試談研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法

楊清源　劉凌

摘 要：從教科書(shū)中的一句話出發(fā)，對(duì)教科書(shū)研究物體運(yùn)動(dòng)的方法進(jìn)行了梳理，結(jié)合對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的研究，在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法是模型建構(gòu)、物理實(shí)驗(yàn)和理論分析.

關(guān)鍵詞：課程標(biāo)準(zhǔn);核心素養(yǎng);科學(xué)方法;物理實(shí)驗(yàn);理論分析;模型建構(gòu)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0042-04

作者簡(jiǎn)介：楊清源（1975-），男，湖南人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，中學(xué)特級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

劉凌（1974-），男，湖南人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理與科技教育.

立德樹(shù)人是教育的根本任務(wù)，發(fā)展學(xué)生的遷移創(chuàng)新能力是發(fā)展學(xué)生關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，遷移和創(chuàng)新的前提是掌握科學(xué)研究的方法和思路，尤其是基本方法，這與學(xué)生研究問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力密切相關(guān).因此，我們教學(xué)中有必要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解基本方法，并在實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行靈活運(yùn)用.

1 基本方法的提出

物理學(xué)中的研究方法很多，可能存在基本研究方法.

1.1 教科書(shū)中的表述

在2010年人教版高中物理教科書(shū)必修2“第五章 曲線運(yùn)動(dòng)”的章首語(yǔ)中說(shuō)“從現(xiàn)在開(kāi)始，我們把目光轉(zhuǎn)向拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)，以及更一般的曲線運(yùn)動(dòng)，從中你會(huì)看到，我們研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的思路，原則上同樣可以用來(lái)處理曲線運(yùn)動(dòng)”.在2019年人教版高中物理教科書(shū)必修第二冊(cè)“第五章 拋體運(yùn)動(dòng)”的章首語(yǔ)中的相關(guān)表述是：“從現(xiàn)在開(kāi)始，我們把目光轉(zhuǎn)向拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)，以及更一般的曲線運(yùn)動(dòng).從中我們可以體會(huì)到，研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本思路和方法，原則上同樣可以用來(lái)處理曲線運(yùn)動(dòng)”.

1.2 兩種表述的比較

比較上述兩種表述可以發(fā)現(xiàn)：兩者表述大體上相同，意思接近：研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的思路和方法，既適用于直線運(yùn)動(dòng)，也適用于曲線運(yùn)動(dòng).其主要區(qū)別在于，將2010年版中的“研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的思路”變成了2019年版“研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本思路和方法”.一是增加了“方法”;二是增加了“基本”二字，變成了“基本思路和方法”.

1.3 對(duì)表述的理解

兩種表述均源自人教社的教科書(shū)，其本身應(yīng)該具有傳承和發(fā)展.為何將“研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的思路”修改成 “研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本思路和方法”呢？

把“思路”變成了“思路和方法”，說(shuō)明思路和方法，應(yīng)該是兩個(gè)不同維度的問(wèn)題，新的表述既強(qiáng)調(diào)研究思路，也強(qiáng)調(diào)研究方法，思路和方法既是學(xué)習(xí)物理的重要內(nèi)容、是理解物理的重要方式、是遷移和創(chuàng)新的前提，也是學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的必備要素.

“基本”代表著基礎(chǔ)的、重要的，通常具有普適意義，“基本思路和方法”指這些思路和方法，在研究其它物理問(wèn)題的時(shí)候也可以適用.相對(duì)而言，修改后的表述更加注重宏觀層面和上位層面的總結(jié)，注重大概念和大思路.“基本思路和方法”的說(shuō)法，更加關(guān)注促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成、科學(xué)思維的發(fā)展，以及科學(xué)探究能力的提升.當(dāng)然，“基本思路和方法”可以理解成基本的“思路和方法”，即基本思路和基本方法;也可以理解成基本思路和常見(jiàn)方法;根據(jù)前述分析，我們按照前一種理解.

