高中物理科學方法教育的方式和實施途徑

謝麗華 李衛東 王長江

物理學是一門理論和實驗高度結合的學科，它特別強調正確有效的研究方法，嚴謹縝密的推理和歸納，科學方法是中學物理教學主要內容和任務之一，特別是新一輪基礎教育課程改革以來，物理課程的三維目標中明確提出了“方法”目標，要求學生在物理學習中“了解物理學的研究方法”“嘗試應用科學探究的的方法研究物理問題”.這就對物理教學提出了明確的教學目的，使得科學方法教育得到更廣泛的認識和實施.傳統的物理教學過分在學科知識積累與應試技能上做文章，忽視了科學素質、科學方法和學習體驗，以至于高中生活成了“苦學”的代名詞，使得原本可以“開闊視野、充實思想、愉悅精神”的學習生活變得枯燥無趣.極大的束縛了青少年學生的成長.這種教育的失衡也嚴重影響了我們國家的創新能力和國際綜合競爭能力.因此，在當下新課程改革中深入思考科學方法教育具有十分重要的意義.

1 高中物理科學方法教育的兩種基本方式

物理知識和物理科學方法構成物理學大廈.但是長期以來，物理科學方法教育是最不清楚的問題之一.造成這種現狀的原因，一是沒有綱要性或權威性的教學目標或課程標準來指導，二是從教材的編寫體系來看，物理科學方法這條暗線更是“猶抱琵琶半遮面”，在龐大的物理知識中難見只言片語.這種情況就導致長期以來物理教學對物理知識采用顯處理，而對科學方法采用隱處理.科學方法隱性教育就是在教學中隱蔽地發揮科學方法的導向作用，使學生在學習過程中受到潛移默化的熏陶，教學過程中不明確指出科學方法的名稱，不說明科學方法的原理，不揭示科學方法的本質與操作過程.所謂科學方法顯性教育，是指教師有意識地公開進行科學方法教育，學生有意識地學習科學方法，以達到理解知識、掌握方法和形成科學態度的目的.雖然科學方法隱性教育考慮到學生的知識基礎，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方法，然而隱形教育不能讓學生有意識地學習科學方法和獲得對其理性認識，不能讓學生自覺地以科學方法為指導來加深對知識的理解，容易使“過程與方法”維度虛化并導致科學方法教育的方式不甚明朗.在物理教學中進行科學方法顯性教學，可以使科學方法教育有的放矢，有據可依，并為學生提供學習科學方法的條件.

在教學過程中，學生獲得應用能力的關鍵就是科學方法的習得，一線教師所謂的學生不會“開生題”都是源于科學方法教育的缺失.然而科學方法有其獨立于物理知識的表達體系，并往往隱藏在知識背后，且需要學科特色與心理學的結合.這就要求教師以理論思維的觀點來規劃物理教學過程，從而實現充分、 有力、簡約的教學邏輯.科學方法教育，作為物理知識活動的中介，它是連接物理現象與知識的紐帶，物理知識（概念、規律等）只有通過科學方法的參與，才可能上升為知識形態，這就決定了物理科學方法教育與物理知識的教育過程不可分割.換句話說.科學方法是“因”，而物理知識則是“果”，所以它們之間客觀存在一種“對應”關系，正是基于這種“對應”，我們才可以把科學方法教育內容“顯化”. 基于此，我們提出，物理科學方法的教育內容主要包括兩個部分：思維方法、物理方法.思維方法是人的大腦的功能，是進行各種學習和探索的基礎，在認知心理學中被化為弱認知方法的范疇，適用于解決各種普遍問題.物理方法是物理知識結構中特有的方法，如比值定義法、理想模型法等，這類方法具有較強的加工功能，是物理教學歷來重視的內容.顯化的科學方法不僅是教學的內容，而且是教學的依據，還是表達教學邏輯的載體.在教學中，物理科學方法是一種外化操作的時空次序，不僅由內部的思維方法伴隨和操控，而且還要使學生感受到思維方法的心理體驗.因此，這就需要物理方法與思維方法在顯化基礎上的融合，才能更加系統而有針對性地將科學方法傳授給學生.物理科學方法的顯性教育著眼于學生科學素養的形成，根植于方法教育內容的確定，落腳于學生科學方法的掌握.

2 高中物理科學方法教育的實施途徑

2.1 以知識教學為載體，滲透物理科學方法

物理教材大體可分為概念性教材、 規律性教材、實驗性教材和應用性教材四大類，在物理概念和規律的建立、發展和應用過程中，以及各知識點相互聯系的地方往往蘊涵著豐富的科學方法. 物理概念與規律的建立和發展，一般會運用觀察和實驗、比較與分類、分析與綜合、數學方法、歸納與演繹、猜想與假說以及理想化方法等物理科學方法中的一種或幾種，在教學中，要使學生明確發現或建立某一概念或規律所采用的方法、途徑和具體的依據，使學生對某一概念或規律的物理意義，適用范圍和條件有清晰的認識.如在牛頓第二定律、電磁感應、楞次定律等規律的教學中，學生能充分感受到科學方法在發現規律中的作用；在將電勢能與重力勢能進行類比的教學中，學生更容易理解和接受電勢能；由安培力演繹出洛倫茲力的概念教學中，學生能充分體會科學方法對學習知識的意義，可以激發學生自覺的學習運用科學方法解決實際問題.

