物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)重視科學(xué)方法顯性教育

左祥勝

摘 要：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過挖掘隱藏在教材中的科學(xué)方法并將其顯示出來，有助于學(xué)生了解知識(shí)的來龍去脈，準(zhǔn)確把握問題的實(shí)質(zhì)，能夠迅速找到解決問題的方法。不但能使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰胺治鰡栴}的能力得到加強(qiáng)，促進(jìn)學(xué)生良好思維品質(zhì)的形成，而且還能提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣與自信心。

關(guān)鍵詞：高中物理；實(shí)驗(yàn)；科學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）6-0012-4

1 高中物理科學(xué)方法教育的現(xiàn)狀

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在培養(yǎng)目標(biāo)中明確提出“高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從“知識(shí)與技能”“過程與方法”“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”等3個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。也就是說“過程與方法”與“知識(shí)與技能”“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”一樣，是新課程的重要維度，是教學(xué)中必須重視的環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前物理學(xué)科科學(xué)方法教育形勢(shì)不容樂觀。一是受物理教材的影響，科學(xué)方法以隱性方式存在于教學(xué)內(nèi)容中，需要教師自己挖掘，這樣不可避免地導(dǎo)致教師將科學(xué)方法教育放在次要位置。二是受應(yīng)試教育的影響，教師對(duì)“知識(shí)與技能”維度過分虔誠(chéng)，認(rèn)為學(xué)生只要考試能考高分就行了，方法掌不掌握無所謂，對(duì)科學(xué)方法教育意義的重要性認(rèn)識(shí)不夠清楚。表現(xiàn)在實(shí)際教學(xué)中要么沒有進(jìn)行科學(xué)方法教育，要么講解不到位。這種現(xiàn)象在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中尤為突出。

2 物理實(shí)驗(yàn)中科學(xué)方法顯性教育的必要性

“師者，所以傳道授業(yè)解惑也。”對(duì)廣大的教師而言，知識(shí)的傳授固然重要，教會(huì)學(xué)生掌握科學(xué)方法更可使其終身受益。若干年后，學(xué)生走出校門，他們對(duì)具體物理知識(shí)的記憶會(huì)逐漸淡化，而真正伴隨學(xué)生一生發(fā)展并持續(xù)發(fā)揮作用的并不是具體的知識(shí)，而是隱藏在知識(shí)背后處理物理問題的思想方法。物理學(xué)家玻恩曾說：“我榮獲1954年的諾貝爾獎(jiǎng)，與其說是因?yàn)槲宜l(fā)表的工作里包括了一個(gè)自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因?yàn)槟抢锇ㄒ粋€(gè)關(guān)于自然現(xiàn)象的新思想方法基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)?！笨茖W(xué)方法的顯性教育，就是教師在進(jìn)行物理學(xué)科教學(xué)時(shí)，挖掘隱藏在教材背后的科學(xué)方法并明確指出科學(xué)方法的名稱及適用條件，揭示科學(xué)方法的形成過程及內(nèi)涵。以達(dá)到理解知識(shí)、掌握方法和形成能力的目的，提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，從而形成終身學(xué)習(xí)的能力。實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中占有十分重要的地位，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們要細(xì)化所選取的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，把其中的操作與對(duì)應(yīng)的科學(xué)方法挖掘并顯化出來，要讓學(xué)生“知法”“學(xué)法”“用法”。只有這樣，當(dāng)學(xué)生面對(duì)具體問題時(shí)，才知道“怎么辦”“如何做”，真正達(dá)到知其所以然。

3 基于實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法顯性教育的教學(xué)設(shè)計(jì)

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)容。牛頓第二定律則具體地、定量地回答了加速度與所受外力、質(zhì)量的關(guān)系，是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的核心?！疤骄课矬w加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，不僅是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最重要的實(shí)驗(yàn)，也是高考頻繁關(guān)注的熱點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一。個(gè)中的緣由不僅因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)的難度大，數(shù)據(jù)處理與誤差分析復(fù)雜，更為重要的是在該實(shí)驗(yàn)中滲透了多種研究物理問題的科學(xué)方法，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，顯化科學(xué)方法教育是必要的。

