高中物理教科書中科學(xué)方法的挖掘與利用——以《電場強度》(粵教版高中物理選修3-1)一節(jié)為例

劉 冰

高中物理新課程改革提出的三維目標(biāo)中將“過程與方法”作為目標(biāo)予以凸顯。如何實現(xiàn)“過程與方法”目標(biāo)成為廣大物理教師思考與探索的重要話題，科學(xué)方法教育成為當(dāng)前研究的熱點之一。

科學(xué)方法教育的開展需要以知識為教學(xué)線索與基礎(chǔ)，教學(xué)需要以教科書作為藍本，因此，需要進一步思考如何挖掘與利用好教科書中的科學(xué)方法素材。在中學(xué)物理教學(xué)一線，不少教師往往只停留在認識到科學(xué)方法教育的重要性，但是對于怎樣從教科書中尋找相應(yīng)的科學(xué)方法并加以合理利用卻無從下手。筆者嘗試以《電場強度》(粵教版高中物理選修3-1)一節(jié)為例予以探討。

一、科學(xué)方法在《電場強度》中的挖掘與利用

高中物理中涉及科學(xué)方法主要有：理想化方法、控制變量法、隔離法、等效變換法、對稱法、模擬法、轉(zhuǎn)化法、類比法、作圖法等。上述各種科學(xué)方法的定義參見相關(guān)的文獻，此處不再贅述。挖掘物理教科書中的科學(xué)方法，主要是通過細致閱讀教科書，依據(jù)各類科學(xué)方法的定義將內(nèi)隱的科學(xué)方法進行顯化性地識別與判斷。下面以《電場強度》一節(jié)為例，探討科學(xué)方法的挖掘與利用。

1.轉(zhuǎn)化法在《電場強度》中的挖掘與利用

物理學(xué)中對于一些看不見、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的物理量，通常用一些較為直觀的現(xiàn)象去認識或用易測量的物理量間接測量，這種研究問題的方法稱為轉(zhuǎn)換法?！峨妶鰪姸取芬还?jié)中利用試探電荷來描述電場的性質(zhì)，實際上就隱含了“轉(zhuǎn)化法”的思想。電場的性質(zhì)是抽象的，用來描述電場性質(zhì)的物理量—電場強度也是無法直接測量的。利用轉(zhuǎn)化法，通過放置試探電荷，其電場力及其電荷量都是可測量的，用這兩個可測的物理量的比值來表征電場的強弱，這里正是轉(zhuǎn)化法靈活應(yīng)用的體現(xiàn)。

筆者建議，教學(xué)時可以先拋出問題：電場看不見、摸不著，如何來研究電場？而后引入轉(zhuǎn)化法的觀念：物理學(xué)上有一種方法稱為轉(zhuǎn)化法，用一些較為直觀的或者易于測量的物理量，來間接地測量看不見、摸不著的現(xiàn)象或物理量，此處我們就引入一個試探電荷。接著進一步拋出問題：大家想想，對于試探電荷，什么物理量是我們可以直接測量的？從而引導(dǎo)學(xué)生嘗試進行猜想與研究。在完成探究得出電場強度的概念和公式后，再次拓展與升華這種轉(zhuǎn)化法的方法：此處我們用到的轉(zhuǎn)化法，在不少地方都會用到，比如速度的測量就轉(zhuǎn)化為測量位移和時間，再比如要證明抽象的大氣壓強的存在，就轉(zhuǎn)化為可視化的馬德堡半球?qū)嶒灥?，都是將不易測量的物理量或抽象的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為易于測量的物理量或直觀的現(xiàn)象。由此幫助學(xué)生從不同的例子中領(lǐng)悟方法的普適性價值。

