物理教學中科學方法顯性化嘗試

王新星

(南京市第十三中學 江蘇 南京 210008)

思維方法是在人腦進行的操作過程和方法，當思維方法結合高中物理課程便形成了理想模型，整體、隔離，等效替代法等是可操作、具體的物理科學思維方法.以往的物理教育中往往強化物理知識的建構，強調滲透和鋪墊，追求學生在潛移默化的熏陶中，水到渠成地體會和領悟科學思維方法，但結果往往并不理想，很多學生由于多年的習慣，老師講什么就聽什么，往往缺少對于知識背后科學思維方法的體味.近些年的高考試題中也非常重視對科學思維方法的考查，抽象的科學思維方法不能再羞羞答答地躲藏在知識背后，必須大方地走向前臺.

牛頓運動定律在高中物理教學中具有重要的地位，而牛頓運動定律的建立和完善的歷史過程中也蘊含著非常豐富的科學思維方法.以往的教學中過于強化牛頓運動定律本身，而忽視了其背后隱藏的巨大的邏輯力量.教師在教學中有必要提出科學思維方法的內容，使得科學思維方法顯性化.

1 牛頓第一定律教學設計 展現理想實驗的魅力

1.1 歷史回顧 情境引入(略)

1.2 重走探究之路 體味理想實驗方法

左斜面固定，右斜面傾角可變.實驗中我們設定小球始終從左斜面定位卡處由靜止釋放.

(1)固定右斜面，改變小球所受的摩擦，觀察小球上升的最大高度怎樣變化.重復一次.

思考：

1)小球所受摩擦阻力的大小與小球上升的最大高度之間有什么關系？

2)摩擦阻力的大小與釋放點到上升的最高點的高度差是什么關系？

3)如果沒有摩擦，小球會上升到多高的地方？

(2)減小右斜面傾角，觀察小球沿斜面運動的最遠距離怎樣變化.重復一次.

思考：

1)減小右斜面傾角，小球沿斜面運動的最遠距離如何變化？

2)如果沒有摩擦，減小右斜面傾角，沿斜面滾動的最遠距離怎樣變化？小球將上升到多高的地方？

(3)將右斜面放平，釋放小球，觀察小球的運動.

思考：

1)如果水平木板足夠長，小球會停下來嗎？

2)如果沒有摩擦，水平木板足夠長，小球將滾到哪里去呢？

我們重溫了伽利略設計的理想斜面實驗．伽利略設計的理想斜面實驗以可靠的事實為基礎, 把實驗與邏輯推理和諧地結合在一起, 指出力不是維持物體運動的原因, 而恰恰是改變物體運動狀態的原因, 推翻了亞里士多德近兩千年的錯誤觀點.理想實驗不是憑空捏造的實驗，它是以可靠的實驗事實為依據的．理想實驗是一種邏輯推理活動，是人們在抽象思維中設想出來，而實際上無法做到的“實驗”．理想實驗=實驗(事實)+邏輯推理.通過可靠的實驗事實，加上合理的邏輯推理，得出規律的一種方法.理想斜面實驗設計如表1所示.

表1 理想實驗

1.3 補充完善 形成定律

(1)亞里士多德通過直覺的觀察提出問題，為科學家的研究確立了課題.

(2)伽利略提出不易察覺的摩擦力，并且應用了一種科學思維實驗方法——理想實驗法，提出了運動不需力來維持的觀點.

(3)笛卡兒補充和完善了伽利略的觀點，還提出該觀點應該作為一個原理加以確立，并且是人類整個自然觀的基礎.

(4)牛頓總結出了動力學的一條基本定律，并提出了兩個重要的物理概念，即力和慣性.

2 牛頓第二定律——科學思維的綻放

2.1 提出猜想 引入新課——實驗猜想 理論推理

師：猜想是實驗不可缺少的環節，物體的加速度與哪些因素有關呢？請同學們從生活經驗出發提出自己的看法，然后做定性分析，猜想三者之間的關系，并舉例說明.

生：(1)與物體受到的外力的關系.

與物體受到的外力有關.例如,騎自行車用力剎車時，用的力越大,車越容易停下來，即阻力越大，自行車減速的加速度越大.

應該是與物體受到的合外力有關,分析如下.用大小不一樣的力推大石頭，推不動，是因為大石頭同時受到摩擦力的作用，受到合外力為零，因此，加速度也為零.

(2)與物體質量的關系.