然而，何為研究物體運(yùn)動(dòng)的“基本思路”和“基本方法”呢？研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本思路是什么思路？基本方法具體又是指哪些方法呢？教科書(shū)并沒(méi)有直接給出答案.本文結(jié)合教科書(shū)和課程標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)探討研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法.

2 教科書(shū)中的研究方法

既然“研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本思路和方法，原則上同樣可以用來(lái)處理曲線運(yùn)動(dòng)”，那么教科書(shū)在處理直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，應(yīng)該遵循這樣的規(guī)律，所以，我們不妨從教科書(shū)出發(fā)，梳理教科書(shū)的內(nèi)容，探尋教科書(shū)中研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法.

前述的“基本思路和方法”是2019年人教版教科書(shū)提出的，下面以此版本教科書(shū)為例進(jìn)行分析和說(shuō)明.在該套教科書(shū)中，與方法直接相關(guān)的表述有很多，比如“序言——物理學(xué)：物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)”中說(shuō)：“在初中，大家已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些有趣的物理知識(shí)和思考物理問(wèn)題的方法.進(jìn)入高中，我們將認(rèn)識(shí)更豐富多彩的物理現(xiàn)象，學(xué)到更為深刻的物理知識(shí).在學(xué)習(xí)過(guò)程中，大家還要進(jìn)一步領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法，受到科學(xué)精神的陶冶.”類似表述還有很多.

2.1 教科書(shū)中的物理實(shí)驗(yàn)和理論分析

下面筆者以曲線運(yùn)動(dòng)為例，分析教科書(shū)研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)采用的具體研究方法.必修第二冊(cè)“第五章 拋體運(yùn)動(dòng)”第1節(jié)“曲線運(yùn)動(dòng)”，主要包含兩部分內(nèi)容：一是曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向;二是物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件.這其中采用了哪些研究方法呢？

2.1.1 “曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向”中采用的研究方法

首先，教科書(shū)介紹了通過(guò)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)以觀察曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向.之后，書(shū)上說(shuō)“除實(shí)驗(yàn)方法外，還有什么方法可以確定物體在某一時(shí)刻的速度方向？”接著，介紹曲線的割線和切線（用到極限思想），結(jié)合平均速度和瞬時(shí)速度的概念，得到“質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)的速度方向沿過(guò)A點(diǎn)的切線方向”.最后，教科書(shū)說(shuō)“根據(jù)上面的分析，可以得到結(jié)論：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向，沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向”.

從上述分析可以看出，教科書(shū)在介紹“曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向”時(shí)采用了兩種研究方法：一是實(shí)驗(yàn)觀測(cè);二是理論分析（此處主要是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，結(jié)合物理知識(shí)，進(jìn)行科學(xué)推理）.

2.1.2 “物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件”中采用的研究方法

教科書(shū)此部分包含以下三個(gè)方面的內(nèi)容：首先是借助如圖2所示實(shí)驗(yàn)以觀察鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡.接著，結(jié)合其他事實(shí)得出結(jié)論.最后，根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行理論分析得到同樣的結(jié)論.

綜合分析教科書(shū)中介紹“曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向”和“物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件”兩部分內(nèi)容的研究方法，可以看出，第二部分和第一部分的研究方法相同，這一節(jié)兩部分的研究方法都是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論分析，只不過(guò)順序略有不同.

2.1.3 “拋體運(yùn)動(dòng)”采用的研究方法

同樣，在本章第4節(jié)“拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”開(kāi)篇語(yǔ)說(shuō)“上節(jié)課我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，本節(jié)我們將從理論分析的角度， 對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律做進(jìn)一步分析”，說(shuō)明第3節(jié)和第4節(jié)分別是從實(shí)驗(yàn)探究和理論分析兩個(gè)方面進(jìn)行研究的，這依然和前述第1節(jié)的研究方法相同.可見(jiàn)，物理實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)探究）和理論分析，是教科書(shū)研究物體曲線運(yùn)動(dòng)的兩種重要方法.

