試析高中物理教材中科學方法教育因素的挖掘——以“萬有引力與航天”一章為例

劉金鳳 魏守國 李新鄉 田春鳳

（1.曲阜師范大學，山東 濟寧 273165；2.山東省青州第二中學，山東 濰坊 262500）

1 問題的提出

物理教學的目標是培養學生的科學素養，因此，物理教學不應該只是物理學知識的教育，還應該包括科學方法的教育.物理科學方法教育的內容包括3個方面，即弘揚科學精神，掌握科學方法，樹立科學態度.

經過幾年的基礎物理課程改革，教師普遍認識到了科學方法教育的意義，但實施物理科學方法教育的效果仍然不盡人意.盡管原因是多方面的，但是不少教師不會對教材中的科學方法教育因素進行分析是一個重要原因.

在物理教學過程中開展物理科學方法教育，必須結合教材進行.但是，教材一般是以知識的內在聯系為線索而展開的，不會或很少提及所用的方法.因此，就需要我們分析、挖掘教材中的科學方法教育因素，這樣才有可能結合教材進行科學方法教育.

本文以人民教育出版社普通高中課程標準實驗教科書《物理》必修2第7章“萬有引力與航天”為例，深入探討物理教材中科學方法教育因素的分析、挖掘方法.

2 高中物理規律教材中科學方法教育因素挖掘的案例分析

關于“物理科學方法因素的判定原理”，可認為“在物理學知識點的建立、引申和擴展中，知識點以及知識點與知識點之間的連結處，一定存在物理科學方法因素.”當我們分析教材時，只要找出教材中所涉及的知識點（概念、規律、實驗、應用、習題等），以及從一個知識點沿縱向或橫向到另一個知識點的過渡處，就可以挖掘出科學方法因素.下面結合案例詳細闡述高中物理規律教材中科學方法教育因素的分析方法.

2.1 建立物理規律過程中隱含科學方法

在建立規律的過程中，一定存在物理科學方法因素.因為在探索規律、總結規律時，必須由人們借助于一定的工具（如實驗儀器）、一定的手段（包括人的思維等），通過一定的操作去觀察、去發現，這就體現為方法了.在中學物理中，建立規律主要運用觀察方法、實驗歸納法、邏輯推理法、理想實驗法、圖像法以及假說方法等等.

上述教材第1節“科學足跡”中介紹了人類對行星運動規律的認識過程，可以通過對3位主要科學家——哥白尼、第谷、開普勒的研究過程進行深入分析，挖掘出其中蘊含的科學方法教育因素.

托勒密提出“地球是宇宙中心”的學說，流傳了1 400多年，一直為人們所接受，得到了神學家的支持，但是對行星逆行現象的解釋缺少簡潔性.哥白尼堅信宇宙和自然是美的，美的東西一定是簡單與和諧的，提出了“太陽中心學說”，沉重打擊了教會的宇宙觀.伽利略發明了望遠鏡，發現了圍繞木星轉動的“月球”，進一步表明地球不是所有天體運動的中心.從表面上看，從地心說到日心說不過是參考系的改變，其實，這是一次真正的科學革命，使人們的世界觀發生了重大變革.這種觀念的變革，在哥白尼那里還是隱含的.意大利學者布魯諾將它公開說了出來，為此被宗教裁判燒死在羅馬的鮮花廣場，為科學付出了生命的代價.布魯諾相信真理而不迷信權威的實事求是的科學態度值得我們深思、學習.哥白尼的學說對開普勒的工作是一個不可缺少的序幕，為牛頓確定運動定律和萬有引力定律提供了可能性，并且從中我們可以看出物理美學在物理學的發展中，也具有方法論的作用和意義.

第谷一生都致力于天文觀測，他的觀測結果不僅為哥白尼的學說提供了關鍵性支持，而且是開普勒發現行星運動定律的基礎.教材對第谷精于“觀察自然”的描述，體現了實驗觀察手段在科學研究中的重要作用.觀察不僅僅是通過感官去觀察，還可以使用科學儀器，科學觀察還需要準確而周密的觀察記錄.

