大學(xué)物理教學(xué)中的常用科學(xué)方法

黃 熙，張隆洋

(1. 武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430073;2.黃石五中,湖北 黃石 435000)

大學(xué)物理教學(xué)中的常用科學(xué)方法

黃 熙1，張隆洋2

(1. 武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430073;2.黃石五中,湖北 黃石 435000)

針對目前學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的現(xiàn)狀和認(rèn)識上的誤區(qū)，探索了大學(xué)物理教學(xué)中所涉及到的科學(xué)方法，教學(xué)活動。教師運(yùn)用好這些方法可培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生對《大學(xué)物理》和其它自然科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，也有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

大學(xué)物理;教學(xué);科學(xué)方法

0 引言

《大學(xué)物理》是高等院校理工科各專業(yè)的一門必修課。通過這門課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生思考問題時(shí)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性，可以提高學(xué)生分析問題的邏輯推理能力;從而使學(xué)生具備一定的科學(xué)素質(zhì)和人文素養(yǎng)。該課程所論及的科學(xué)思想和方法，在自然科學(xué)、工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會科學(xué)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。然而在實(shí)際的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理的內(nèi)容與中學(xué)物理差不多，甚至認(rèn)為大學(xué)物理僅僅是中學(xué)物理的簡單重復(fù)，這樣很容易走進(jìn)一個(gè)認(rèn)識上的誤區(qū)[1]，以至于學(xué)習(xí)大學(xué)物理興趣不高，甚至“無用論”，這也是導(dǎo)致大學(xué)物理“掛科率”高的主要原因之一。基于目前這種“無用論”，本文重點(diǎn)討論在大學(xué)物理教學(xué)中所用到的科學(xué)方法。

1 極限法

2 微積分的“以直代曲”法

3 分離變量法

4 旋轉(zhuǎn)矢量法

旋轉(zhuǎn)矢量法對于研究簡諧運(yùn)動和簡諧波問題帶來了很大的方便[5]。在旋轉(zhuǎn)矢量圖上，不僅可以簡單明了確定作簡諧運(yùn)動的物體的位移x，而且還能確定它的速度v和加速度a，為我們提供了一幅直觀而清晰的簡諧運(yùn)動圖像，而且一目了然地弄清相位的概念和作用，對進(jìn)一步研究簡諧運(yùn)動的合成帶來了方便。

5 模型法

在物理學(xué)中，有許多理想化的物理模型，這些模型都是經(jīng)過科學(xué)抽象形成的，目的是為了突出研究對象的主要性質(zhì)，暫不考慮一些次要的因素。比如質(zhì)點(diǎn)，就是忽略物體的大小和形狀對物體運(yùn)動的影響，而當(dāng)作是一個(gè)具有質(zhì)量的點(diǎn)。再比如剛體，就是考慮如果在外力作用下，物體的形狀和大小不發(fā)生變化，也就是說，物體內(nèi)任意兩點(diǎn)間的距離都保持恒定，這種理想化的物體[3]。還有在熱力學(xué)中，為了推導(dǎo)理想氣體的壓強(qiáng)公式，我們首先建立了理想氣體的微觀模型，把理想氣體看成是由大量的不斷作無規(guī)運(yùn)動的、本身體積可以略去不計(jì)的、彼此間相互作用可不予考慮的彈性小球所組成。在討論自由度概念時(shí)，我們引入了剛性雙原子分子(“啞鈴式雙原子分子”)和非剛性雙原子分子(“非啞鈴式雙原子分子”)等理想模型。

6 從特殊到一般歸納推理法

所謂歸納推理，就是從個(gè)別性知識推出一般性結(jié)論的推理，或者由某類事物的部分對象具有某些特征，推出該類事物的全部對象都具有這些特征的推理，是從部分到整體，從特殊到一般的過程。該方法在許多學(xué)科都有應(yīng)用[6]。比如，在電磁學(xué)中，電場高斯定理、磁場的安培環(huán)路定理的推導(dǎo)，都用了這種方法[3]。

7 猜想法

猜想是對研究的對象或問題進(jìn)行觀察、聯(lián)想、類比等，是依據(jù)已有的材料和知識做出符合一定的經(jīng)驗(yàn)與事實(shí)的推測性想象的思維方法[7]。物理學(xué)家牛頓曾經(jīng)說過：“沒有大膽的猜想，就作不出偉大的發(fā)現(xiàn)。”，可見，猜想可以培養(yǎng)我們探索自然界奧秘的能力，可以激發(fā)創(chuàng)新思維。在電磁學(xué)中，物理學(xué)家麥克斯韋提出了“有旋電場”(變化的磁場可以產(chǎn)生電場)和“位移電流”(變化的電場可以產(chǎn)生磁場)兩個(gè)假設(shè)，從而建立起了完整的電磁場理論，并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在。在量子力學(xué)中，正是物理學(xué)家普朗克大膽提出了“能量子”假設(shè)，從而解決了黑體輻射中的“紫外災(zāi)難”問題，揭開了量子力學(xué)發(fā)展的序幕；正是物理學(xué)家愛因斯坦提出了“光量子”假設(shè)，從而從理論上成功說明了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，也因此獲得了“諾貝爾物理學(xué)獎”。

