中學(xué)物理教學(xué)中科學(xué)方法教育狀況

鄭佳明

（西藏大學(xué)理學(xué)院 西藏拉薩 850000）

方法乃途徑也，科學(xué)方法乃捷徑也，明智人凡事都求方法，得到了科學(xué)方法，學(xué)習(xí)可以少走彎路，工作也能提高效率，科學(xué)方法并非臨場靠靈活的腦子想就能得到，而是靠平時的培養(yǎng)。

科學(xué)方法教育能夠培養(yǎng)中學(xué)生的物理思維，可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、分析能力和解決問題的能力?？偨Y(jié)出中學(xué)課堂中的科學(xué)方法，使用這些科學(xué)方法來指導(dǎo)學(xué)生，可讓他們有意識、有目的地進行科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成尊重事實和探索真理的科學(xué)態(tài)度。

一、物理科學(xué)方法教育的內(nèi)涵

（一）培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神

進行物理科學(xué)方法教育，首要就是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，首先需要知道什么是科學(xué)?？茖W(xué)是建立在可檢驗的解釋和對客觀事物的形式、組織等進行預(yù)測的有序的知識系統(tǒng)，是已系統(tǒng)化和公式化了的知識。其對象是客觀現(xiàn)象，內(nèi)容是形式化的科學(xué)理論?？茖W(xué)精神又是什么呢？科學(xué)精神就是創(chuàng)新精神，現(xiàn)在所知道的新技術(shù)都是通過科學(xué)創(chuàng)新而得到的，因此培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神重點就要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（二）掌握科學(xué)方法

科學(xué)方法就是科學(xué)思想的體現(xiàn)，在認識世界的過程中必須使用科學(xué)方法。在給學(xué)生進行授課的過程中，要運用物理科學(xué)方法教育，在運用科學(xué)方法的同時也要給學(xué)生們講講過去科學(xué)家們的故事，讓學(xué)生們知道科學(xué)家們是如何從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)規(guī)律的，從而使科學(xué)方法被學(xué)生們掌握。

（三）樹立科學(xué)態(tài)度

我們都知道，一開始是沒有物理學(xué)的，物理學(xué)是從自然哲學(xué)中分出來的，過去的自然哲學(xué)對于自然界的考察是相當(dāng)不嚴謹?shù)?，所有的考察都是猜測，連實驗研究都沒有，這種情況一直到伽利略才結(jié)束。伽利略進行物理學(xué)的研究之后，倡導(dǎo)了實驗研究等方面，這使得物理學(xué)真正成為一門嚴謹?shù)膶W(xué)科。物理學(xué)作為一門嚴謹?shù)膶W(xué)科，對于物理學(xué)的態(tài)度也必然需要有嚴謹?shù)膽B(tài)度。要尊重事實，反映事物的本來面貌和內(nèi)在規(guī)律時要實事求是，那些經(jīng)得起時間考驗的科學(xué)研究成果都是通過大量的實驗而得出來的，只有這樣才會得到世界的承認。

二、中學(xué)物理科學(xué)方法教育的狀況分析

（一）物理概念教學(xué)中使用的科學(xué)方法

在中學(xué)階段，建立物理概念的方法主要有以下幾點。

1.等效法：等效法是根據(jù)等效原理而得出來的，是用原本已知的事物來取代陌生的事物，這樣就能將復(fù)雜簡單化。在建立的過程中，要保證最后的效果是相同的，目的是跳過各種困難，把問題轉(zhuǎn)化，將復(fù)雜的問題簡單化，然后先解決簡單的問題，把困難的問題用簡單問題的方法解決。

2.比值定義法：比值定義法就是一個新的物理量由兩個或者兩個以上的已知物理量的比值來定義。中學(xué)物理教育中使用比值定義法情況也是很多的，特別是在中學(xué)物理概念課中使用得更加頻繁，并且在初中的時候就已經(jīng)出現(xiàn)了，比如電阻。

3.理想化方法：理想化方法則是需要抽象和概括，要抓住事物的主要特性，從最原始的模型中來抽象和概括出原本現(xiàn)實中雖然不存在，卻能反映研究對象本質(zhì)的方法。

