高中物理教學中的科學方法顯化研究①

肖 驍 邢紅軍

(首都師范大學物理系,北京 100048)

1 科學方法教育的現狀

在新一輪高中物理課程改革中,科學方法教育被提高到與知識教育相提并論的高度.普通高中《物理課程標準》(以下簡稱《課標》)明確指出,高中物理課程的性質之一,是讓學生“體驗科學探究過程,了解科學研究方法”.這意味著學生在學習物理知識的同時,還要受到科學方法的訓練.

然而,雖然科學方法的教學效果有所改善,但是和《課標》的要求還相距甚遠.這表現為:大多數教師不清楚高中物理涉及哪些科學方法,學生應該對科學方法掌握到什么程度.其原因在于,目前沒有一本教材系統地介紹科學方法,甚至《課標》中也沒有明確科學方法的教學內容.

在科學方法教育內容上,《課標》只列出了知識點以及相應的教學要求,但卻沒有明確指出科學方法的教學內容和教學要求,只是使用諸如“體會其中用到的科學方法”等提法.這樣,教師不明晰教學中應當講授哪些科學方法,更無從把握科學方法的教學要求.

《課標》對科學方法的教學總要求為:“通過物理概念和規律的學習過程,了解物理學的研究方法”.顯然,“了解”層次只是能夠識別出科學方法.然而要使用物理知識解決物理問題,就不僅要求學生能夠識別科學方法,更需要學生能夠應用科學方法.因此,《課標》對于科學方法的教學要求,顯然不能滿足學生理解物理知識、運用物理知識的需要.

這種教學中不明確提出科學方法的內容、不明確解釋科學方法名稱和操作步驟的教育方式就是科學方法的“隱性教育”方式.我們認為,作為物理教育的指導依據,《課標》應當將科學方法明確地表達出來,并根據學生及知識的特點確定科學方法教學要求.在此基礎上,教材也需要將科學方法明確表述出來,教師才能將科學方法融入知識的教學中,并指導學生運用所學的科學方法解決實際問題.這一整套的教育方式即是科學方法的“顯化教育”方式.

2 科學方法隱性教育的不足

目前,在物理教學中的科學方法教育問題上,普遍存在著一種觀點:認為科學方法不像科學知識那樣明了,直接講解會過于枯燥,不利于學生記憶和理解,科學方法就應該進行隱性的教育.通過讓學生多次接觸科學方法,自己去體會科學方法,進而理解科學方法.這種科學方法教育方式,是典型的隱性教育方式.

還有一種觀點認為,科學方法教育的顯化是必要的,但是應該進行隱性教育,然而再進行顯性教育.對于有些方法,則應該使用隱性教育方式.比如等效方法、比值定義法等,不一定必須在第一堂課就把這些方法明確的向學生說出來,而是讓學生自己去體會這個方法的巧妙之處.等學生再次接觸這種方法時,根據情況再適當的說出這種方法叫什么,有什么用等等,再進行顯化教育.這種科學方法的教育方式,是不徹底的隱性教育方式.

隱性教育方式表面上看,似乎是提供一個機會讓學生自己去品味科學方法的精華,但實際上存在諸多問題:一是學生的自覺性不同,有的學生可能會去思考,但更多的學生是滿足于目前的學習狀況.多年的學習已經讓他們習慣于教師講什么就學什么,教師不講的,考試不考的就根本不會去思考;二是學生的思維水平不同,思維水平較高的學生,可以體會出科學方法的內涵與本質,但更多的學生是不能夠體會出科學方法真諦的.

從科學方法的特點來看,隱性教育方式也是不妥的.科學方法本來就比物理知識抽象,更難于理解,對于物理知識的教學,都需采取顯性教育方式.因此采取隱性教育方式進行科學方法教育,只會增加學生學習科學方法的難度.

我們認為,只有像物理知識教育那樣,明確地向學生講解科學方法的內容,才算得上真正的科學方法教育.只有在每次遇到科學方法時明確向學生指出方法的名稱是什么,操作步驟是什么,在什么情況下可以使用,學生對科學方法才不會感迷茫,才能夠掌握科學方法.

當然,科學方法教育也不能一步到位.科學方法教育應當有遞進關系.例如第一次講某種科學方法時,可以先介紹這種方法叫什么,操作步驟大致是什么,是在什么情況下使用.再次遇到時,強化學生對該方法的認識,加深他們對科學方法的理解.但是無論如何,顯化科學方法應該是科學方法教育的必由之路.

3 顯化科學方法的思路

明確科學方法及其分類是顯化科學方法的前提.關于科學方法的體系與結構,國內物理教育工作者已經從不同角度進行了研究與探討,例如浙江省物理教學分會提出了方法的4個方面:物理方法、數學方法、邏輯方法和哲學方法;上海市張民生先生建立了一個科學方法內容框架;首都師大喬際平先生按照與物理知識相對應的原則曾總結了5種規律方法:實驗歸納法、物理圖像法、猜想法、理想實驗法和逆向思維法.

雖然理論各有異同,但是有一個共同的特點,就是并不是所有科學方法都是同等的,它們之間是具有一定的層次關系的.有的科學方法只在思維層面上說明了方法的基本思路,而沒有給出具體的、可操作的步驟,稱思維方法.有的科學方法不僅在思維層次上給提供思路,更在操作層次上提供具體操作步驟,物理學中的這種方法稱為物理方法.例如“歸納與演繹”法只提供我們應當從各種特殊的事物中提取共性特征,或者反過來,透過事物的普遍性來看到不同的事物的個性特征,屬思維方法;而“演繹推理(或稱數學推理、邏輯推理)”則不僅有透過普遍性提取個性的思維過程,還有一個相對明確的操作過程,即根據數學的公理與定律,運用邏輯學的基本范式,在理論上推演出結論,屬物理方法.根據科學方法的這種特點可以把物理學科中的科學方法就分為思維方法和物理方法兩類.值得提出的是,有的時候一種物理方法對應多種思維方法的過程,而一種思維方法可以為多種物理方法提供思路,所以物理方法和思維方法并不具有簡單的上下層次關系.

