試談研究物體運動的基本方法

楊清源　劉凌

摘 要：從教科書中的一句話出發，對教科書研究物體運動的方法進行了梳理，結合對課程標準的研究，在查閱文獻的基礎上，得出結論：研究物體運動的基本方法是模型建構、物理實驗和理論分析.

關鍵詞：課程標準;核心素養;科學方法;物理實驗;理論分析;模型建構

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0042-04

作者簡介：楊清源（1975-），男，湖南人，碩士，中學高級教師，中學特級教師，研究方向：中學物理教學;

劉凌（1974-），男，湖南人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理與科技教育.

立德樹人是教育的根本任務，發展學生的遷移創新能力是發展學生關鍵能力和核心素養的重要內容，遷移和創新的前提是掌握科學研究的方法和思路，尤其是基本方法，這與學生研究問題和解決問題的能力密切相關.因此，我們教學中有必要引導學生認識和理解基本方法，并在實際問題中進行靈活運用.

1 基本方法的提出

物理學中的研究方法很多，可能存在基本研究方法.

1.1 教科書中的表述

在2010年人教版高中物理教科書必修2“第五章 曲線運動”的章首語中說“從現在開始，我們把目光轉向拋體運動、圓周運動，以及更一般的曲線運動，從中你會看到，我們研究直線運動時的思路，原則上同樣可以用來處理曲線運動”.在2019年人教版高中物理教科書必修第二冊“第五章 拋體運動”的章首語中的相關表述是：“從現在開始，我們把目光轉向拋體運動、圓周運動，以及更一般的曲線運動.從中我們可以體會到，研究直線運動時的基本思路和方法，原則上同樣可以用來處理曲線運動”.

1.2 兩種表述的比較

比較上述兩種表述可以發現：兩者表述大體上相同，意思接近：研究直線運動時的思路和方法，既適用于直線運動，也適用于曲線運動.其主要區別在于，將2010年版中的“研究直線運動時的思路”變成了2019年版“研究直線運動時的基本思路和方法”.一是增加了“方法”;二是增加了“基本”二字，變成了“基本思路和方法”.

1.3 對表述的理解

兩種表述均源自人教社的教科書，其本身應該具有傳承和發展.為何將“研究直線運動時的思路”修改成 “研究直線運動時的基本思路和方法”呢？

把“思路”變成了“思路和方法”，說明思路和方法，應該是兩個不同維度的問題，新的表述既強調研究思路，也強調研究方法，思路和方法既是學習物理的重要內容、是理解物理的重要方式、是遷移和創新的前提，也是學生可持續發展的必備要素.

“基本”代表著基礎的、重要的，通常具有普適意義，“基本思路和方法”指這些思路和方法，在研究其它物理問題的時候也可以適用.相對而言，修改后的表述更加注重宏觀層面和上位層面的總結，注重大概念和大思路.“基本思路和方法”的說法，更加關注促進學生物理觀念的形成、科學思維的發展，以及科學探究能力的提升.當然，“基本思路和方法”可以理解成基本的“思路和方法”，即基本思路和基本方法;也可以理解成基本思路和常見方法;根據前述分析，我們按照前一種理解.

然而，何為研究物體運動的“基本思路”和“基本方法”呢？研究直線運動時的基本思路是什么思路？基本方法具體又是指哪些方法呢？教科書并沒有直接給出答案.本文結合教科書和課程標準，重點探討研究物體運動的基本方法.

2 教科書中的研究方法

既然“研究直線運動時的基本思路和方法，原則上同樣可以用來處理曲線運動”，那么教科書在處理直線運動和曲線運動的時候，應該遵循這樣的規律，所以，我們不妨從教科書出發，梳理教科書的內容，探尋教科書中研究物體運動的基本方法.

前述的“基本思路和方法”是2019年人教版教科書提出的，下面以此版本教科書為例進行分析和說明.在該套教科書中，與方法直接相關的表述有很多，比如“序言——物理學：物質及其運動規律的科學”中說：“在初中，大家已經學習了一些有趣的物理知識和思考物理問題的方法.進入高中，我們將認識更豐富多彩的物理現象，學到更為深刻的物理知識.在學習過程中，大家還要進一步領悟科學研究的方法，受到科學精神的陶冶.”類似表述還有很多.

