物理學(xué)科方法的層次性及其顯性化的途徑

張建奮

“物理學(xué)科方法”指物理學(xué)習(xí)和研究中，用到的具有物理學(xué)科特征的科學(xué)思維方法.盡管當(dāng)前，科學(xué)方法教育已受到相當(dāng)重視，但如何在教學(xué)過程中滲透這種方法，仍受到某些方面的制約，往往使方法被“泛化”，使學(xué)生對(duì)“方法”產(chǎn)生恐俱心理，直接影響學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣.必須認(rèn)識(shí)到“物理學(xué)科方法”是具有隱性知識(shí)特點(diǎn)，具有情景性，與受所處 “物理情景”的約束，具有難以規(guī)范化的特點(diǎn)，只有使“方法”的顯性化，才能使物理教學(xué)彰顯其學(xué)科的特征，呈現(xiàn)它的魄力與價(jià)值.

1 物理學(xué)科方法層次性的結(jié)構(gòu)分析

物理科學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的組成部分，但物理學(xué)習(xí)有其自身的規(guī)律和特征.就方法本身來講，從不同角度來講，都離不開具體的情景和需要解決的問題.

本例的典型之處，是用彈力存在條件難以直接判斷.彈力的存在的條件是：一是接觸；二是物體發(fā)生形變.分析的難點(diǎn)是題目并沒有告訴物體之間是否有形變（或擠壓）.因此，直接用條件判斷存在思維的障礙，分析方法的突破就是解題的關(guān)鍵.我們通常用“撤力法”或“加力法”去分析，本類型題的分析一般程序是（圖2）：

以受力分析的方法為例，可能會(huì)運(yùn)用到一般的科學(xué)思維方法如：“假定法”、“極端分析法”，物理學(xué)科方法如“理想實(shí)驗(yàn)”，而對(duì)應(yīng)具體物理知識(shí)內(nèi)容方法如“撤力法”或“加力法”等.在不同層次去分析，有不同的詮釋.

在教學(xué)上，我們講的“物體受力分析”有兩重意義，首先是指考點(diǎn)（或者說知識(shí)點(diǎn)），某次指的就是指“方法”本身.就“方法”而言是存在一定的層次，第一層次的一般科學(xué)的方法，這是各個(gè)學(xué)科學(xué)習(xí)都會(huì)用到的方法，是人類知識(shí)和思維的一種集成；[TP1GW73.TIF，Y#]第二層次是物理學(xué)科的方法，是物理學(xué)科特有的，具有很強(qiáng)的學(xué)科特征.在物理學(xué)史上，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為經(jīng)典力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)，標(biāo)志著物理學(xué)的真正的開端；第三層次是物理學(xué)科相關(guān)內(nèi)容的處理問題的方法.“物體受力分析方法”本身沒有指明是哪種方法，而是具有情景性的.因此，教學(xué)中物理學(xué)科方法顯性表達(dá)出來，才有利于培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維.

2 物理學(xué)科方法顯性化的途徑

2.1 合理運(yùn)用科學(xué)方法的“因素判定原理”，把物理學(xué)科方法顯性表達(dá)出來

我國科學(xué)方法教育著名研究者張憲魁教授曾提出“科學(xué)方法因素判定原理”，他認(rèn)為“在物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)的建立、引申和擴(kuò)展中，知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)之間的連結(jié)處（可以把它叫做”鍵“）一定存在物理科學(xué)方法因素”. 這一“因素判定原理”是概念和規(guī)律教學(xué)中挖掘物理學(xué)科方法的極好工具.這一判定方法，若換成其它學(xué)科仍然適用，但對(duì)于物理學(xué)科本身來講，是有其特殊的意義.

這一例子是“因素判定原理”典型應(yīng)用.張教授認(rèn)為“在速度-平均速度-瞬時(shí)速度概念建立過程中，在知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)之間的連結(jié)處，在概念建立和發(fā)展中分別應(yīng)用了近似、極限、微分等方法”.不過，如果單從物理學(xué)科方法角度去理解，速度到平均速度概念是用物理量“比值定義”的方法，而瞬時(shí)速度用的“極限法”實(shí)際蘊(yùn)含著物理學(xué)科中“化曲為直”思想，或可稱為“化曲為直”的物理學(xué)科方法，這在認(rèn)識(shí)上是一個(gè)重要的思維飛躍.據(jù)說歷史上萊布尼茨和牛頓各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)微積分，也許在學(xué)科認(rèn)識(shí)上兩者是有一定差異的.

