談中學物理教學中科學方法的教育

李茜

(孝感高級中學 湖北 孝感 432100 )

高中物理新課程標準把“過程與方法”作為物理課程標準的三維度之一.要求教師在引導學生探究學習物理概念和規律的過程中，使學生體會和了解研究物理學的科學方法，能夠應用物理知識和方法分析解決一些生活及生產中的物理問題，增強學生的創新意識，發展學生終身學習能力和創新能力.那么什么是科學方法？研究物理問題采用的主要科學方法有哪些？物理教學中又怎樣對學生進行科學方法的教育？下面是筆者的一些認識.

1 科學方法的內涵及教育意義

科學方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中，為了解決某一具體問題，從實踐和理論上總結出來的正確的思維方式和行為方式.認知心理學把科學方法分為弱認知方法和強認知方法.弱認知方法指人們認識事物的邏輯思維方法，是普遍適用于各個領域的一般的認知方法，它包括分析、綜合、抽象、概括、類比、判斷、演繹推理等方法.強認知方法指特定專業領域的獨特的認知方法，是包括弱認知方法在內的科學方法.比如物理學中的實驗歸納法、控制變量法、理想模型法、等效替代法、類比法、比值定義法、數學方法等.

趙凱華先生指出：“物理學是唯一的一門理論和實驗高度結合的精密科學，物理學中有一套獲得知識、組織知識和應用知識的最有效的科學方法，通過物理課程學習和掌握物理學的研究方法，對于科學素質的培養有好處 .”我們知道，物理學是包括物理方法論的科學體系，物理理論的形成和發展離不開科學方法的指導.從物理教材中我們不難看出，每一個物理概念的建立，每一個物理規律的發現，無不滲透著科學家研究和探索物理世界的科學方法，它縱橫交錯、貫穿于整個物理學之中，把不同的知識點連接起來構成完整的知識結構體系.科學事實證明，正確的方法是科學之魂，可以起到事半功倍的作用；物理學中每一次重大問題的突破，必然伴隨著新的科學方法的產生和應用.從某種意義上講，“方法”比“知識”更重要，因此，在物理教學中使學生知道和掌握研究物理學的科學方法，對于培養學生的科學素質具有重要的現實意義.

2 科學方法的教育內容

物理學家在研究和描述物理現象、實施物理實驗、建立物理概念、尋找物理規律、構建物理理論的漫長歷史過程中，采取了許多行之有效的手段，形成了一系列研究物理問題的科學方法，通常稱為物理方法.物理方法是科學方法的重要組成部分，不僅推動了物理學自身的發展，還促進了其他科學領域的進步，具有一般科學方法的價值.中學物理中的科學方法主要有以下幾種.

2.1 抽象概括法

指認知者在對某類客觀事物現象或實驗事實充分感知、形成清晰表象的基礎上，運用分析、綜合、抽象、概括等邏輯思維方法，把事物現象共同的本質屬性特征加以概括而形成概念或規律的思維方法，如力的概念的形成，楞次定律得出的方法.

2.2 理想(化)模型法

為了研究問題的方便，在一定條件下，忽略研究對象的次要因素，突出和再現其主要因素，把研究對象進行高度的簡化和純化，建立反映研究對象主要特征模型的方法.如質點、理想氣體、點電荷、光線、勻速直線運動等都是理想化的物理模型.理想模型的建立，為研究實際物體的運動規律奠定了基礎，是一次科學思想的飛躍，是研究實際客體結構及運動規律的橋梁和紐帶.

2.3 實驗歸納法

是在實驗的基礎上，對實驗數據進行分析綜合、總結歸納出物理規律的認識方法.它主要體現在實驗數據的獲得，運用分析概括、數學方法進行加工整理，歸納出各物理量之間的內在聯系，再經實驗檢驗得出物理規律.用實驗歸納法得出的規律一般叫物理定律，如牛頓第二定律、動量守恒定律、閉合電路歐姆定律、法拉第電磁感應定律等.

2.4 演繹推理法

從已知的一般性物理規律出發，通過分析和限制條件，運用數學推導、演繹推理出新的結論，再經實驗檢驗上升為新的物理規律的方法.用演繹推理法得到的規律一般叫做定理.

演繹推理是由一般到個別的推理，要求以可靠的一般原理或規律為大前提，才能推出新的命題結論.

2.5 控制變量法

在用實驗探究物理規律過程中，當某個物理量受幾個物理變量因素的影響或制約時，先將其他的變量因素加以控制，保持不變，而讓其中一個因素發生改變，進而研究這個因素對該物理量的影響，由此總結出物理規律的方法.

