物理教學(xué)中科學(xué)方法顯性化嘗試

王新星

(南京市第十三中學(xué) 江蘇 南京 210008)

思維方法是在人腦進(jìn)行的操作過程和方法，當(dāng)思維方法結(jié)合高中物理課程便形成了理想模型，整體、隔離，等效替代法等是可操作、具體的物理科學(xué)思維方法.以往的物理教育中往往強(qiáng)化物理知識的建構(gòu)，強(qiáng)調(diào)滲透和鋪墊，追求學(xué)生在潛移默化的熏陶中，水到渠成地體會和領(lǐng)悟科學(xué)思維方法，但結(jié)果往往并不理想，很多學(xué)生由于多年的習(xí)慣，老師講什么就聽什么，往往缺少對于知識背后科學(xué)思維方法的體味.近些年的高考試題中也非常重視對科學(xué)思維方法的考查，抽象的科學(xué)思維方法不能再羞羞答答地躲藏在知識背后，必須大方地走向前臺.

牛頓運(yùn)動定律在高中物理教學(xué)中具有重要的地位，而牛頓運(yùn)動定律的建立和完善的歷史過程中也蘊(yùn)含著非常豐富的科學(xué)思維方法.以往的教學(xué)中過于強(qiáng)化牛頓運(yùn)動定律本身，而忽視了其背后隱藏的巨大的邏輯力量.教師在教學(xué)中有必要提出科學(xué)思維方法的內(nèi)容，使得科學(xué)思維方法顯性化.

1 牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計 展現(xiàn)理想實驗的魅力

1.1 歷史回顧 情境引入(略)

1.2 重走探究之路 體味理想實驗方法

左斜面固定，右斜面傾角可變.實驗中我們設(shè)定小球始終從左斜面定位卡處由靜止釋放.

(1)固定右斜面，改變小球所受的摩擦，觀察小球上升的最大高度怎樣變化.重復(fù)一次.

思考：

1)小球所受摩擦阻力的大小與小球上升的最大高度之間有什么關(guān)系？

2)摩擦阻力的大小與釋放點到上升的最高點的高度差是什么關(guān)系？

3)如果沒有摩擦，小球會上升到多高的地方？

(2)減小右斜面傾角，觀察小球沿斜面運(yùn)動的最遠(yuǎn)距離怎樣變化.重復(fù)一次.

思考：

1)減小右斜面傾角，小球沿斜面運(yùn)動的最遠(yuǎn)距離如何變化？

2)如果沒有摩擦，減小右斜面傾角，沿斜面滾動的最遠(yuǎn)距離怎樣變化？小球?qū)⑸仙蕉喔叩牡胤剑?/p>

(3)將右斜面放平，釋放小球，觀察小球的運(yùn)動.

思考：

1)如果水平木板足夠長，小球會停下來嗎？

2)如果沒有摩擦，水平木板足夠長，小球?qū)L到哪里去呢？

我們重溫了伽利略設(shè)計的理想斜面實驗．伽利略設(shè)計的理想斜面實驗以可靠的事實為基礎(chǔ), 把實驗與邏輯推理和諧地結(jié)合在一起, 指出力不是維持物體運(yùn)動的原因, 而恰恰是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因, 推翻了亞里士多德近兩千年的錯誤觀點.理想實驗不是憑空捏造的實驗，它是以可靠的實驗事實為依據(jù)的．理想實驗是一種邏輯推理活動，是人們在抽象思維中設(shè)想出來，而實際上無法做到的“實驗”．理想實驗=實驗(事實)+邏輯推理.通過可靠的實驗事實，加上合理的邏輯推理，得出規(guī)律的一種方法.理想斜面實驗設(shè)計如表1所示.

表1 理想實驗

1.3 補(bǔ)充完善 形成定律

(1)亞里士多德通過直覺的觀察提出問題，為科學(xué)家的研究確立了課題.

(2)伽利略提出不易察覺的摩擦力，并且應(yīng)用了一種科學(xué)思維實驗方法——理想實驗法，提出了運(yùn)動不需力來維持的觀點.

(3)笛卡兒補(bǔ)充和完善了伽利略的觀點，還提出該觀點應(yīng)該作為一個原理加以確立，并且是人類整個自然觀的基礎(chǔ).

(4)牛頓總結(jié)出了動力學(xué)的一條基本定律，并提出了兩個重要的物理概念，即力和慣性.

2 牛頓第二定律——科學(xué)思維的綻放

2.1 提出猜想 引入新課——實驗猜想 理論推理

師：猜想是實驗不可缺少的環(huán)節(jié)，物體的加速度與哪些因素有關(guān)呢？請同學(xué)們從生活經(jīng)驗出發(fā)提出自己的看法，然后做定性分析，猜想三者之間的關(guān)系，并舉例說明.

生：(1)與物體受到的外力的關(guān)系.

與物體受到的外力有關(guān).例如,騎自行車用力剎車時，用的力越大,車越容易停下來，即阻力越大，自行車減速的加速度越大.

應(yīng)該是與物體受到的合外力有關(guān),分析如下.用大小不一樣的力推大石頭，推不動，是因為大石頭同時受到摩擦力的作用，受到合外力為零，因此，加速度也為零.

(2)與物體質(zhì)量的關(guān)系.

與物體的質(zhì)量有關(guān).例如,人分別用相同的力推自行車和摩托車時，自行車比較容易加速啟動，而摩托車則較難.也就是說在相同力的情況下，質(zhì)量較小的自行車獲得的加速度就較大.

