物理學(xué)思維方法在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

毛強(qiáng)

（宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000）

大學(xué)物理教學(xué)一個(gè)非常重要的目的就是要培養(yǎng)和提升學(xué)生在專業(yè)技能、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)態(tài)度以及情感、價(jià)值觀等方面的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生終身發(fā)展、面對(duì)現(xiàn)代社會(huì)中的實(shí)際需求以及應(yīng)對(duì)未來(lái)社會(huì)發(fā)展需要打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而在實(shí)際教學(xué)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分學(xué)生在完成大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)后，大腦中只留存一些瑣碎的物理知識(shí)概念、物理名稱以及一些解題技巧，對(duì)于科學(xué)思維方法的理解和運(yùn)用更顯不足，顯而易見(jiàn)并沒(méi)有達(dá)到大學(xué)物理教學(xué)的目的。怎樣才能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)掌握物理知識(shí)的同時(shí)又能深刻理解和運(yùn)用物理學(xué)思維方法，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理課程教學(xué)的目的呢？這是一個(gè)非常值得去深究的課題。本文針對(duì)物理教學(xué)中科學(xué)思維方法教育理論的構(gòu)建以及在大學(xué)物理教學(xué)中融入物理科學(xué)思維方法教育的方式和途徑進(jìn)行了分析和探討。

1 物理教學(xué)中科學(xué)思維方法教育理論的構(gòu)建

物理學(xué)中的思維方法有：并列對(duì)稱、逆向思維、等效假設(shè)、等價(jià)轉(zhuǎn)換、依次簡(jiǎn)化、顯微迭加、共軛互補(bǔ)、類比思維、無(wú)限延伸等[1-6]。充分利用物理學(xué)中的思維方法，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考，用彼知識(shí)解決此知識(shí)。而這種思維方法的培養(yǎng)需要科學(xué)合理的理論構(gòu)想和清楚明確的理論應(yīng)用思路，需要將科學(xué)方法融入到大學(xué)物理實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，進(jìn)而正確引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行物理活動(dòng)，同時(shí)歸納出既具有代表意義的物理教學(xué)規(guī)律。

通常情況下，物理學(xué)科的基本知識(shí)涵蓋了物理概念、定律、基礎(chǔ)理論、方法和以上幾者間的關(guān)系。早在上世紀(jì)50年代，美國(guó)哈佛大學(xué)物理學(xué)教授霍爾頓就曾提出了物理學(xué)知識(shí)能力結(jié)構(gòu)模型，即物理學(xué)中的基礎(chǔ)內(nèi)容是通過(guò)實(shí)驗(yàn)(事實(shí))、物理思想(邏輯、方法論等)、數(shù)學(xué)(表述形式或計(jì)量公式)三方面構(gòu)成?；诖擞^點(diǎn)，逐漸形成了一種以物理知識(shí)能力為核心的教學(xué)理論并寫(xiě)入了物理教學(xué)法教科書(shū)中。此種教育理論的物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)圖

此物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)圖由5個(gè)區(qū)域構(gòu)成，即上(實(shí)驗(yàn))、下(延伸與應(yīng)用)、左(科學(xué)方法論)、右(數(shù)學(xué))、中(核心理論)，在顯示出物理學(xué)科中對(duì)于能力結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)又體現(xiàn)了我國(guó)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出的“具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力；能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論”[7]這一教學(xué)目標(biāo)。許多高校的大學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)科學(xué)思維方法的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)也是重要目標(biāo)之一。實(shí)際上，科學(xué)思維方法能傳送物理現(xiàn)象與物理知識(shí)，是物理認(rèn)知活動(dòng)的中間場(chǎng)所，能起到承上啟下的作用。也就是說(shuō)，物理概念、物理規(guī)律的教授以及物理理論的具體實(shí)踐都離不開(kāi)科學(xué)思維方法的介入。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過(guò)程中全面了解和學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法就顯得更加重要。高凌飚教授曾指出“應(yīng)把方法視為比知識(shí)更重要的東西，視為知識(shí)的脈絡(luò)，按照科學(xué)方法所展示的路子，去組織教材，安排教學(xué)進(jìn)程”[8]。可以看出能力與方法是相互聯(lián)系密不可分的，通常來(lái)說(shuō)，人們了解某個(gè)事物的方法以及熟練度直接影響了人們完成某方面任務(wù)能力的強(qiáng)弱。因此可以認(rèn)為，在完成任務(wù)過(guò)程中，其方法運(yùn)用是直接影響任務(wù)完成過(guò)程中體現(xiàn)能力的“核心”基礎(chǔ)以及重要因素。由此，李正福等[9]重新構(gòu)建了物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示：