如在研究物體的加速度a與受到的合外力F、物體質量m的關系中，先保持物體的質量m不變，發現物體的加速度與合外力F成正比；再保持合外力F不變，發現加速度a跟物體的質量成反比，綜合得出牛頓第二定律.再如向心力的大小F=mrω2,安培力的大小F=BIL所滿足的規律都是采用了控制變量法得到的.

2.6 等效替代法

是在保證某一方面效果相同的前提下，用一種理想的、熟悉的、簡單的物理現象(或物理對象、物理過程)替代實際的、陌生的、復雜的物理現象(或物理對象、物理過程)的思維方法.運用等效替代法可使問題化繁為簡、化難為易；具體操作的關鍵，是要明確不同事物在什么條件，什么范圍，什么方面上是等效的.常見的等效替代關系有：

(1)物理量的等效替代，如在研究共點力的合成實驗中，保證橡皮條伸長量相同的前提下，找到了兩個互成角度的共點力的合成規律——力的平行四邊形定則.

(2)研究對象的等效替代，如電磁感應中感應電動勢的等效電源，帶電粒子在電場、重力場的運動等效為復合場的運動，串并聯電路中的等效電路、等效電阻.

(3)物理過程或物理模型的等效替代，如電場的類平拋運動與重力場中的平拋運動等效，動量守恒問題中等效的“人船模型”.

2.7 類比法

2.8 比值定義法

為了表示物質的本質屬性特征和物體的運動特征，采取比值的形式定義一個物理量的方法.物理學中用比值定義的物理量占有相當大的比例.如用比值法表示物質本質屬性特征的物理量有：

它們的共同特征是：物質的屬性是由物質本身決定的，是一個不變的量，需要選取兩個或多個能反映物質屬性特征的可測物理量，它們的比值是一個與可測量無關的定值.

用比值法表示物體運動特征的物理量有：

它們的共同特征是：在相同時間內某物理量的變化量相等，用變化量和變化所用時間的比值表示物體的運動特征.

物理學中的科學方法很多，除了上述幾種方法外，還有圖像法、乘積定義法、轉換法、整體法、隔離法等等.

3 科學方法教育的途徑

巴甫洛夫認為,重要的是科學方法、科學思想的總結，認識一個科學家的方法遠比認識他的成果價值要大.在新課程理念下的物理教學中，應該結合教學內容適時、適度地對學生進行科學方法的教育，將科學方法的教育落實到具體的教學環節之中，將科學方法教育滲透到物理知識的認知活動中，使學生領悟科學方法，掌握科學方法，學會用科學方法解決物理問題，培養學生的科學思維能力和發明創造能力.

然而，科學方法并沒有在物理教材中以文字的形式明確表述出來，而是以“隱形方式”隱含在物理知識體系之中，往往不易引起教師和學生的重視，容易被淡化或忽視，長期以來使得科學方法的教育表現為隱性的教育方式.為了全面落實《普通高中物理課程標準》，有效實施“過程與方法”的教育，需要教師變科學方法的“隱性教育”為“顯性教育”，在引導學生形成物理概念、發現物理規律過程中，在應用物理知識解決實際問題的過程中，應該明確地指出科學方法的名稱、內容和操作過程，有目的、有計劃、有意識地進行科學方法的教育，寓科學方法的教育于物理概念的形成之中，寓科學方法的教育于物理規律的發現之中，寓科學方法的教育于物理訓練之中.

物理概念是對物理事物、物理現象本質特征的高度概括和抽象，是構建物理理論最基本的元素.物理概念分為定性概念和定量概念.定量的物理概念又稱為物理量，不同物理量的定義所用到的方法一般是不同的，定量確定物理量單位大小的科學方法也不同.

比如，物理學中七個基本物理量(質量m、長度L、時間t、熱力學溫度T、電流強度I、摩爾量M、發光強度I)單位的定義，必須采用國際上規定的實驗標準和具體的實驗操作程序來確定.由此可見，建立物理概念的過程必定有科學方法的參與.

在物理概念教學中，應引導學生認識每一個物理概念是怎樣形成的，運用了哪些科學方法.同時應向學生指出， 用科學方法建立起來的物理量，為定量認識物質結構和物體運動物理規律奠定了數學計算、演繹推理的基礎；人們在此基礎上采用一定的科學方法和實驗手段，在確定的條件下，建立起物理概念、物理量之間所滿足的關系，發現了物體運動的規律.物理學規律及科學方法的應用又推動了物理學的進步與發展.因此，結合物理概念的建立，物理規律的形成過程，及時介紹所用到的科學方法，是對學生進行科學方法教育的重要途徑.

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

2 趙凱華. 對中學物理課程若干問題之我見. 物理教學 ，2009，31(2)：2