知識應用過程中的物理科學方法研究①

趙維和 邢紅軍

(首都師范大學物理系,北京 100048)

在物理課程改革中,科學方法的重要性一再受到重視.最新的普通高中《物理課程標準》總目標指出:嘗試應用科學探究的方法研究物理問題、驗證物理規律,通過物理概念和規律的學習過程,了解物理學的研究方法.這大大提高了科學方法在物理教學中的地位,為廣大的物理教育工作者指明了方向.

但是,我們也應當看到,科學方法教育研究仍然有很多欠缺,其中一個重要的問題就是:對知識應用過程中的物理科學方法研究不足.大多數學者把精力主要用在了知識獲得過程中的科學方法上,而沒有用在知識應用過程中的科學方法上,忽視了這類科學方法的作用,認識不到它們在培養、提高學生能力方面所具有的重要價值,這不能不說是一種缺憾.

本文對知識應用過程中的物理科學方法進行了研究,在其他學者的研究基礎上深化了對科學方法的分類,顯化了部分高中物理知識應用過程中常見的科學方法,并且對不同類型的科學方法教學進行了研究.

關于科學方法的分類問題,國內觀點眾多,比如浙江省物理教學分會指出了科學方法的4個方面:物理方法、數學方法、邏輯方法和哲學方法,喬際平先生等在《物理教育心理學》一書中指出了科學方法的3個層次:具體方法、邏輯方法、分析解決問題的方法.

我們從思維形式具有相對獨立性的角度出發,可以把高中常用的科學方法分為兩大類:思維方法和物理方法.思維方法是人腦對輸入信息進行直接加工和處理的方法,它主要包括分類、比較、分析、綜合、歸納、演繹等,思維方法的應用極為廣泛,它滲透于物理學習的各個領域.物理方法是在物理教學過程中用來分析、處理問題所采用的途徑、步驟、手段等.物理方法又可分為兩類,其中與知識獲得過程相聯系的科學方法我們稱之為知識獲得過程中的科學方法,例如控制變量法、模型法等.另外一些與知識應用相結合的方法稱之為知識應用過程中的科學方法,比如正交分解法、伏安法、逐差法等.

另外,在對知識應用過程中的物理方法的研究過程中,我們發現,這些方法又可以分為兩類:其中有一部分方法是物理思想的延伸,這一部分方法我們稱之為思想方法,例如等效法就是一種思想方法,它是對等效思想的應用.除此之外,還有圖像法、極限分析法、微元法、模型法等.還有一部分方法是解決具體知識過程中應用的方法,我們稱之為具體方法,比如正交分解法,它的具體步驟為:(1)明確研究對象(或系統);(2)了解運動狀態;(3)進行受力分析(按順序,場力、彈力、摩擦力);(4)建立坐標,對力進行正交分解;(5)立方程求解.除此之外,高中常見的具體方法還有伏安法、逐差法等.這兩種方法具有截然不同的特征,其中思想方法是對物理思想的應用,具有較強的概括性、遷移性,應用十分廣泛.而具體方法操作性較強,在問題解決中具有直接的效力.

筆者采用對應的方法,結合自己的教學經驗,對高中物理知識的應用過程進行了深入分析,顯化了部分重要的物理方法,具體如表1所示.

表1 高中物理知識應用過程中的常用物理方法對照表

牛頓運動定律研究物理量之間的相互關系 控制變量法 思想方法研究兩個物理量之間關系 圖像法 思想方法驗證牛頓第二定律 等效法 曲線改直法 思想方法連接體問題 隔離法 整體法 思想方法曲線運動類平拋問題 部分復合場問題 等效法 思想方法研究物體的實際運動速度及軌跡 運動合成法 具體方法研究物體的兩個方面的運動效果 運動分解法 具體方法機械能重力功問題 等效法 思想方法變力功問題 微元法 思想方法動量 驗證動量守恒實驗 等效法 思想方法機械振動 機械波類單擺問題 等效法 思想方法簡諧運動 簡諧波的研究 圖像法 思想方法波動圖像研究 上下坡法微平移法臨近點法 特殊點法 具體方法熱學分子大小和分子間距的計算 理想化模型法 思想方法單分子油膜法測分子直徑 估算法(填補法)具體方法處理永動機的存在問題 假設法 思想方法電場電場中平面上的等勢線 描跡法 具體方法電勢的求解 補償法 疊加法 思想方法恒定電流電阻測量 伏安法(內接法 外接法 限流式接法分壓式接法)具體方法電路圖分析 等效電路法 思想方法電阻測量 等效法(替代法)思想方法含滑動變阻器的電路分析 極限法 思想方法電路故障分析 假設法 思想方法輸出功率分析 解析法 思想方法磁場 交變電流電磁場和電磁波不規則導體切割磁感線產生的電動勢的計算及部分電磁感應綜合問題等效法 思想方法交變電流描述 圖像法 思想方法光學 光路分析 圖像法 思想方法

通過表1的分析,我們可以看到,科學方法集中分布在力學、電磁學部分,而在其他章節的分布較少,這兩部分應成為科學方法教育的主陣地.另外,圖像法、等效法、假設法、極限分析法出現的頻次較高,這些方法應成為科學方法教育需要攻克的主要堡壘.

在具體的教學過程中,各類科學方法應區別對待.一般地說,科學方法教育有“隱性”和“顯性”兩種方式.隱性方式重在使學生感受科學方法,受到科學方法的啟蒙和熏陶,初步體會到科學研究的方法和策略.這種方式比較適合在對學生進行科學思維方法訓練時使用.顯性方式重在解決問題中模仿應用科學方法,對科學方法進行操作訓練,使學生有意識地掌握科學研究的方法和策略.這種方式適合于在學生對這種科學方法的感性認識較豐富的前提下,有目的有意識地培養學生解決科學問題的能力時使用.我們認為,對于思想方法,應以隱性教育為主,顯性教育為輔.這樣做的原因,一方面是因為思想方法比較抽象,學生缺乏必要的感性認識,直接顯化難度較大.另外一方面是由于思想方法應用較為廣泛,我們沒必要處處顯化.比如等效法的教學,一開始只需要讓學生感性認識到等效法的存在,能夠模仿例題解決一些簡單問題就可以了.等學生的感性認識積累到了一定的程度,“呼之欲出”的時候,就可以設一個專題,系統的講解等效法的思想、解題策略等等.而對于物理方法,則應以顯性教育為主,隱性教育為輔.物理方法比較直觀,操作性強,且出現頻次相對較少,比較適合顯性教育模式.比如正交分解法的教學,初次出現的時候,就應明確告訴學生正交分解法的名稱、適用對象、適用范圍、操作步驟等等,為后續的知識應用階段的學習做準備.

思想方法和具體方法在教學上的區別還在于,思想方法教學的重心在于對物理思想的理解,這種理解達不到一定的深度,是不可能真正掌握思想方法的.而具體方法則要特別注意練習的重要性,也只有在反復的練習中,學生才能掌握具體方法的適用條件、操作步驟,最終達到熟練化的目的.

馮忠良教授指出“應用是知識掌握不可缺少的一個階段”,科學方法的學習更是如此,不經過應用這個階段,學生對科學方法的認識就只能處于一個膚淺的層面上.另外,在當前的教育形勢下,學生習題課在總課時中所占的比例,要遠遠大于新授課所占的比例,這就為知識應用過程中的方法教學提供了時間優勢.因此,我們要充分重視知識應用過程中的科學方法的教育價值,讓學生在不斷的實踐中認識科學方法、掌握科學方法,在不斷的實踐中提高自己的科學素養.