案例3 功的計(jì)算.初中階段功的計(jì)算公式W=Fs，到高中階段功的計(jì)算公式W=Fscosθ，還涉及到，恒力或變力做功問題，功的計(jì)算公式形式每一變化，都呈現(xiàn)物理學(xué)科方法的運(yùn)用，也體現(xiàn)學(xué)科方法的特點(diǎn)（如圖4）.

物理規(guī)律的運(yùn)用，往往與特定的情景相聯(lián)系.而這種情景對(duì)應(yīng)于不同的物理模型.圖4表明，在功的計(jì)算過程中，在每一種計(jì)算公式的演變，都對(duì)應(yīng)不同物理方法的應(yīng)用.

在教學(xué)過程中，要把物理的這種學(xué)科方法顯性地表達(dá)出來，對(duì)提高學(xué)生理解和掌握物理規(guī)律有重要的意義.

2.2 在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中合理呈現(xiàn)物理學(xué)科方法，顯性表達(dá)物理學(xué)科方法

案例3 2009年全國中學(xué)物理“名師賽”特等獎(jiǎng)的《磁場(chǎng)與磁現(xiàn)象》.王老師設(shè)計(jì)制作教學(xué)器材-風(fēng)力線的模擬.極好地處理了風(fēng)力線的描述到磁場(chǎng)線的過渡.王老師的示教板設(shè)計(jì)用風(fēng)的吹動(dòng)布條，讓學(xué)生思考如何去描述“風(fēng)力”.以下是一段師生對(duì)話：

師：能不能告訴我風(fēng)是怎么吹的？

生：是繞著圈吹的？

師：能不能用動(dòng)作告訴我？[TP1GW75.TIF，Y#]

生1：手在空中比劃，畫了一個(gè)圈.

師：你能不能在黑板上畫出？

生1：在黑板畫了一個(gè)圈.

師：有誰不同意？

生2：還缺少方向.

……

教師畫出分析比較（如圖5），發(fā)現(xiàn)風(fēng)對(duì)布條有力的作用，布條飄動(dòng)的方向，反映出該位置風(fēng)力的方向.同樣，置于磁場(chǎng)中小磁針偏轉(zhuǎn)反映出磁場(chǎng)的情況.學(xué)生再通過當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同點(diǎn)小磁針的N極方向不同，反映出條形磁鐵不同位置磁場(chǎng)方向不一致.

“力線”是物理學(xué)中的描述“場(chǎng)”的一種重要方法.而方法本身并不局限在某一知識(shí)點(diǎn)，因此，教師不厭其繁對(duì)“方法”進(jìn)行顯性化的處理，有其教學(xué)本身的意義，也是讓學(xué)生掌握物理的本質(zhì).可以看出教師在設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)把物理研究方法和教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，不是把磁場(chǎng)與磁現(xiàn)象結(jié)論直接灌輸給學(xué)生，是在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景中，把物理的方法顯性表達(dá)出來，這也和新課程的理念是一致的.教學(xué)本身是教師再創(chuàng)造的過程，教學(xué)過程不僅僅是使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)內(nèi)容本身的積累，更重要的是掌握物理學(xué)的方法與物理思想.

2.3 針對(duì)問題解決教學(xué)對(duì)方法進(jìn)行指引，顯性表達(dá)物理學(xué)科方法

案例4 如圖6所示，豎直放置的輕彈簧一端固定在地面上，另一端與斜面體P連接，P與固定擋板MN接觸且P處于靜止?fàn)顟B(tài).則斜面體P此時(shí)刻受到外力的個(gè)數(shù)有可能為

A.2個(gè) B.3個(gè) C.4個(gè) D.5個(gè)

解這類題題目其實(shí)與案例1一樣，學(xué)生往往還是憑“感覺”去認(rèn)為有幾個(gè)力，判斷會(huì)出問題.學(xué)生一般知道老師教的受力分析方法，先確定研對(duì)象，分析順序重力、彈力、摩擦力，但到了具體的情景就一籌莫展了.關(guān)鍵是處理問題的方法沒有內(nèi)化.本題關(guān)鍵是彈力和摩擦力有無，而彈力是摩擦力產(chǎn)生的條件之一，對(duì)于選擇題用排除法就可判定，要么2個(gè)力，要么4個(gè)力.如果要去分析斜面有否壓力的條件，只要看彈簧彈力與P物體重[JP3]力的大小關(guān)系，讓學(xué)生畫出受力分析圖就可一目了然（如圖7）.