與物體的質量有關.例如,人分別用相同的力推自行車和摩托車時，自行車比較容易加速啟動，而摩托車則較難.也就是說在相同力的情況下，質量較小的自行車獲得的加速度就較大.

……

引導學生總結得出猜想,即物體的加速度a只與它所受合外力F和物體本身的質量m有關.

學生在生活中對“影響物體加速度大小的因素”有所認識，但這些認識往往是片面的、不準確的.因此，要讓學生充分地表達已有的認識，在這過程中教師利用課件提供一些圖片，對學生進行啟發，引導他們不斷修正自己的觀點，從而形成對科學的認識.

從理論的角度加以分析，有利于培養理論聯系實際的能力，有利于培養邏輯思維能力.引導學生從理論推導：

2.2 探究a與F和m的定量關系——控制變量法

(1)確定研究方法

師：我們應該采用什么樣的物理方法來研究a與F,m的定量關系呢？

生：控制變量法.

師：物理學中對于多因素(多變量)的問題，常常采用控制因素(變量)的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題．每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余因素不變，從而研究被改變的因素對事物的影響，分別加以研究，最后，再綜合解決，這種方法叫控制變量法．它是科學探究中的重要方法，廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗研究中．控制變量法是中學物理常用的探索問題和分析解決問題的科學方法之一．

你認為在使用控制變量法探究3個物理量之間關系的過程中，哪些物理量比較容易控制?

預測學生的回答是合外力、質量.

(2)分兩步進行研究

保持研究對象的質量m一定時，研究加速度a和合外力F的關系.

保持研究對象受到的合外力F一定時，研究加速度a和質量m的關系.

然后,綜合兩次的研究結果，進行推理和歸納，便可找出a與m,F三者之間存在的關系.

2.3 實驗驗證

為了使研究的問題更明確些，選取在水平軌道上的小車作為研究對象，在小車的前端拴一根細繩，繞過滑輪，在下面系一個小桶，小桶里放入適當的砝碼，釋放小桶，小車就受到一個水平方向的恒定的拉力，拉力的大小就等于帶法碼的小桶的總的重力.

師:那么，這3個物理量，我們應該用什么樣的儀器來測定呢？

生:小車的質量可以用天平測量，改變小車的質量，可以通過加固不同的定片來實現，測量桶的重力就知道了作用力的大小, 改變桶里砝碼的質量，就可以改變作用力.

師: 在設計測拉力的方法時，把小桶與小桶中砝碼的總重力當作研究對象受到的拉力，這是有條件的，即小桶與小桶中砝碼的總重力遠小于小車的重量(條件限制可作為課后研究課題，學完牛頓運動定律的應用后方能解決).

可見，這3個量中能否準確、有效地測定物體的加速度是實驗的關鍵，也是實驗的難點.

方案1：打點計時器.

根據勻變速直線運動的特點Δx=aT2, 測加速度.

方案2: 用光電門傳感器(圖1).加速度a為

圖1

方案2便于操作，且實驗誤差較小.用課件顯示具體的實驗步驟，有助于學生較為規范地完成實驗.

2.4 數據處理

操作1 ：研究質量一定時a與F的關系——圖像法

控制小車質量不變,分別用不同的重力來提供小車拉力, 產生不同的加速度.從表格上可以看出,加速度隨外力增大而增大, 但是否成正比關系呢? 雖然通過數據的計算可以得到a與F成正比，但遠沒有圖像來得直觀. 圖像具有直觀、形象、簡明的特點，能直觀地描述物理過程，形象地表達物理規律，簡潔地闡明各物理量之間的相互關系，是分析、研究問題常用的方法之一.對數據進行處理,作出a-F圖, 畫出數據點, 發現這些點幾乎都落在一條過原點的傾斜的直線上, 說明加速度的確跟外力成正比關系.

操作2： 研究力一定時a與m的關系——化曲為直法

知識的總量在以驚人的速度急劇增長，知識更新的速度也越來越快.因此，我們不可能期待在學校的短短幾年里讓學生學完所有有關的知識，重要的是讓學生掌握科學思維方法，從而能夠自行地探究知識.然而現階段，教材和教參中只列出了知識點和相應的教學要求，卻沒有明確指出科學思維方法的教學內容和要求，這就需要我們所有教育工作者共同努力，填補科學思維方法教育的空白.

參考文獻

1 肖驍，邢紅軍.高中物理教學中的科學方法顯化研究.物理教師， 2010(3):1～3

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，2010，30(12):71～73