圖2 新的物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)圖

圖2這種新的物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)主要是以科學(xué)方法為中心，與圖1表示的以知識(shí)結(jié)構(gòu)為中心的物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)相比較，物理學(xué)特征能更好的反映出來(lái)，進(jìn)而能讓知識(shí)和方法的使用聯(lián)系在一起。每種科學(xué)思維方法都需要進(jìn)行學(xué)科聯(lián)系或者使用符號(hào)語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)，各類方法若能綜合在一起則能形成有效的方法論，學(xué)習(xí)者往往需要在特定的領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)行方法論的學(xué)習(xí)和研究，然后才能在該領(lǐng)域內(nèi)不斷地成長(zhǎng)起來(lái)。從物理學(xué)角度看，思維方法的使用要靈活和科學(xué)，從教學(xué)效果看，在多數(shù)情況下教學(xué)效果主要取決于學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)以及對(duì)物理思維方法的理解。

2 大學(xué)物理教學(xué)中融入物理科學(xué)思維方法教育的方式和途徑

在基于物理科學(xué)思維方法的基礎(chǔ)上結(jié)合物理實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，以物理知識(shí)為教育載體，通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)思維方法的培養(yǎng)和訓(xùn)練，使其在知識(shí)、能力、素質(zhì)等方面協(xié)調(diào)發(fā)展是十分必要的。

2.1 明確教學(xué)目標(biāo)，使科學(xué)思維方法教育有的放矢

目前在物理教學(xué)中普遍存有的一個(gè)問(wèn)題是教師在教學(xué)過(guò)程中對(duì)科學(xué)思維方法教育的認(rèn)知不是很重視，具體表現(xiàn)是在教學(xué)實(shí)踐中只注重內(nèi)容知識(shí)的講授，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到科學(xué)思維方法教學(xué)的重要性，或者有的教師能夠認(rèn)識(shí)到，但教學(xué)過(guò)程中卻沒(méi)能注意相關(guān)內(nèi)容的融入，使學(xué)生缺乏足夠的科學(xué)意識(shí)，教學(xué)效果不明顯。所以，這就需要教授者明確在教學(xué)過(guò)程中科學(xué)思維方法教育也是教學(xué)的重要目標(biāo)，需要制定有效的物理科學(xué)教學(xué)法，加強(qiáng)科學(xué)方法教育的融入，讓教學(xué)方法具有很強(qiáng)的針對(duì)性，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生做到能認(rèn)知與理解知識(shí)，并能在思考中掌握知識(shí)。

2.2 確定教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化物理知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程

科學(xué)教學(xué)方法能使我們擁有更加科學(xué)的知識(shí)獲取手段和高效獲取知識(shí)的能力，但是在這個(gè)過(guò)程中需要探知科學(xué)教學(xué)方法的有效性，它能幫助學(xué)生理解知識(shí)，更能幫助學(xué)生獲取知識(shí)。學(xué)生進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)，就像科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究一樣，都要先服從科學(xué)的認(rèn)知，并能從直觀逐步走向科學(xué)抽象，從現(xiàn)象逐步走向本質(zhì)。科學(xué)思維方法的學(xué)習(xí)和使用過(guò)程，是人們透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的過(guò)程，也是從抽象開(kāi)始進(jìn)入形象的過(guò)程。人們從表面看到其本質(zhì)，特別是對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理知識(shí)講授的時(shí)候，同步的使用物理教學(xué)方法，可以從認(rèn)知的角度對(duì)學(xué)生的思維方法進(jìn)行引導(dǎo)，并能在思維過(guò)程化過(guò)程中，形成科學(xué)有效的認(rèn)知，能讓學(xué)生的認(rèn)知能力在整個(gè)學(xué)習(xí)中不斷地提升。所以在科學(xué)教學(xué)方法制定的過(guò)程中,需要對(duì)教學(xué)的內(nèi)容問(wèn)題、課程設(shè)計(jì)和課程評(píng)價(jià)的實(shí)施等進(jìn)行簡(jiǎn)要的了解，進(jìn)而能在課程教學(xué)中按照結(jié)構(gòu)的安排開(kāi)展研究。

2.3 構(gòu)建良好的物理教學(xué)策略，提供良好的學(xué)習(xí)條件

雖然教育的方式和教學(xué)內(nèi)容是緊密聯(lián)系的，但教學(xué)內(nèi)容往往由教育方式所決定，教育方式也要服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容?？茖W(xué)有效的教學(xué)方法的使用需要在顯性教學(xué)方式的使用中，按照目標(biāo)開(kāi)展有效的分類，并將教學(xué)的內(nèi)容和策略與之相匹配。如前文所述，物理教學(xué)中科學(xué)教學(xué)方法的使用包含思維方法、物理方法與科學(xué)方法三部分，這三部分各有利弊，且要在教學(xué)中根據(jù)特性開(kāi)展研究，進(jìn)而能讓學(xué)生在不同教學(xué)方法的使用中，更好的讓教學(xué)的策略增強(qiáng)。