4.類比法：類比法就是比較兩個或者兩個以上的事物時所使用的方法，主要是為了比較兩個或者兩個以上的事物的共同點，把其中的一類特點推理到另一個上面，以方便最后找到共同的屬性。

（二）在規(guī)律課中進行科學(xué)方法教育

在中學(xué)物理科學(xué)方法教育的過程中，一般在中學(xué)的規(guī)律課中主要運用的科學(xué)方法就是實驗歸納法、圖像法、理想實驗法、演繹推理法、假說法等。

1.實驗歸納法：實驗歸納法需要非常多的實驗，所歸納的內(nèi)容是建立在做大量實驗基礎(chǔ)上的，來對所研究的物理現(xiàn)象進行總結(jié)分析。在做實驗的過程中，需要多次重復(fù)實驗，然后在實驗的過程中，需要準確地發(fā)現(xiàn)出實驗不同階段的聯(lián)系。實驗的歸納通常會使用圖像的形式來進行，將實驗所得的數(shù)據(jù)放在圖的坐標上，觀察不同變量之間的關(guān)系并進行規(guī)律總結(jié)，會讓學(xué)生理解更加深刻。

2.圖像法：圖像法運用得就十分常見了，我們在小學(xué)就學(xué)習(xí)過了，在中學(xué)的物理課堂上，探究速度和位移、時間是什么關(guān)系的實驗時，就利用了圖像法進行探究。圖像法能夠直觀地反映出物理規(guī)律和物理現(xiàn)象，并且十分簡單，容易操作。

3.理想實驗法：理想實驗法一般是很難完整地做完實驗的，因此會采用一部分實驗為基礎(chǔ)，將很難實現(xiàn)的一些條件理想化，在思維中完成剩下的實驗。在科學(xué)的角度，理想實驗不算是真正的實驗，畢竟有一部分是理想化的，這是一種科學(xué)是思維方法。

4.演繹推理法：演繹推理法就是在我們利用現(xiàn)在已經(jīng)知道的規(guī)律，對已經(jīng)知道的規(guī)律的其中一部分概念的應(yīng)用，然后對其運用數(shù)學(xué)推理，最后得出結(jié)論。演繹推理法可以和實驗結(jié)合起來，先進行演繹推理，然后通過實驗來進行驗證。但對于定量描述的規(guī)律就不能這樣做了，這些定量描述的規(guī)律受到了實驗條件的影響，是不易進行實驗的，不過此時就可以將適當(dāng)?shù)耐评砗鸵欢ǖ难芯拷Y(jié)合起來看，最終得出結(jié)論。例如焦耳定律就是這樣得出來的。

5.假說法：對部分的研究成果進行假定性的研究就是假說法。隨著時間的推移，一部分問題如果現(xiàn)階段無法解決，就可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行一種新的理解，形成一種新的理論。假說法也是物理科學(xué)研究的過程中經(jīng)常使用的一種方式。

（三）在實驗課中進行科學(xué)方法教育

物理實驗教學(xué)按實驗形式的不同分為演示實驗和分組實驗，在教學(xué)中使用實驗的目的在于給學(xué)生學(xué)習(xí)物理創(chuàng)造一個良好的物理情境，使學(xué)生在實踐過程中能夠根據(jù)實驗現(xiàn)象，主動思考，主動學(xué)習(xí)物理知識，學(xué)習(xí)實驗中的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力以及觀察能力和學(xué)習(xí)物理的能力。

1.實驗教學(xué)的分類

根據(jù)實驗的不同類型，可以將實驗進行分類，如下：

（1）探索性實驗，這種實驗是為了研究不同物理現(xiàn)象中的共同點，即它們的規(guī)律與特點，最后的目的是完善和發(fā)展物理定律；（2）驗證性實驗，這種實驗主要是為了在原本已有的定理和規(guī)律的基礎(chǔ)上，對這些定理和規(guī)律進行實驗驗證，這種驗證是十分重要的，所以驗證性實驗在物理科學(xué)方法教育中是非常重要的；（3）應(yīng)用性實驗，應(yīng)用性實驗就是要運用已知的物理量來測量其他未知的屬性。