開普勒從相信行星繞太陽做勻速圓周運動的觀點思考問題開始，到對火星軌道70余次嘗試所得的結果都與第谷的觀測數據有至少8′的角度偏差，相當于從10m以外觀察一個一角的硬幣，就是這樣小的誤差，開普勒也不放過，直至最后他對第谷數據的精確性深信不疑，這不容忽視的8′也許正是因為行星的運動并非勻速圓周運動.第一次大膽地對人們長期以來視為真理的觀念，天體在做完美的勻速圓周運動表示懷疑.我們不得不被開普勒尊重實驗數據、嚴謹、實事求是的科學態度所折服.

同時我們也應該看到，第谷和開普勒是兩個風格截然不同的科學家，一個擅長觀察，另一個是數學天才，但是誰的作用也不可忽略，第谷從觀測實驗入手，開普勒對實驗結果進行邏輯推理、數學歸納，通過對部分行星運動的研究，運用枚舉歸納揭示了行星運動的整體規律，雖然當時尚有一些行星未被發現，他不可能窮盡所有例證，但他的思維卻透過部分而發現了整體規律，把幾千個數據歸納成如此簡單的幾句話，物理學的簡潔美、科學探索的樂趣與科學方法的魅力可見一斑.人類對行星運動規律的認識過程充滿著曲折與艱辛，科學規律的建立不是一蹴而就的，它需要幾個人甚至幾代人的不懈努力.

2.2 由一個規律向另一個規律的過渡處隱含科學方法

由一個規律向另一個規律過渡時，并不是簡單的堆列，當一個規律建立時，必定會引發更深層次的問題，從而建立新的規律.解決這些深層次的問題需要科學方法.

開普勒定律發現后，人們開始更深入地思考：是什么原因使行星繞太陽運動？牛頓認為，以任何方式改變速度（包括改變速度的方向）都需要力.使行星沿圓或橢圓運動，需要指向圓心或橢圓焦點的力，這個力應該就是太陽對它的引力.很容易想到太陽對行星的引力跟行星到太陽的距離有關，然而它們之間有什么定量關系？教材就是通過這樣的問題和方法引入第2節“太陽與行星間的引力”的.一方面由于高一學生缺少橢圓知識和微積分知識，另一方面行星運動的橢圓軌道十分接近圓，所以教材按照圓軌道進行推導，得出太陽與行星之間作用力的規律.近似圓處理體現了理想化的方法、推導過程蘊含了數學方法及規律本身具有方法論的意義.

既然是行星與太陽之間的力使得行星不能飛離太陽，那么，可以進一步設想，是不是地球對地面物體的力使得地面物體不能離開地球，總要落回地面呢？高中物理教材多次運用設疑提問的方法，使得問題環環相扣，層層深入.

上述教材第3節“萬有引力定律”引導學生追尋牛頓的足跡發現規律.牛頓大膽猜想，把天上的力學與地上的力學統一起來，地球對月球的力、地球對地面物體的力、太陽對行星的力，也許真是同一種力.在這個問題的學習中，可向學生滲透科學猜想的方法.猜想要由事實來檢驗.月—地檢驗說明了地面物體所受地球的引力與月球所受地球的引力真的是同一種力.接著牛頓做了更大膽的設想，是否任意兩個物體之間都有這樣的力呢？牛頓將它推廣到宇宙中的一切物體之間.最后一步的假設，雖然無法得到直接驗證，但是我們沒有反駁它的理由，而且以后無數的事實都支持了這一點.物理學許多重大理論的發現，不是簡單實驗結果的總結，它需要直覺和想象力、大膽的猜想和假設，再引入合理的模型，深刻的洞察力、嚴謹的數學處理和邏輯思維，常常是一個充滿曲折和艱辛的過程.

2.3 表述規律時隱含科學方法

規律的表述過程中一定存在物理科學方法因素.規律可以用語言來描述，也可以運用符號、公式和方程等來表征即采用數學模型的方法.數學模型可以反映物理原型的本質特征和關系，又具有最簡單的形式，使物理問題得到簡化.