必修第一冊(cè)“序言”中說(shuō)：“16-17世紀(jì)，伽利略和牛頓等人在前人工作的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了系統(tǒng)性的力學(xué)理論，建立了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論分析計(jì)算相結(jié)合的現(xiàn)代研究方式.”實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，這正好符合密立根所說(shuō)“科學(xué)靠?jī)蓷l腿走路，一是理論，二是實(shí)驗(yàn).有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面.但只有使用兩條腿，才能前進(jìn)”.

除了以上兩種相提并論的研究方法外，教科書(shū)中還有一種重要的研究方法——模型建構(gòu).

2.2 教科書(shū)中的模型建構(gòu)

教科書(shū)首先定義質(zhì)點(diǎn)，然后研究質(zhì)點(diǎn)的以下幾種具體的運(yùn)動(dòng)：勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻速率圓周運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)……為什么教科書(shū)重點(diǎn)研究質(zhì)點(diǎn)的上述幾種運(yùn)動(dòng)？

世界是豐富多彩的，運(yùn)動(dòng)也是復(fù)雜多樣的，因而“要準(zhǔn)確地描述物體的運(yùn)動(dòng)，并不是一件容易的事”，這里實(shí)際包含兩個(gè)方面的模型建構(gòu)：一方面是對(duì)“物體”的考慮，其體積（大?。┫鄬?duì)于研究的問(wèn)題是否可以忽略，可略者，抽象出質(zhì)點(diǎn)模型，成為高中教材的主要研究對(duì)象;另一方面是對(duì)于“運(yùn)動(dòng)”的考慮，對(duì)于運(yùn)動(dòng)類型的建模.比如一個(gè)“點(diǎn)”的實(shí)際運(yùn)動(dòng)可能很復(fù)雜，是否可以歸為“勻速直線運(yùn)動(dòng)”，或者“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”，或者……

在研究物理問(wèn)題時(shí)，有必要對(duì)某些問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，考慮主要矛盾，忽略次要因素，進(jìn)而抽象出理想化的物理模型.上述質(zhì)點(diǎn)和各種運(yùn)動(dòng)形式，正是具體的各種物理模型.利用模型逐步向真實(shí)靠近，最終在誤差容許的范圍內(nèi)，用一個(gè)最簡(jiǎn)單的模型描述.

教科書(shū)必修第一冊(cè)“質(zhì)點(diǎn) 參考系”一節(jié)的旁注中說(shuō)“在物理學(xué)中，突出問(wèn)題的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，并將其作為研究對(duì)象，是經(jīng)常采用的一種科學(xué)研究方法.質(zhì)點(diǎn)這一理想化模型就是這種方法的具體應(yīng)用”.不僅如此，僅僅在必修第一冊(cè)教科書(shū)中“模型”一詞就出現(xiàn)了13次.管靖教授在《管窺物理》一書(shū)的“序”中也指出：模型建構(gòu)是物理學(xué)中最重要的方法.

模型建構(gòu)時(shí)需要考慮主要矛盾，忽略次要因素，可以說(shuō)這是一種辯證的矛盾觀和方法論.

2.3 教科書(shū)中研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法

綜合上述分析，模型構(gòu)建、物理實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)觀察或?qū)嶒?yàn)探究），以及理論分析，應(yīng)該是研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法.

3 課程標(biāo)準(zhǔn)中的研究方法

教科書(shū)的編寫(xiě)肯定是以課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的，課程標(biāo)準(zhǔn)中又提及了哪些重要的研究方法？在2017年版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）中，提及“方法”的語(yǔ)句很多，下面我們選擇兩個(gè)方面進(jìn)行分析.