2.控制變量法在《電場強度》中的挖掘與利用

控制變量法是初中和高中物理中最為常見的，也最為學(xué)生所熟悉的一種方法，即在研究多個物理量關(guān)系時，只改變其中一個而控制其他物理量不變，從而簡化為研究多個單一物理量對某一個物理量影響的問題。在《電場強度》一節(jié)中，探究電場力與試探電荷電量關(guān)系的實驗便是利用了控制變量法。在導(dǎo)體A的電場中，先控制位置不變，用不同的電荷量，比較受到的電場力大小。再控制電荷量不變，將同一試探電荷放在電場中的不同位置，比較所受到的電場力，從而總結(jié)歸納出相應(yīng)的規(guī)律。

關(guān)于控制變量法的應(yīng)用，由于初中考試中凡涉及實驗方法的試題，基本上都填答控制變量法，學(xué)生已經(jīng)十分熟悉，一提到研究方法學(xué)生基本上異口同聲回答控制變量法，至于其他方法則不太了解，甚至部分學(xué)生錯誤地認為只有運用了控制變量法才是真正的科學(xué)研究?；谏鲜霈F(xiàn)狀，筆者建議，在高中階段涉及控制變量法使用的實驗中，除了點撥該方法外，也需要提醒學(xué)生：物理科學(xué)方法是多樣化的，控制變量法只是其中一種，其他方法比如理想化方法、轉(zhuǎn)化法等同樣重要，由此轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的方法論認識。

3.比值定義法在《電場強度》中的挖掘與利用

比值定義法就是用兩個基本的物理量的“比”來定義一個新的物理量的方法。比值法定義的基本特點是被定義的物理量往往是反映物質(zhì)的最本質(zhì)屬性的，它不隨定義所用的物理量的大小取舍而改變，比如物質(zhì)密度、電阻、場強、磁通密度、電勢差等。

《電場強度》一節(jié)在電場強度的定義旁邊，專門注釋了“比值定義法”五個字，并在本節(jié)末尾資料活頁中，具體闡釋了比值定義法，還列舉了初中學(xué)過的密度、電阻，進而類比該節(jié)提到的新物理量電場強度。在適當(dāng)?shù)奈恢脤⒖茖W(xué)方法進行闡釋是新課改各套教科書的創(chuàng)新之處，也體現(xiàn)了新課程“過程與方法”目標(biāo)的導(dǎo)向作用。教學(xué)中我們不必要求學(xué)生去記憶比值定義法的定義，也不能脫離具體的知識內(nèi)容純粹講科學(xué)方法，而應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過具體的例子來理解科學(xué)方法的價值，體味思想方法指導(dǎo)的魅力。

4.理想化方法在《電場強度》中的挖掘與利用

理想化方法就是借助于邏輯思維和想象力，有意識地突出研究對象的主要條件，排除次要因素和無關(guān)因素的干擾，在大腦中形成理想化的研究客體或相互聯(lián)系。理想化方法一般有三種形式：對物理條件的理想化、建立理想模型和進行理想實驗。

《電場強度》教科書中應(yīng)用了理想化方法的內(nèi)容，是計算點電荷的電場強度時隱含了點電荷本身是一種理想模型，當(dāng)帶電體之間的距離遠大于帶電體本身的尺寸，以至于帶電體本身的大小和形狀對帶電體間的作用力影響可忽略不計時，帶電體就可以看成點電荷?；浗贪娼炭茣凇峨妶鰪姸取芬还?jié)的討論與交流環(huán)節(jié)中，專門提出問題：公式E=F/q與公式E=kQ/r2都可以用來計算電場強度，它們有什么區(qū)別呢？實際教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生對上述問題進行思考，幫助學(xué)生回憶點電荷理想化模型，再次體會理想化方法的應(yīng)用。此處同樣可以進行拓展，幫助學(xué)生回憶各種已經(jīng)學(xué)過的理想模型，如質(zhì)點、光滑平面、細繩、點光源、平面鏡等。