開普勒用數學方法發現了規律、用簡潔的語言表述了規律，特別是第三定律運用數學模型的方法將一個天體周圍幾個物體的運動聯系了起來.同樣地，牛頓也是利用他深厚的數學功底建立了萬有引力定律，并給出了具體的數學表達式，用最簡單的形式描繪了自然界中一切物體之間存在的引力相互作用.這就說明規律可以用簡潔的語言來表述，也可以用數學模型來呈現.

教材在給出萬有引力定律公式之后，對“距離”進行了界定，強調萬有引力定律成立的條件——兩個質點之間.這個條件可擴展到均勻球體和質點間以及兩均勻球體間.這一部分應用了理想化的質點模型.因為研究任何兩個物體之間的萬有引力，實際上是很復雜的.此時，我們可以忽略原型中的次要因素，集中突出原型中起主導作用的因素，摒棄次要矛盾，突出主要矛盾，把物體抽象為兩個質點.

2.4 規律的應用隱含科學方法

當運用規律解決問題時，一定存在物理科學方法因素，一方面這個過程需要一定的方法，另一方面此時規律本身也具有方法論意義了.

在第4節“萬有引力理論的成就”中，計算天體質量，對于地球質量教材是通過忽略地球自轉的影響，利用地面物體所受的重力等于地球對物體的引力計算得出的，體現了理想化的方法.太陽的質量是利用行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力是由它們之間的萬有引力提供的，由此列出方程，由于行星運動的角速度不能直接測出，但是測出它公轉的周期，可將角速度用周期替換，從而解出太陽的質量，這里體現了等效替代的科學方法.發現未知天體，通過對海王星發現過程的敘述，人們發現根據萬有引力定律計算出來的天王星軌道與實際觀測的結果總有一些偏差.有人認為萬有引力定律的準確性有問題，另一些人推測是因為有未發現的行星對天王星的吸引使其軌道產生了偏離，最終發現了海王星，體現了懷疑、創新、求真的科學精神.

在以上過程中，計算天體的質量，發現未知天體，以及在第5節“宇宙航行”中計算3個宇宙速度等都把萬有引力定律作為研究問題的直接方法.也就是說，在運用規律解決實際問題時，規律本身也就具有方法論的意義了.

2.5 從物理學家的失誤看科學方法

人們總是希望成功，但沒有一種方法是萬無一失的.科學家在總結規律的過程中，也常常出現一些錯誤.教材中有計劃地介紹主要物理學家的科學方法與科學思想，總結物理學家的失誤及失敗的教訓，同樣具有方法論的意義.

教材在“科學足跡”欄目中介紹了開普勒由“失敗”到“研究”到“成功”的過程，從中找出失敗的原因，繼續研究，就會獲得成功.牛頓有許多年陷入煉金術、《圣經》的年代學及其他神秘探索，他犯過的錯誤和性格上的弱點也許比人們知道的更多，但他仍是一位無與倫比的巨人.人無完人，任何大家都會陷入錯誤的漩渦，適當介紹他們的失誤，就會讓讀者有一個清晰的認識，避免產生盲目崇拜.同時介紹他們堅韌不拔地為科學事業作出的不朽貢獻，不僅不會降低科學家的威望，反而更會讓讀者因為他們的科學精神和科學態度所折服.

3 總結與建議

教材一般是按照知識體系和學生的認知規律編寫的，不可能將科學方法都一一明確呈現.然而物理科學方法教育應當采用顯性方式，也就是說，教學中教師公開進行科學方法教育，學生有意識地接受科學方法訓練，方法教育的形式是外顯的.一方面，教師應該補充與科學方法教育有關的理論知識，能夠按照科學方法因素判定原理，挖掘教材中隱含的科學方法教育因素.另一方面，由于多種因素的制約，教材對相關物理學史的介紹相當有限.面對這種情況，教師應該通過多種渠道主動搜集與教學內容相關的物理學史資料，并在物理課堂上結合教學內容向學生介紹物理學家在探究過程中使用的一些科學方法.

1 張憲魁.物理科學方法教育.青島：青島海洋大學出版社，2000.13，28

2 李正福，李春密，邢紅軍.從隱性到顯性：物理科學方法教育方式的重要變革.課程·教材·教法，2010（12）：73