2.實驗教學(xué)中的科學(xué)方法教育

在實驗課中，需要做的就是實驗，但是除了做實驗以外還有著提出問題、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、交流反思等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)中是需要使用科學(xué)方法的，不同的環(huán)節(jié)適合使用不同的科學(xué)方法，比如在實驗設(shè)計中，適合使用的科學(xué)方法有平衡法、轉(zhuǎn)換法、等效代替法、放大法、比較法、模擬法、控制變量法、疊加法和留跡法等；在數(shù)據(jù)處理的過程中，適合使用的科學(xué)方法有列表法、解析法和作圖法等；而在物理教學(xué)的過程中，適合使用的科學(xué)方法有歸納法、觀察法、理想模型法、類比法和推理法等。下面列舉常用的科學(xué)方法：

（1）平衡法：這是很常見的一種科學(xué)方法，利用平衡，將需要知道的物理量與已知的物理量之間進行對比，如果兩個物理量相等時，就能利用已知的物理量來得出被測量的物理量，在物理實驗中所使用的天平和溫度計都是根據(jù)平衡的原理而設(shè)計的，實驗里測大氣壓強也是運用了平衡法。

（2）等效代替法：等效代替法就是利用的效果等同，將原本復(fù)雜的問題簡單化，或者在實驗器材被限制的情況下，用其他相似的器材等效代替。比較常見的實驗就是測量不規(guī)則物體的密度。

（3）控制變量法：控制變量法一般在研究一個物理量與多個物理量有何聯(lián)系時使用，先保持其他量不變的情況下，確定剩下的兩個量之間的關(guān)系。常見的實驗是研究滑動摩擦力和哪些因素有關(guān)。

（4）留跡法：留跡法就是把一些難以用肉眼觀察到的物理運動軌跡用其他方法記錄下來。最常見的實驗就是頻閃相機和打點計時器。

（5）列表法：列表法是在實驗得出數(shù)據(jù)以后，將所得到的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的計算結(jié)果通過表格的形式展現(xiàn)出來，方便找出各個物理量之間的關(guān)系。

（6）作圖法：作圖法就是把實驗所得的數(shù)據(jù)利用圖形的方式展現(xiàn)出來，利用展現(xiàn)出來的圖形來觀察我們測量的物理量的變化規(guī)律，能夠更加直觀地看出物理量之間的關(guān)系。

（7）類比法：類比法就是在研究那些比較抽象的問題時使用的，一般是將需要研究的事物拿來與具體的事物通過類比，找出它們的相同點，使原本抽象的事物更容易理解。

三、如何開展科學(xué)方法教育的實例分析

通過觀察學(xué)生物理習(xí)題教學(xué)的學(xué)習(xí)過程，如課堂提問、直接觀察、課后批改作業(yè)等多途徑，基于運用物理科學(xué)方法于物理習(xí)題的學(xué)習(xí)過程的特征，關(guān)注一批典型學(xué)生。選取一名典型學(xué)生的某段學(xué)習(xí)經(jīng)歷作為案例剖析如下：

（一）案例主題

運用物理科學(xué)方法于物理習(xí)題教學(xué)過程的學(xué)習(xí)——“勻變速直線運動”板塊的學(xué)習(xí)情況考察。

（二）案例對象

高一17 班學(xué)生嚴某，基本情況：女，17 周歲。為2019年秋季高中入學(xué)考試達線，本校正常錄取。學(xué)業(yè)在本班級上等。物理單科成績?nèi)氚嗯琶?，歷次測試平均5 名。

（三）案例研究內(nèi)容

1.物理科學(xué)方法的學(xué)習(xí)階段情況

教師首先對時間、時刻、位移、路程、速度、速率、平均速度、速度變化與速度變化率——加速度這些物理量進行教學(xué)，然后開始講解“勻速直線運動”的兩大特點——速度不變，加速度為零。加速度表達了速度變化的方向和變化快慢。基于生活中的實例，列舉了數(shù)據(jù)，進行了情境教學(xué)。