8 量綱分析法

9 對比法

所謂對比法就是把相近、相似、相對的概念、規(guī)律、研究方法進(jìn)行對比，找出它們的共性和個(gè)性差異[8～9]。對比法在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用得非常之多。下面我們就從物理概念、基本規(guī)律、研究方法三個(gè)方面進(jìn)行說明。

9.1物理概念上的對比

物理概念是否清晰，對運(yùn)用物理規(guī)律至關(guān)重要。很多物理概念具有可比性，比如，表1給出了靜電場與感應(yīng)電場的對比：

表1 靜電場與感應(yīng)電場的對比

表2給出了傳導(dǎo)電流與位移電流的對比：

表2 傳導(dǎo)電流與位移電流的對比

表3給出了機(jī)械波與電磁波的對比：

表3 機(jī)械波與電磁波的對比

還有振動與波動，簡諧波與駐波，干涉與衍射，牛頓絕對時(shí)空觀與愛因斯坦相對時(shí)空觀。

9.2物理規(guī)律上的對比

為了更好理解剛體的定軸轉(zhuǎn)動，我們可以將剛體力學(xué)與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)進(jìn)行對比，我們發(fā)現(xiàn)只要將一些物理量進(jìn)行替換，剛體力學(xué)所有公式與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)公式，在形式上一模一樣，詳細(xì)可以參考馬文蔚改編《物理學(xué)》(第五版)上冊[3]P127表4-3質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動與剛體定軸轉(zhuǎn)動對照表。再比如，我們可以將靜電場與穩(wěn)恒磁場進(jìn)行對比：

表4 靜電場與穩(wěn)恒磁場的對比

除了上述對比外，還有電偶極子與磁偶極子，電介質(zhì)與磁介質(zhì)同場的相互作用。通過這些對比，我們可以清楚看到靜電場與穩(wěn)恒磁場本質(zhì)上的區(qū)別以及相似的地方。當(dāng)然，還有些規(guī)律它們之間沒有什么聯(lián)系，但是數(shù)學(xué)表達(dá)形式是一樣的，比如庫侖定律和萬有引力定律。

9.3研究方法上的對比

在熱力學(xué)中，熱力學(xué)基礎(chǔ)這部分內(nèi)容根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，給出了宏觀物體熱現(xiàn)象的規(guī)律，它是對熱力學(xué)的宏觀描述，其特點(diǎn)是具有可靠性，但是“知其然而不知其所以然”；氣體動理論這部分內(nèi)容以氣體分子的熱運(yùn)動為研究對象，應(yīng)用模型假設(shè)和統(tǒng)計(jì)方法，揭示宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)，它是對熱力學(xué)的微觀描述，其特點(diǎn)是有局限性，與實(shí)際有偏差，不可任意推廣。這兩種研究熱力學(xué)的方法相輔相成。

通過上述的討論，我們看到，通過對比可以使學(xué)生深刻地理解物理概念、規(guī)律、方法的本質(zhì)，了解它們之間的聯(lián)系和區(qū)別，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)、分析綜合能力。

10 結(jié)束語

以上我們討論了極限法、微積分的“以直代曲”法等9種科學(xué)方法，當(dāng)然大學(xué)物理教學(xué)中所涉及的方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。對科學(xué)方法的探索，有助于激發(fā)學(xué)生對自然科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，有助于開展高等教育改革所必須的素質(zhì)教育和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)。

[1]黃 熙.如何做好大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的有效銜接[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,(4):104～108.

[2]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)第六版上冊[M]. 北京：高等教育出版社,2007.

[3]馬文蔚.物理學(xué)(第五版)上冊[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[4]金向陽, 陳飛明.大學(xué)物理學(xué) 上冊[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2013.

[5]馬文蔚.物理學(xué)(第五版)下冊[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[6]潘金元.在生物學(xué)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生利用歸納推理法建立數(shù)學(xué)模型[J].生物學(xué)通報(bào),2010,45(8):35～36.

[7]錢常寶.高等院校數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中“數(shù)學(xué)猜想法”的運(yùn)用[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào),2007,23(5):107～110.

[8]對比法在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].齊齊哈爾師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2007,98(4):129～130.

[9]韓德培.物理教學(xué)中的對比法[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1992,26(4):529～532.

[10]陳飛明,金向陽.大學(xué)物理學(xué) 下冊[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2013.

Thecommonscientificmethodintheteachingofuniversityphysics

HUANG Xi，ZHANG Long-yang

(1.School of Electronic and Electrical Engineering，Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China;2. Huangshi No. 5 Middle School，Huangshi 435000，China)

Aim to the current situation and misunderstanding on the study of university physics, we explore the scientific method involved in the teaching of university physics, which can cultivate and stimulate the students' interest of natural sciences and improve the students' scientific accomplishment.

university physics; teaching; scientific method

2013—12—24

湖北省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2009年度教育信息化專項(xiàng)研究課題(2009B453)資助

黃熙(1981— )，男，湖北大冶人，講師，在讀博士，主要從事大學(xué)物理教學(xué).

G642.4

A

1009-2714(2014)02- 0111- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.026