因此，教師在教學中應充分利用和挖掘教材中科學方法的教育因素，抓住知識和方法的結合點，以具體的教學內容為依據，采取不同的教學方法和手段，適時點撥， 學生才可以在獲取知識的同時看到科學方法有什么特征、有什么作用，是怎樣解決問題的，才能體會到掌握科學方法的意義，才能自覺地學習科學方法.

2.2 以物理學史為線索，理解物理科學方法

高中物理課程涉及很多物理學家，他們取得偉大成就的原因之一就在于他們在探究物理規律的過程中應用了正確的物理科學方法.物理學家的事跡為進行物理科學方法教育提供了很好的素材.物理學史體現了在一定社會文化背景下，人類認識和探索活動世界的現象、規律和本質的歷程，其中包含了物理思想和觀念的變革，包括了認識論和方法論的因素.伽利略創立的科學實驗方法， 改變了從直觀感覺推演出結論的思辨方法，強調對直觀感覺材料要做理性分析. 為了證實重物下落不比輕物快的結論，他登上比薩斜塔做自由落體實驗.伽利略還把實際的實驗與理論思維緊密結合起來，形成一種新的方法─理想實驗的方法，并用此法導致了慣性定律的發現.

教師應當通過多種渠道，主動搜集與教學內容相關的物理學史資料，并在課堂上結合教學內容為學生介紹眾多物理學家在研究過程中使用過的科學方法.例如，在講光速的大小時，教師可以結合教學內容給學生介紹法國物理學家斐索第一個不借助天文觀察來測量光速的人，他采用了旋轉齒輪的方法測定光速為342539.21 km/s；傅科采用了旋轉平面鏡的方法，測得光速2.98×108 m/s；邁克爾遜繼承了傅科的實驗思想，用旋轉八面棱鏡法測得了準確的光速值為 299796 km/s.這幾位物理學家在測定光速時都使用了正確的科學方法，也最終取得了正確的測量結果.結合這些物理學史料，教師對學生進行光速大小的講解，既在教學中實施了科學方法教育，又活躍了課堂氣氛.如此教學，必然有助于激發學生的學習興趣，加深學生對光速的記憶，從而取得事半功倍的教學效果.

2.3 以實驗為基礎，運用物理科學方法

物理學是一門以實驗為基礎的學科，觀察和實驗是科學認識的基本研究方法.一個完整的實驗，大致包括提出問題、設計操作、數據分析和理論解釋四個階段.進行實驗是為了驗證或解決某些問題，提出的問題確定了實驗的方向和目標，根據實驗目標和思路設計實驗，按設計的步驟進行操作和觀察，然后對實驗所得的資料和數據進行分析處理，并進行理論上的解釋和概括，使實驗上升到理論的高度.在整個過程中蘊含著豐富的科學方法，如比較、分類、分析、綜合、歸納、演繹等等.因此實驗是培養學生科學方法的有效途徑.教學中要注重把教材上的演示實驗、學生實驗變為學生探索實驗，引導學生通過親身實踐去領會科學家們研究問題的科學方法并內化為自己的思維和行為方式，培養他們用科學方法主動探求新知識、研究新問題的習慣和能力.如牛頓第二定律、玻意爾定律、楞次定律、電阻定律等規律的教學采用探索式教學，依次提出問題，學生猜想、實驗、觀察，分析、判斷、綜合、概括，得出規律，解決實際問題，使學生強烈地感受假設一實驗一理論一應用的邏輯思維方法，體會數學方法、歸納演繹等科學方法在發現規律中的作用.

2.4 以原始物理問題為渠道，掌握物理科學方法

新課程要求實現生態化的物理教育，原始物理問題的引入就是一條重要渠道.原始物理教學讓學生通過探索和應用物理知識來掌握科學方法，學生在反復運用科學方法解決物理問題的過程中，科學方法掌握了，運用物理知識解決實際問題的能力也就提高了.所謂原始物理問題是指自然界及社會生產、生活中客觀存在的，能夠反映物理概念、規律本質且未被加工的典型物理現象和物理事實.它和物理習題有著本質的區別，兩者之間的關系如下圖所示：

學生在解決原始問題時，首先需要明白是針對什么物理現象和事實，其次要把它轉化為物理模型，最后解決問題.這個過程中就要用到理想化方法、等效方法、近似方法等具體科學方法，將一定的物理現象或物理情景轉化為物理模型，又要用到分析、綜合、概括、抽象等科學思維方法.可見，運用原始物理問題能將思維方法的訓練和具體科學方法的掌握很好的結合起來，同時這與物理學家探究世界的過程很相似，兩者都是從已知的知識出發探究未知的知識.由此可見，引入原始物理問題教學可以實現對科學方法的充分融合與顯性的教育.