2.3.1 利用物理思維進(jìn)行物理概念教學(xué) 思維方法是一種需要訓(xùn)練來(lái)達(dá)到學(xué)習(xí)和發(fā)展目的的大腦功能。例如進(jìn)行概括時(shí)，便需要剖析各種物理現(xiàn)象，從而尋找出其本質(zhì)的特征，利用這樣的方法便能夠有效訓(xùn)練概括能力。物理概念能夠有效反應(yīng)出物理相關(guān)概念以及過(guò)程本質(zhì)，是一種具有抽象性特點(diǎn)的總結(jié)。物理概念建立在實(shí)驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)之上，需要使用邏輯思維將一些現(xiàn)象中反映出的事物本質(zhì)以及共同特征進(jìn)行概況和總結(jié)，也是人們使用物理方法開(kāi)展思維活動(dòng)的基礎(chǔ)。例如在機(jī)械振動(dòng)和剛體運(yùn)動(dòng)、力學(xué)等相關(guān)物理概念中，就是運(yùn)用分析、比較、抽象等方法進(jìn)行概括和總結(jié)的。建立物理概念需要使用創(chuàng)造性的思維，同時(shí)這種思維也是人們研究物理問(wèn)題所必須要具有的基礎(chǔ)思維方式。在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)，通過(guò)一定的背景知識(shí)指導(dǎo)，能夠有效地對(duì)客觀事物的特征和屬性進(jìn)行分析，能夠利用物理的思維方式，對(duì)客觀事物所具有的共同屬性以及本質(zhì)進(jìn)行抽象概括。

2.3.2 在物理知識(shí)教學(xué)中結(jié)合物理方法的教育 物理方法與物理知識(shí)間有著緊密的聯(lián)系，物理知識(shí)需要物理方法為基礎(chǔ)，同時(shí)又需要在物理知識(shí)之上提出方法，再結(jié)合這些方法進(jìn)行系統(tǒng)化的分析和推理，以實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)的主要目的?？茖W(xué)方法論教育意義的關(guān)鍵點(diǎn)主要是對(duì)學(xué)生的智力技能開(kāi)展有效訓(xùn)練，并在實(shí)際的操作中，能理解科學(xué)的方法，更能靈活的使用這些方法。例如習(xí)題是物理學(xué)習(xí)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在習(xí)題教學(xué)中要從物理概念的理解和物理方法的靈活應(yīng)用上入手，使之產(chǎn)生質(zhì)的飛越，那如何才能完成這次質(zhì)的飛越，達(dá)到理想的教學(xué)效果呢，這也是物理教學(xué)中一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。若從認(rèn)識(shí)論角度來(lái)看其解決方案可表示為圖3中的模式圖形式：

圖3 解決物理問(wèn)題（習(xí)題）的教學(xué)模式圖

從圖3中可以看出正確的思維方式是順利解決物理問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)也決定了解題方法的便捷與否。所以在進(jìn)行習(xí)題教學(xué)工作時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的思維方法的訓(xùn)練就顯得非常重要和必要了。

2.3.3 使用科學(xué)方法開(kāi)展物理知識(shí)教學(xué) 科學(xué)方法觀進(jìn)行教學(xué)，較為重視傳播和消化學(xué)習(xí)觀念，教學(xué)過(guò)程中，需要教師結(jié)合全部物理知識(shí)將科學(xué)方法觀的價(jià)值取向、內(nèi)涵以及現(xiàn)實(shí)意義予以明示，通過(guò)掌握科學(xué)合理的發(fā)展走向，并組織學(xué)生、引領(lǐng)學(xué)生通過(guò)相關(guān)案例進(jìn)行討論，進(jìn)而增加學(xué)生的理解能力和思想感悟。例如，可以通過(guò)歸納產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件，并進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)而求證出利用假設(shè)法判定楞次定律本身也并不違反能量守恒定律；在討論電勢(shì)能相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，所采用的是類比重力勢(shì)能的方法，利用微元法去證明重力做功的多少與物體所經(jīng)過(guò)的路徑并沒(méi)有任何關(guān)系等等。

3 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)的思維方法作為重要的物理學(xué)中定性分析各種物理問(wèn)題的有效方法，在實(shí)際教學(xué)工作中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的物理思維方法，有助于提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)，同時(shí)也是對(duì)新課程改革中“過(guò)程與方法”這一課程目標(biāo)的具體實(shí)施，所以在物理教學(xué)中將科學(xué)思維方法進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆诸悾院侠淼男问胶头绞接袡C(jī)結(jié)合到物理教材中，做到真正意義上的將物理科學(xué)方法教育落實(shí)到教材和課堂教學(xué)中。物理學(xué)方法論是研究物理學(xué)科相關(guān)知識(shí)以及理論，尋找并歸納物理規(guī)律，利用物理知識(shí)服務(wù)與人類的重要課題，同時(shí)也是一項(xiàng)非常復(fù)雜、非常繁瑣的系統(tǒng)性工程，它所涉及的相關(guān)理論以及實(shí)踐方向非常多。伴隨著物理學(xué)當(dāng)中各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的問(wèn)題需要相關(guān)工作者進(jìn)行深入研究以及探討。