由于物理方法的可操作性,使得它在教學中能夠明確地傳授給學生,學生亦能夠根據物理方法的操作過程具體解決問題.并且由于物理方法的外顯操作非常明確,所以可以很明確地確定物理方法的教學要求,這對于確定科學方法教學內容是非常有利的.因此,在《課標》中加入物理科學方法不僅是必要的,而且是可行的.由于思維方法只提示了解決問題中的一般思路,并沒有明確的操作過程,故而它有一種“只可意會,難于言傳”的微妙,既不利于教師對方法的要求,又不利于學生通過教師的語言明確領會,因此本文主要討論物理方法的顯化.

物理學的主要內容有實驗、概念、規律以及應用等4個方面,每個方面都有一定的操作過程,不同的過程,操作上有很大區別,因此方法上的區別也很明顯.根據物理學的4個方面,我們可以劃分出方法的5個類別:一般物理學方法、實驗方法、概念定義方法、規律總結方法和規律應用方法,其中一般物理學方法指在整個物理學中貫穿的物理學方法,一般以一定的物理學思想為基礎,并貫穿于物理學的始終.例如理想化方法,它是以哲學中的個性與共性的理論為基礎,排除大千世界各種物體的細小差異,抓住其主要方面進行研究與規律的應用.再如圖像法,即是反映了“數理結合”物理學研究思想.依據這樣的分類,我們將高中物理學中所應用到的一些典型方法進行歸類如下.

(1)一般物理學方法:理想化方法(理想化模型、理想化實驗)、圖像法、等效方法、對稱性方法;

(2)實驗方法:控制變量法、補償法、觀察法;

(3)概念定義方法:乘積定義法、比值定義法、類分法、比例系數法;

(4)規律總結方法:實驗歸納法、實驗驗證法、演繹推理法、類比法;

(5)規律應用方法:整體法、近似估算法、極限法.

這樣,將高中物理學中的科學方法區分開并建立關于方法的體系結構,如圖1所示,其中虛線表示該種類的方法不作主要討論.

圖1

確定科學方法顯化方式是顯化科學方法的關鍵.物理規律的得出是依賴于物理方法的,不同于思維方法,物理知識之間的聯系很明確,因此所利用的物理方法相對比較穩定.也就是說,對于每一個知識點,都有一種或多種相應的物理方法與之相對應.因此,我們使用對應的方法來找出《課標》中所蘊含的物理方法.倘若我們對每一個知識點做一次對應的話,理論上可以發現得出該知識點所對應的概念或規律所對應的科學方法,因此也就可以將《課標》中所隱含的所有科學方法顯化出來.

例如,要對“牛頓第二定律”中的科學方法進行顯化,則我們需要對這部分內容的前后知識結構的邏輯關系進行回顧.從牛頓第一定律出發,物體產生加速度的條件是物體所受合外力不為零,因此我們可以猜想加速度a與物體所受合外力F以及物體的內稟屬性質量m有關,然后我們需要設計一些定量的實驗以驗證這些猜想,這是實驗驗證法.在實驗中有三個相互關聯的物理量,因此需要先控制住質量m研究加速度a與合外力F之間的關系,再控制住合外力F研究加速度a與質量m之間的關系,這是控制變量法.實驗得出的數據需要經過處理才能驗證猜想,最簡單、最直觀的方法是圖像法,通過作出兩個物理量之間的變化圖像得出函數的變化趨勢,其中又利用了曲線改直的方法將非線性的加速度a與質量m之間的函數圖像改成線性的加速度a與質量之間的函數圖像.以上可以得a∝F和a的結論.將兩者綜合起來,得出F=kma的關系式,并在國際單位制中取k=1,最終得出了F=ma的表達式,這就應用了比例系數法.可見這一部分中主要使用的方法有5種:實驗驗證法、控制變量法、圖像法、曲線改直法和比例系數法.因此我們確定“牛頓第二定律”與實驗驗證法、控制變量法、圖像法、曲線改直法和比例系數法相對應.

只有這樣將科學方法顯化之后,科學方法就可以像科學知識那樣,從《課標》到教師,從教師到學生,使學生接受顯性科學方法教育.只有這樣,我們的物理教育才不會事倍功半,才不會存在科學方法教育的缺失問題.

1 中華人民共和國教育部.高中物理課程標準.北京:人民教育出版社,2003.

2 趙凱華.定性與半定量物理學.北京:高等教育出版社,2008.

3 陳清梅.物理教學中科學方法教育的研究(學位論文).北京:首都師范大學,2003.

4 陳清梅,邢紅軍.物理教學中主要科學方法教育內容的研究.中學物理教學參考,2006(7).2-4

5 邢紅軍,陳清梅.論中學物理教學中的科學方法教育.中國教育學刊,2005(8):33-36

6 浙江省教育學會中學物理教學分會.高中物理方法教育研究.杭州:浙江教育出版社,1995.

7 張民生.中學物理教育學.上海:上海教育出版社,1999.

8 喬際平等.實踐物理教材的選擇與分析.北京:高等教育出版社,1993.