3.1 課程性質(zhì)中的研究方法

新課標(biāo)中的“課程性質(zhì)”指出“物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系”.第一句話指出了物理學(xué)科的研究?jī)?nèi)容;第二句話可以理解成物理學(xué)中的研究方法，我們可以概括為物理實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)和理論分析等三種研究方法，其中理論分析指應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具進(jìn)行科學(xué)推理和科學(xué)論證.前述教科書(shū)中“曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向”的第二種研究方法就是應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具進(jìn)行科學(xué)推理和科學(xué)論證，進(jìn)而得到物理結(jié)論的.

3.2 核心素養(yǎng)中的研究方法

核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究，以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面.

3.2.1 科學(xué)探究

科學(xué)探究可以分為實(shí)驗(yàn)探究和理論探究.目前多數(shù)資料反映出的理解是核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究更側(cè)重于實(shí)驗(yàn)探究.從研究方法角度考慮，實(shí)驗(yàn)探究本身就是一種重要的科學(xué)研究方法，所以，物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究是物理學(xué)的研究方法之一.前述教科書(shū)中的實(shí)驗(yàn)研究方法，與此是吻合的.

3.2.2 模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是科學(xué)思維的四個(gè)要素之一，是重要的研究方法.研究發(fā)現(xiàn)，“模型”和“建模”二詞在新課標(biāo)中共出現(xiàn)68次，詞頻相當(dāng)高.比如，在課程內(nèi)容中，有32處出現(xiàn)與模型有關(guān)的表述，甚至必修1課程的第一部分的名稱是“機(jī)械運(yùn)動(dòng)與物理模型”.學(xué)業(yè)質(zhì)量水平不僅對(duì)模型建構(gòu)提出了要求，還將模型建構(gòu)細(xì)分成了便于操作的5個(gè)水平.在教學(xué)建議、教學(xué)評(píng)價(jià)以及附錄中，也有28處與模型有關(guān)的具體描述，物理模型和建構(gòu)物理模型在物理學(xué)中的地位不言而喻.

3.2.3 理論分析

科學(xué)推理和科學(xué)論證是科學(xué)思維四個(gè)要素之中的兩個(gè).在科學(xué)推理和科學(xué)論證時(shí)候，通常要結(jié)合物理知識(shí)和數(shù)學(xué)工具，這與“課程性質(zhì)”中 “應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證”的含義相近，這也與前述的理論分析這一研究方法是一致的，從方法角度考慮，我們把科學(xué)推理和科學(xué)論證統(tǒng)稱為理論分析.

3.3 課程標(biāo)準(zhǔn)中的基本研究方法

課程性質(zhì)中的研究方法與核心素養(yǎng)中的研究方法是相同的，都可以概括為：模型建構(gòu)、物理實(shí)驗(yàn)、理論分析.模型構(gòu)建、物理實(shí)驗(yàn)和理論分析，是課程標(biāo)準(zhǔn)中研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法.

需要說(shuō)明的是，課標(biāo)中的四個(gè)核心素養(yǎng)與課程性質(zhì)，是從不同角度出發(fā)的表述，所以它們的分類方法是不同的.科學(xué)探究與“模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證”，在核心素養(yǎng)中處于不同的層級(jí)：科學(xué)探究是核心素養(yǎng)四個(gè)方面之一，而模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證是科學(xué)思維的四個(gè)要素之中的三個(gè)要素.但從研究方法角度考慮，都是基本的研究方法，它們是同層級(jí)的.我們可以這樣理解：四個(gè)核心素養(yǎng)的關(guān)系是，物理學(xué)科教育的目標(biāo)是建立物理觀念，因此必須經(jīng)歷探究（過(guò)程），培養(yǎng)思維，并最終影響“三觀”.在這個(gè)語(yǔ)境之下，所有的思維方法當(dāng)然就是在“科學(xué)思維”之下（之內(nèi)）的了.

