？

有研究認為，科學(xué)方法支配著知識的獲得和應(yīng)用，科學(xué)方法是與科學(xué)知識平行的獨立體系。因此，顯化物理概念建立過程中所包含的科學(xué)方法，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念的過程中領(lǐng)悟其中的科學(xué)方法，就成為一項很有意義的研究。

顯化物理概念建立過程中所運用的科學(xué)方法，首先就要找出概念形成過程中都具有哪些科學(xué)方法。已有研究指出，高中物理常見的概念定義方法有乘積定義法、比值定義法、比例系數(shù)法、直接定義法。這些科學(xué)方法在高中教材各個系列中出現(xiàn)的次數(shù)，見表1：

表1 高中教材中科學(xué)方法統(tǒng)計表

由表1可以看出，比例系數(shù)法僅在必修系列中出現(xiàn)，可以暫不做深入的研究。而比值定義法和乘積定義法則是高中階段常用的兩種定義方法，定義物理概念的方法以及方法的邏輯內(nèi)涵往往在中學(xué)教材和教師講解中被忽略了，或者以錯誤的方式呈現(xiàn)給學(xué)生。許多物理概念的定義其實只能起到如何量度該物理量的效果，但是反映概念本質(zhì)的物理思想?yún)s并沒有體現(xiàn)出來。應(yīng)該強調(diào)指出的是，這種方法的本質(zhì)在教學(xué)中是很有必要讓學(xué)生明白的。因此，本文著重對兩種定義物理概念的科學(xué)方法的邏輯內(nèi)涵進行顯化研究。

二、比值定義法的教學(xué)邏輯

比值定義法就是用兩個或兩個以上物理量的比值去定義另一個物理量的方法。比值定義法的基礎(chǔ)是比較，就是要確定研究對象之間的差異點和共同點。既然要比較就要明確比較的統(tǒng)一標準，只有比較的標準統(tǒng)一，比較才有意義。所以比值定義法采用兩個或者多個物理量相比，就是在比較時選取相同標準的一個基礎(chǔ)。高中物理概念的建立中用比值定義法來定義的概念有很多，比如速度、加速度、功率、電場強度、磁感應(yīng)強度等。這些物理概念在定義的時候所用方法的本質(zhì)都是尋找統(tǒng)一的比較標準。

電場強度是高中電磁學(xué)部分重要概念之一，也是整個高中物理教學(xué)中重要的物理概念。但是高中教材或者教師講解時并沒有對電場強度這個概念的本質(zhì)以及建立這個概念的邏輯講清楚。本文以電場強度概念的建立為例來分析用比值定義法建立這個概念時的邏輯過程。

我們知道電場明顯的特征之一是對電場中其他電荷具有力的作用，而要描述這個作用力就需要引進新的概念，新概念的引入是從研究電荷在電場中所受的靜電力入手的。其基本思想就是用電荷在電場中所受靜電力的大小來表示電場的強弱。但是這種方法會出現(xiàn)以下三種情況：

(1)在電場中同一點(如A點)放不同量的電荷，這樣不同電荷受到的電場力是不相同的。

(2)在電場不同位置(如A、B兩個位置)放置相同的電荷，這樣電荷受到的電場力可能相同也可能不相同。

(3)在電場不同的位置(如A、B兩個位置)放置不同的電荷，這樣電荷受到的電場力也是可能相同也可能不相同。所以單純用電荷在電場中所受的電場力沒有辦法來表示電場的強弱。因為電荷量q不相同，位置也不相同，所以電場力比較的標準實際上是不一樣的，所以這種比較是沒有意義的。

以上三種情況可以歸結(jié)為兩類問題：第一是放置電荷的位置不相同，這個問題比較容易解決，我們只要把電荷放置在同一個位置就可以了。第二是電荷所帶的電荷量不同。電荷所帶的電荷量不相同，那么電荷所受到的電場力就不相同，也就沒有辦法比較。為了解決這個問題，我們就要選取相同的標準來比較。統(tǒng)一比較標準的辦法就是統(tǒng)一電荷量，即讓電荷在電場中所受到的力F比上該電荷量q。因為比的結(jié)果就是單位電荷在電場中所受到的電場力，這樣就解決了電場力比較標準不一致的問題。這時候我們得到一個比值F/q，該比值就可以用來表示電場中某一點的電場強弱。

然而，與定義電場強度的初始出發(fā)點不同的是，我們發(fā)現(xiàn)對于電場中特定的一點來說，這個比值F/q是既與電場力無關(guān)也與檢驗電荷無關(guān)的常量，它只與電場本身有關(guān)，可以表示電場的強弱。我們把檢驗電荷在電場中某點受到的電場力F與電荷q的比值，叫做該點的電場強度，簡稱場強，用E表示電場強度，寫成公式是E=F/q。這就是電場強度的最終定義式。