3.1 確立實(shí)驗(yàn)對(duì)象各物理量之間關(guān)系所用的科學(xué)方法

猜想與假設(shè)

所謂猜想與假設(shè)就是人們運(yùn)用科學(xué)思維，根據(jù)已知的事實(shí)材料，對(duì)未知的事物及其規(guī)律所作的推斷和假定性的理論形態(tài)，猜想與假設(shè)是沒有經(jīng)過實(shí)踐充分證實(shí)的理論，是一種復(fù)雜的理論思維形式。

加速度是描述速度變化快慢的物理量。物體速度的改變即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，所以，我們也可以這樣認(rèn)為，加速度是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的物理量。物體加速度的大小與它受力的大小有關(guān)。例如，競(jìng)賽用的小汽車，雖然質(zhì)量與一般的小汽車相仿，但因?yàn)榘惭b了強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠獲得巨大的動(dòng)力，可以在四五秒內(nèi)從靜止加速到100 km/h。同時(shí)，物體加速度的大小與物體的質(zhì)量也有關(guān)。同樣動(dòng)力的小汽車與滿載貨物的貨車，從靜止加速到100 km/h，小汽車只需十幾秒鐘，而滿載貨物的貨車加速就慢得多。因此，物體加速度（a）的大小不僅與物體的質(zhì)量（m）有關(guān)、也與物體所受的外力（F）有關(guān)。并且，通過日常生活經(jīng)驗(yàn)我們有這樣的直覺，物體加速度的大小有可能與物體所受的外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比。

控制變量法

所謂控制變量法就是把多變量問題變成多個(gè)單變量問題。即每一次只改變其中的一個(gè)變量，控制余下的變量不變，研究被改變的這個(gè)變量對(duì)事件的影響，最后再綜合解決的方法，叫做控制變量法。控制變量法是科學(xué)探究中的重要思想方法，廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中。

物體加速度（a）的大小不僅與物體的質(zhì)量（m）有關(guān)，也與物體所受的外力（F）有關(guān)。那么，如何研究加速度（a）與力（F）、質(zhì)量（m）到底有怎樣的定量關(guān)系呢？在這里，涉及3個(gè)物理量之間的關(guān)系，物理學(xué)中對(duì)于多變量的問題，常常采用控制變量的方法。必須先控制其中的一個(gè)量不變，研究余下兩個(gè)量之間的關(guān)系。即先控制m不變，研究a、F之間關(guān)系，接著控制F不變，研究a 、m之間的關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境所用的科學(xué)方法

補(bǔ)償法（平衡摩擦力）

所謂補(bǔ)償法就是運(yùn)用某種技術(shù)手段，對(duì)研究對(duì)象因?yàn)榉N種不可抗拒的原因，使實(shí)驗(yàn)所需要滿足的條件受到破壞，所受到的影響加以彌補(bǔ)，就會(huì)使實(shí)驗(yàn)得到較好的結(jié)果，這種方法稱為補(bǔ)償法。

實(shí)驗(yàn)中，怎樣才能提供并測(cè)量物體所受的恒力？現(xiàn)實(shí)中，除了在真空中拋出或落下的物體（僅受重力）外，受一個(gè)力作用的物體幾乎是不存在的。然而，一個(gè)單獨(dú)的力的作用效果跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此，實(shí)驗(yàn)中力的含義可以是物體所受的合力。本實(shí)驗(yàn)中，物體在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的摩擦力是不容易測(cè)量出來的。并且當(dāng)物體質(zhì)量改變時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體所受到的滑動(dòng)摩擦力也隨之改變。因此，我們可以抬高長(zhǎng)木板的另一端（圖1），讓小車的重力沿斜面方向的分力來抵消掉滑動(dòng)摩擦力的影響（平衡摩擦力）。mgsinα=μMgcosα，μ=tanα，在數(shù)學(xué)變形中我們發(fā)現(xiàn)，平衡摩擦力只需要平衡一次摩擦力就可以了（與小車的總質(zhì)量無關(guān)），當(dāng)小車和鉤碼的質(zhì)量改變時(shí)，無需再次平衡摩擦力。