……

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出猜想,即物體的加速度a只與它所受合外力F和物體本身的質(zhì)量m有關(guān).

學(xué)生在生活中對“影響物體加速度大小的因素”有所認(rèn)識，但這些認(rèn)識往往是片面的、不準(zhǔn)確的.因此，要讓學(xué)生充分地表達(dá)已有的認(rèn)識，在這過程中教師利用課件提供一些圖片，對學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)，引導(dǎo)他們不斷修正自己的觀點，從而形成對科學(xué)的認(rèn)識.

從理論的角度加以分析，有利于培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力，有利于培養(yǎng)邏輯思維能力.引導(dǎo)學(xué)生從理論推導(dǎo)：

2.2 探究a與F和m的定量關(guān)系——控制變量法

(1)確定研究方法

師：我們應(yīng)該采用什么樣的物理方法來研究a與F,m的定量關(guān)系呢？

生：控制變量法.

師：物理學(xué)中對于多因素(多變量)的問題，常常采用控制因素(變量)的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題．每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余因素不變，從而研究被改變的因素對事物的影響，分別加以研究，最后，再綜合解決，這種方法叫控制變量法．它是科學(xué)探究中的重要方法，廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實驗研究中．控制變量法是中學(xué)物理常用的探索問題和分析解決問題的科學(xué)方法之一．

你認(rèn)為在使用控制變量法探究3個物理量之間關(guān)系的過程中，哪些物理量比較容易控制?

預(yù)測學(xué)生的回答是合外力、質(zhì)量.

(2)分兩步進(jìn)行研究

保持研究對象的質(zhì)量m一定時，研究加速度a和合外力F的關(guān)系.

保持研究對象受到的合外力F一定時，研究加速度a和質(zhì)量m的關(guān)系.

然后,綜合兩次的研究結(jié)果，進(jìn)行推理和歸納，便可找出a與m,F三者之間存在的關(guān)系.

2.3 實驗驗證

為了使研究的問題更明確些，選取在水平軌道上的小車作為研究對象，在小車的前端拴一根細(xì)繩，繞過滑輪，在下面系一個小桶，小桶里放入適當(dāng)?shù)捻来a，釋放小桶，小車就受到一個水平方向的恒定的拉力，拉力的大小就等于帶法碼的小桶的總的重力.

師:那么，這3個物理量，我們應(yīng)該用什么樣的儀器來測定呢？

生:小車的質(zhì)量可以用天平測量，改變小車的質(zhì)量，可以通過加固不同的定片來實現(xiàn)，測量桶的重力就知道了作用力的大小, 改變桶里砝碼的質(zhì)量，就可以改變作用力.

師: 在設(shè)計測拉力的方法時，把小桶與小桶中砝碼的總重力當(dāng)作研究對象受到的拉力，這是有條件的，即小桶與小桶中砝碼的總重力遠(yuǎn)小于小車的重量(條件限制可作為課后研究課題，學(xué)完牛頓運(yùn)動定律的應(yīng)用后方能解決).

可見，這3個量中能否準(zhǔn)確、有效地測定物體的加速度是實驗的關(guān)鍵，也是實驗的難點.

方案1：打點計時器.

根據(jù)勻變速直線運(yùn)動的特點Δx=aT2, 測加速度.

方案2: 用光電門傳感器(圖1).加速度a為

圖1

方案2便于操作，且實驗誤差較小.用課件顯示具體的實驗步驟，有助于學(xué)生較為規(guī)范地完成實驗.

2.4 數(shù)據(jù)處理

操作1 ：研究質(zhì)量一定時a與F的關(guān)系——圖像法

控制小車質(zhì)量不變,分別用不同的重力來提供小車?yán)? 產(chǎn)生不同的加速度.從表格上可以看出,加速度隨外力增大而增大, 但是否成正比關(guān)系呢? 雖然通過數(shù)據(jù)的計算可以得到a與F成正比，但遠(yuǎn)沒有圖像來得直觀. 圖像具有直觀、形象、簡明的特點，能直觀地描述物理過程，形象地表達(dá)物理規(guī)律，簡潔地闡明各物理量之間的相互關(guān)系，是分析、研究問題常用的方法之一.對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,作出a-F圖, 畫出數(shù)據(jù)點, 發(fā)現(xiàn)這些點幾乎都落在一條過原點的傾斜的直線上, 說明加速度的確跟外力成正比關(guān)系.

操作2： 研究力一定時a與m的關(guān)系——化曲為直法

知識的總量在以驚人的速度急劇增長，知識更新的速度也越來越快.因此，我們不可能期待在學(xué)校的短短幾年里讓學(xué)生學(xué)完所有有關(guān)的知識，重要的是讓學(xué)生掌握科學(xué)思維方法，從而能夠自行地探究知識.然而現(xiàn)階段，教材和教參中只列出了知識點和相應(yīng)的教學(xué)要求，卻沒有明確指出科學(xué)思維方法的教學(xué)內(nèi)容和要求，這就需要我們所有教育工作者共同努力，填補(bǔ)科學(xué)思維方法教育的空白.

參考文獻(xiàn)

1 肖驍，邢紅軍.高中物理教學(xué)中的科學(xué)方法顯化研究.物理教師， 2010(3):1～3

2 李正福，李春密，邢紅軍.從隱性到顯性：物理科學(xué)方法教育方式的重要變革． 課程·教材·教法，2010，30(12):71～73