4 研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法

“一代代物理學(xué)家們?cè)谔骄靠陀^世界的過(guò)程中發(fā)展了很多行之有效的研究方法.在物理學(xué)習(xí)中，我們不但要掌握具體的知識(shí)，而且要學(xué)習(xí)和體會(huì)這些科學(xué)方法，并努力運(yùn)用它們解決各種實(shí)際問(wèn)題”.如果說(shuō)知識(shí)和技能是物理學(xué)科的骨骼和肌肉，那么思想與方法便是物理學(xué)科的靈魂.

4.1 研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法

綜合前面對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)和教科書(shū)的分析，我們可以初步得出結(jié)論，教科書(shū)中所說(shuō)的“研究直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本思路和方法”中的基本方法主要是指：模型建構(gòu)、物理實(shí)驗(yàn)、理論分析等三種方法，它們與課程標(biāo)準(zhǔn)的提法是相吻合的.其中，物理實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)探究;理論分析包括應(yīng)用數(shù)學(xué)工具和科學(xué)推理與論證等.

4.2 物理學(xué)中的基本研究方法

像教科書(shū)所言，物理實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)、理論分析這三種基本研究方法，它們不僅適用于研究直線運(yùn)動(dòng)，也適用于研究曲線運(yùn)動(dòng)，是不是它們只是研究物體運(yùn)動(dòng)的基本方法？其實(shí)不然，教科書(shū)所提的范圍，僅僅是針對(duì)教科書(shū)此處章節(jié)所研究的背景和內(nèi)容而言.

可以說(shuō)物理實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)和理論分析是整個(gè)物理學(xué)的基本方法.比如，研究電路的規(guī)律、電場(chǎng)的性質(zhì)、磁場(chǎng)的特點(diǎn)、原子核式結(jié)構(gòu)等等，都離不開(kāi)以上三種方法.在課程標(biāo)準(zhǔn)的課程性質(zhì)和核心素養(yǎng)表述中，并沒(méi)有研究范圍限制，說(shuō)明這些基本方法不僅適用于教科書(shū)中表述的研究物體的運(yùn)動(dòng)，也適用于其他方面的物理研究，物體可以推廣到更廣義的物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)也不僅僅限于機(jī)械運(yùn)動(dòng).

清華大學(xué)教授朱邦芬院士在“‘減負(fù)誤區(qū)及我國(guó)科學(xué)教育面臨的挑戰(zhàn)”一文中指出，物理方法主要是以下三種：一是抓住主要因素的近似方法;二是實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論的實(shí)證方法;三是運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯推理的思考方法.筆者認(rèn)為，朱院士說(shuō)的第一種方法可以理解為模型建構(gòu)，第二種方法可以理解為物理實(shí)驗(yàn)，第三種方法可以理解為理論分析.筆者前述總結(jié)的基本方法和朱院士所提方法是一致的.

4.3 物理學(xué)的研究方法系統(tǒng)

在研究物理問(wèn)題的過(guò)程中，通常還涉及很多其它的研究方法，比如極限法、圖像法、比值法、整體法、量綱法、等效替代、合成與分解……這些都是很重要的方法，但不能算作基本方法，它們與基本方法不是一個(gè)層次的，它們與物理實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)、理論分析這三種基本方法共同構(gòu)成“系統(tǒng)的研究方法”.實(shí)際問(wèn)題中，通常都是多種方法的綜合運(yùn)用，物理實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)、理論分析三種方法是基本方法，但不是唯一方法.

知識(shí)是根，方法是魂，理清基本方法，教師就可以更好地理解課程標(biāo)準(zhǔn)，更好地駕馭教材，在實(shí)際教學(xué)中，也就能更好地設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)，更加清晰教學(xué)邏輯，這必定有助于發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

（說(shuō)明：本文引號(hào)內(nèi)的內(nèi)容均引自教科書(shū)或者課程標(biāo)準(zhǔn).）

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2021-02-04）