5.模擬法在《電場強度》中的挖掘與利用

模擬法是以相似性原理為基礎(chǔ)，研究物質(zhì)或事物物理屬性變化規(guī)律的實驗方法。在探求物質(zhì)的運動規(guī)律和自然奧妙時，常常會遇到一些特殊的、難以對研究對象進行直接測量的情況，這時可人為地制造一個類似于被研究的對象或者運動過程的模型來進行實驗。例如，被研究的對象非常龐大或非常微小(巨大的原子能反應(yīng)堆、同步輻射加速器、航天飛機、宇宙飛船、物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、原子和分子的運動)、非常危險(地震、火山爆發(fā)、發(fā)射原子彈或氫彈)，或者研究對象變化非常緩慢(天體的演變、地球的進化)時，模擬法可以在這些研究中得到應(yīng)用。

具體到《電場強度》一節(jié)，粵教版教科書在闡釋電場線時指出，電場線的形狀可以通過實驗來模擬，把奎寧的針狀結(jié)晶或頭發(fā)屑懸浮在蓖麻油中，加上電場，微屑就會按照場強的方向排列，顯示出電場線的分布情況。這種用其他可視化的物體來替代模擬與顯化較難觀察的現(xiàn)象與過程，正體現(xiàn)了“模擬法”使用的巧妙。教學(xué)中在展示了相應(yīng)的模擬實驗現(xiàn)象后，可以引導(dǎo)學(xué)生思考：我們看見的蓖麻油中的這些線，是不是就是真實的電場線？大家能否說說這里用了怎樣的研究方法？既提醒學(xué)生模擬現(xiàn)象不可替代真實現(xiàn)象，又促使學(xué)生思考現(xiàn)象背后所應(yīng)用的研究方法，提升學(xué)生的思維能力。

6.數(shù)學(xué)模型方法在《電場強度》中的挖掘與利用

數(shù)學(xué)模型方法是一種通過建立和研究物理對象的數(shù)學(xué)模型來揭示對象的本質(zhì)特征和變化規(guī)律的方法，既包括公式模型，如萬有引力定律，也包括用幾何方法描述規(guī)律。《電場強度》一節(jié)中，電場的疊加，正是利用了矢量的平行四邊形法則這種幾何方法來研究電場合成的規(guī)律。

數(shù)學(xué)模型方法作為一種形式化的認識手段和方法，在物理學(xué)研究的各個領(lǐng)域可以說得到了充分的運用與體現(xiàn)。在《電場強度》關(guān)于電場疊加的教學(xué)中，在講解完具體操作方法后，可以進一步引導(dǎo)學(xué)生體會利用數(shù)學(xué)幾何圖形快捷解決物理問題的優(yōu)勢，也可以提及中國古代由于缺乏數(shù)學(xué)符號而在一定程度上使得科技發(fā)展滯后的教訓(xùn)，并指出前沿理論物理研究中大量地應(yīng)用了數(shù)學(xué)工具進行計算，提醒學(xué)生要打下扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

二、結(jié)束語

本文以《電場強度》(粵教版高中物理選修3-1)一節(jié)內(nèi)容為例，探討了教科書中涉及科學(xué)方法的挖掘與利用?？梢钥吹?，單純是一節(jié)內(nèi)容，便包括了轉(zhuǎn)化法、控制變量法、比值定義法、理想化方法、模擬法和數(shù)學(xué)模型方法等六種常見的科學(xué)方法，方法的點撥與適當(dāng)?shù)娘@化，能夠引導(dǎo)學(xué)生在理解與掌握相關(guān)知識的同時，進一步拓展與深化思維，從具體的知識層面上升到方法論層面，促進學(xué)生思維的新飛躍?？茖W(xué)方法教育是一項值得不斷深入思考與探索的工程，有待我們所有教育者的共同努力，任重而道遠。

[1]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島:中國海洋大學(xué)出版社,2000.

[2]邢紅軍.物理科學(xué)方法顯化教育的理論與實踐研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(24):73-74.