案例5 如圖8所示，平行板電容器在充電后不切斷電源，此時(shí)板間有一帶電塵粒恰能在電場(chǎng)中靜止，當(dāng)正對(duì)的平行板左右錯(cuò)開一些時(shí)

A.帶電塵粒將向上運(yùn)動(dòng)

B.帶電塵粒將保持靜止

C.通過電阻R的電流方向?yàn)锳到B

D.通過電阻R的電流方向?yàn)锽到A

題目涉及到電容器的充放電.如何確定充放電方向是解題的關(guān)鍵.假設(shè)法是很好的方法.可從不同角度去分析.方法一：假設(shè)U不變.S↓→C↓→U不變→Q↓→電容器放電→電容器的正極流向電源正極（A→B）.方法二：假設(shè)Q不變.實(shí)際過程中電容器的C、Q、U都在變化，可先假設(shè)Q不變：S↓→C↓→因Q不變→U↑→電容器放電→電容器的正極流向電源正極（A→B）.

物理問題解決，是物理教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容.教學(xué)中要指導(dǎo)學(xué)生分析和解決問題的能力，就要在具體的問題情況中把方法顯性表達(dá)出來.如解題時(shí)要學(xué)生畫圖，不僅是習(xí)慣，也是一種物理學(xué)科特有的一種方法，它有助于分析和解決問[TP1GW78.TIF，Y#]題.

2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中展示物理學(xué)科方法，顯性表達(dá)物理學(xué)科方法

案例7 微小形變演示實(shí)驗(yàn).如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置，當(dāng)用力擠壓裝滿水的玻璃瓶，會(huì)看到細(xì)玻璃管內(nèi)的水面明顯變化（上升或下降）.這是利用細(xì)玻璃管內(nèi)水面的變化來放大玻璃瓶的微小形變.實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程包含有很多的方法：

微小放大的方法在很多實(shí)驗(yàn)都有用到，如將發(fā)聲的音叉靠近乒乓球通過乒乓球被彈開顯示音叉在振動(dòng).如測(cè)量引力常數(shù)和靜電常數(shù)的“光杠桿”等.

3 有效教學(xué)策略再思考

歷史上有個(gè)的關(guān)于愛迪生讓高材生的助手做測(cè)量故事，說是那位高材生套用各種公式，用各種工具來測(cè)量，結(jié)果忙得焦頭爛額半天還是算不出來.愛迪生走過來，驚奇地發(fā)現(xiàn)他還沒有算出來時(shí).拿起燈泡，往里面注滿水，然后把水倒進(jìn)量筒，就這樣，燈泡的體積就求出來了.其實(shí)，故事給我們的啟示，不僅僅是物理學(xué)中物體體積測(cè)量的方法，而是說明了，好的方法往往事半功倍，甚至是幾百倍.這就是方法的力量.在新課程的改革中，新的理念漸漸被我們接受，但往往是教師主要關(guān)注課堂教學(xué)的是形式改變，如課堂活動(dòng)的方式，多媒體的運(yùn)用，往往忽視了物理的學(xué)科特征.任何改革，都不能脫離學(xué)科本質(zhì).“過程與方法”在新課程改革要得到強(qiáng)化，但必須思考促進(jìn)物理學(xué)科方法的顯性化的教學(xué)策略，同時(shí)，對(duì)物理情景思考時(shí)，要注意任[JP3]何單一方法的都是有局限性，還要使學(xué)生學(xué)會(huì)靈活地運(yùn)用方法.

【廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度項(xiàng)目《“拓展式”課例研究范式與物理教師實(shí)踐共同體建構(gòu)的研究》（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)：2012ZQJK013）研究成果.】