以上是用比值定義法的本質(zhì)來定義電場強度的教學(xué)邏輯，定義的出發(fā)點就是要找一個比較標準，但到最后卻得到了意外的收獲。這樣不但把比值定義法的本質(zhì)講清楚了，同時也把電場強度概念的來龍去脈和本質(zhì)講清楚了，達到了方法與知識并重，顯化方法的目的。

三、乘積定義法的教學(xué)邏輯

乘積定義法的本質(zhì)是積累，是某一個物理量在另一個或者幾個物理量上的積累。所以用乘積定義法定義的物理概念其量的大小都是由兩個或兩個以上的因素決定的。所以，要讓學(xué)生明白用乘積定義法定義的概念是哪個物理量對什么積累的結(jié)果。在講這一類概念的時候，首先要明確我們所要解決的問題，然后解釋用積累的思想來解決，最后得到新的物理概念。學(xué)生在這個過程中也就明白了新定義的這個物理概念的含義，以及新概念的定義式中各個物理量的具體含義。高中常見的用乘積定義法定義的概念有功、沖量、動量等。這些物理概念在定義的時候都用到了積累的思想。

有些物理概念雖然運用了乘積的思想，但是并不是由乘積定義法直接定義的，也不能單純從概念的定義式本身來體會其中積累的思想。因此，如果我們想要更深刻地理解這個物理概念的話，就需要從不同的角度來挖掘這個概念的本質(zhì)。比如動量概念：動量是高中物理中研究機械運動的重要概念之一，它是對物體機械運動的量度，是描述物體機械運動的一個狀態(tài)量，其表達式是P=mv。但是想要更深入地理解動量概念的本質(zhì)，就需要從動量定理的角度來分析，用乘積定義法的思想來理解。

動量定理的內(nèi)容為物體動量的增量等于它所受合外力的沖量，即Ft=Δmv。對于一個特定的物體來說，它的動量發(fā)生變化換一種說法就是速度發(fā)生了變化，即物體的運動狀態(tài)要發(fā)生改變。牛頓運動定律表明物體運動狀態(tài)發(fā)生變化是因為合外力不為零，物體在合外力的作用下經(jīng)過一段時間速度發(fā)生改變，也就是動量改變了。所以動量的變化就反映了力在某一段時間內(nèi)的持續(xù)作用，即力對時間的積累效應(yīng)。這也正是乘積定義法的本質(zhì)所在。

動量的變化量Δmv與動量mv的單位是一樣，也就是說動量的變化量與動量描述機械能的量綱是相同的。如果我們讓一個靜止的質(zhì)量為m的物體在力F的作用下經(jīng)過時間t獲得某一速度v，即物體的動量增加了mv。那么物體的動量就是從時間的角度度量機械運動，它表示的就是力的積累效應(yīng)，其關(guān)系由動量定理Ft=Δmv反映。

以上教學(xué)邏輯反映的不僅僅是動量這個概念，而是動量背后的力學(xué)機制以及其中所蘊含的物理本質(zhì)。這個過程從乘積定義法的內(nèi)涵出發(fā)運用動量定理來深入地分析動量這個概念，這樣就很好地把乘積定義法融合到了教學(xué)過程中，用顯化的科學(xué)方法組織知識教學(xué)。

如果根據(jù)用比值定義法和乘積定義法的內(nèi)涵把重要概念的本質(zhì)講清楚了，學(xué)生就能夠很好地理解電場強度和動量所表達的深層含義，并且在這個過程中學(xué)會了如何運用科學(xué)方法。這樣在學(xué)習(xí)同類概念時能夠更容易、更深刻地理解。一旦遇到類似但是對學(xué)生又是陌生的實際問題時，就能從大腦中提取相關(guān)的科學(xué)方法去思考。因此，所謂顯化科學(xué)方法不是講科學(xué)方法的名稱和內(nèi)容，而是要把科學(xué)方法在概念教學(xué)中的邏輯講明白，這樣才能達到科學(xué)方法顯化的目的。

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段俊霞，在讀碩士研究生。張昌印，本科。袁本利，本科，中教一級。

1.首都師范大學(xué)。2.湖北省鄖西縣上津鎮(zhèn)二中。3.湖北省丹江口市第一中學(xué)。

本文系北京市“十一五”規(guī)劃教育科學(xué)重點課題“高中物理科學(xué)方法教育內(nèi)容顯化的理論與實踐研究”成果(編號:ABA08010)。