近似法

所謂近似法就是人們?cè)谟^察物理現(xiàn)象、建立物理模型、推導(dǎo)物理規(guī)律和求解物理問題時(shí)，為了認(rèn)識(shí)所研究問題的本質(zhì)屬性，往往突出實(shí)際問題的主要方面，忽略某些次要因素，使其成為理想化模型后進(jìn)行近似探討，這種方法叫近似法。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論所用的科學(xué)方法

圖像法

所謂圖像法就是將數(shù)據(jù)之間的關(guān)系用圖像表示出來，直觀地反映物理量的變化規(guī)律，便于進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果并求出某些物理量、建立關(guān)系式。用圖像法處理數(shù)據(jù)時(shí)有以下要求。①恰當(dāng)選擇坐標(biāo)，盡量使圖像“線性化”；②合理選擇坐標(biāo)原點(diǎn)，恰當(dāng)選擇單位；③準(zhǔn)確描繪圖線；④對(duì)圖線的斜率、截距、極值以及曲線下面積的物理意義，要作出正確解釋。圖像既給作圖帶來方便，又便于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)歸納法

所謂實(shí)驗(yàn)歸納法就是從一些特殊的事實(shí)中概括出一般性結(jié)論的思維方法，是從許多同類的個(gè)別事物中找出它們共同點(diǎn)的過程。

通過多次類似的實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖，我們發(fā)現(xiàn)a∝F和a∝1/m。現(xiàn)在將兩者綜合起來，可以得出a∝F/m，即F=kma。在這個(gè)關(guān)系中，比例系數(shù)k的選取就有一定的任意性，只要是常數(shù)，它就能正確表示F與m、a之間的比例關(guān)系。所以，物理學(xué)家當(dāng)初就規(guī)定，當(dāng)物體的質(zhì)量是m=1 kg、在某力的作用下它獲得的加速度是a=1 m/s2時(shí)，F(xiàn)=ma=1 kg﹒m/s2。我們就把這個(gè)力叫做“一個(gè)單位的力”，即1 N。也就是說，如果質(zhì)量和加速度的單位分別用“千克”和“米每二次方秒”，力的單位是“千克米每二次方秒”（牛頓）時(shí)， k的值就等于1，最終得到了牛頓第二定律F=ma的表達(dá)式。

4 反思與總結(jié)

教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)：①通過挖掘隱藏在教材中的科學(xué)方法并將其顯示出來，能使學(xué)生了解知識(shí)的來龍去脈。不但能使學(xué)生快速的掌握知識(shí)，而且還能提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣與自信心。②學(xué)生通過“知法”“學(xué)法”“用法”，在實(shí)驗(yàn)操作中做到“有法可依”。能使學(xué)生準(zhǔn)確抓住問題的要害，迅速找到解決問題的方法，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰胺治鰡栴}的能力進(jìn)一步加強(qiáng)。③科學(xué)方法顯性教育，有利于促進(jìn)學(xué)生良好思維品質(zhì)的形成，創(chuàng)造性思維能力和創(chuàng)新意識(shí)得到了發(fā)展。因此，我們有理由相信，隨著新課程改革的不斷深入，教師“學(xué)法”“用法”的意識(shí)加強(qiáng)，科學(xué)方法顯性教育將會(huì)得到越來越多教師的共鳴，必將開辟物理教學(xué)的一片新天地。

參考文獻(xiàn)：

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[3]物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2015.

[4]物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（必修1）教師教學(xué)用書[M].北京：人民教育出版社，2009.

（欄目編輯 趙保鋼）