嚴某情況1：這一階段，參與了學(xué)習(xí)進程，注意聽講，不時記錄講課筆記，中途回答教師提問。

接著，教師提出了重要物理方法——圖像法的探究任務(wù)：如何運用圖像（主要是兩類：x-t 圖像和v-t 圖像）展現(xiàn)出“勻速直線運動”的兩大特點——速度不變，加速度為零。

嚴某情況2：與同桌互動，參加討論。嚴某能正確畫出初速度為零條件下的v-t 圖像。對板演的其他同學(xué)的結(jié)果看了一下，興趣十足。個人學(xué)習(xí)討論深度很好。

在全班積極參與探究之后，教師對“勻速直線運動”的兩類圖像——x-t 圖像和v-t 圖像進行了總結(jié)，概括的要點主要為：圖像所在的坐標系？圖像的幾何特點（斜率、截距、平行、相交點等）對應(yīng)的物理意義？

課后，布置的習(xí)題中，有探究v-t 圖像面積的物理意義的問題。

嚴某情況3：作業(yè)基本正確。但是有一題回答出現(xiàn)重大錯誤：嚴某將圖像和物體移動的軌跡混淆。

在后續(xù)新授課前，教師對嚴某進行了個別輔導(dǎo)。教師與嚴某互動，了解了嚴某對圖像法這一典型的物理科學(xué)方法學(xué)習(xí)的真實想法：認為勻速直線運動這么簡單，初中已經(jīng)學(xué)過，何須如此大動干戈，用圖像求解，本身畫圖他就覺得麻煩。教師對其結(jié)合作業(yè)出現(xiàn)的問題進行了談話，糾正了錯誤認識。

2.應(yīng)用物理科學(xué)方法完成新知識學(xué)習(xí)任務(wù)的階段情況

在學(xué)習(xí)了“勻變速直線運動的定義和物理特征——速度均勻改變，加速度不變”之后，教師提出：同學(xué)們，想一下我們怎樣來運用圖像法推導(dǎo)出“勻變速直線運動”的規(guī)律？

在教師指導(dǎo)學(xué)生思考后，學(xué)生意識到：還是盡可能利用v-t 圖像推導(dǎo)好。

理由是：v-t 圖像的點的橫坐標表示時刻，而縱坐標表示速度；斜率則是表示加速度；圖像和坐標軸圍成的面積則是表示位移。

經(jīng)過學(xué)生多次反復(fù)的探究討論，最終：

通過v-t 圖像的一次函數(shù)解析式討論得出了速度公式。

嚴某情況4：正確推出。

通過對圖像圍成的梯形形狀的觀察、物理意義的理解、圖像圍成面積的分割計算，最終寫出了位移公式。

通過圖像幾何特點——梯形的中位線長等于上底加下底的算術(shù)平均值得出：平均速度與初速度、末速度的算術(shù)平均值相等且等于中間時刻的瞬時速度。

（四）案例研究結(jié)論

學(xué)生從初中進入高中階段的物理學(xué)習(xí)，對物理科學(xué)方法本身的內(nèi)涵學(xué)習(xí)存在困難，這既牽涉到知識基礎(chǔ)方面的原因，從很多案例看，還不可避免牽涉到初中形成的解決物理習(xí)題的習(xí)慣問題，最為關(guān)鍵的是科學(xué)方法本身對思維范式、思維深度、思維形式轉(zhuǎn)換要求較高，對處于青春初期的高中學(xué)生心理發(fā)展要求較高。

結(jié)語

物理科學(xué)方法教育的研究之路還很長，完善物理科學(xué)方法教育不是短時間能成功的，而是一個長期的工作。希望有更多的教育者一起來完善物理科學(xué)方法教育，一起來進行研究，為我國的教育行業(yè)添磚加瓦。后期還會繼續(xù)對物理科學(xué)教育進行研究，希望未來參加教育工作以后，將自己研究的成果運用到實踐中去。