2.1 教科書中的物理實驗和理論分析

下面筆者以曲線運動為例，分析教科書研究物體運動時采用的具體研究方法.必修第二冊“第五章 拋體運動”第1節“曲線運動”，主要包含兩部分內容：一是曲線運動的速度方向;二是物體做曲線運動的條件.這其中采用了哪些研究方法呢？

2.1.1 “曲線運動的速度方向”中采用的研究方法

首先，教科書介紹了通過如圖1所示的實驗以觀察曲線運動的速度方向.之后，書上說“除實驗方法外，還有什么方法可以確定物體在某一時刻的速度方向？”接著，介紹曲線的割線和切線（用到極限思想），結合平均速度和瞬時速度的概念，得到“質點在A點的速度方向沿過A點的切線方向”.最后，教科書說“根據上面的分析，可以得到結論：質點在某一點的速度方向，沿曲線在這一點的切線方向”.

從上述分析可以看出，教科書在介紹“曲線運動的速度方向”時采用了兩種研究方法：一是實驗觀測;二是理論分析（此處主要是運用數學工具，結合物理知識，進行科學推理）.

2.1.2 “物體做曲線運動的條件”中采用的研究方法

教科書此部分包含以下三個方面的內容：首先是借助如圖2所示實驗以觀察鋼球的運動軌跡.接著，結合其他事實得出結論.最后，根據牛頓第二定律進行理論分析得到同樣的結論.

綜合分析教科書中介紹“曲線運動的速度方向”和“物體做曲線運動的條件”兩部分內容的研究方法，可以看出，第二部分和第一部分的研究方法相同，這一節兩部分的研究方法都是實驗觀測和理論分析，只不過順序略有不同.

2.1.3 “拋體運動”采用的研究方法

同樣，在本章第4節“拋體運動的規律”開篇語說“上節課我們通過實驗探究了平拋運動的特點，本節我們將從理論分析的角度， 對拋體運動的規律做進一步分析”，說明第3節和第4節分別是從實驗探究和理論分析兩個方面進行研究的，這依然和前述第1節的研究方法相同.可見，物理實驗（實驗觀測或實驗探究）和理論分析，是教科書研究物體曲線運動的兩種重要方法.

必修第一冊“序言”中說：“16-17世紀，伽利略和牛頓等人在前人工作的基礎上創立了系統性的力學理論，建立了實驗觀測和理論分析計算相結合的現代研究方式.”實驗與理論結合，這正好符合密立根所說“科學靠兩條腿走路，一是理論，二是實驗.有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面.但只有使用兩條腿，才能前進”.

除了以上兩種相提并論的研究方法外，教科書中還有一種重要的研究方法——模型建構.

2.2 教科書中的模型建構

教科書首先定義質點，然后研究質點的以下幾種具體的運動：勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速率圓周運動、簡諧振動……為什么教科書重點研究質點的上述幾種運動？

世界是豐富多彩的，運動也是復雜多樣的，因而“要準確地描述物體的運動，并不是一件容易的事”，這里實際包含兩個方面的模型建構：一方面是對“物體”的考慮，其體積（大小）相對于研究的問題是否可以忽略，可略者，抽象出質點模型，成為高中教材的主要研究對象;另一方面是對于“運動”的考慮，對于運動類型的建模.比如一個“點”的實際運動可能很復雜，是否可以歸為“勻速直線運動”，或者“勻變速直線運動”，或者……

在研究物理問題時，有必要對某些問題進行簡化，考慮主要矛盾，忽略次要因素，進而抽象出理想化的物理模型.上述質點和各種運動形式，正是具體的各種物理模型.利用模型逐步向真實靠近，最終在誤差容許的范圍內，用一個最簡單的模型描述.

教科書必修第一冊“質點 參考系”一節的旁注中說“在物理學中，突出問題的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，并將其作為研究對象，是經常采用的一種科學研究方法.質點這一理想化模型就是這種方法的具體應用”.不僅如此，僅僅在必修第一冊教科書中“模型”一詞就出現了13次.管靖教授在《管窺物理》一書的“序”中也指出：模型建構是物理學中最重要的方法.

模型建構時需要考慮主要矛盾，忽略次要因素，可以說這是一種辯證的矛盾觀和方法論.

2.3 教科書中研究物體運動的基本方法

綜合上述分析，模型構建、物理實驗（實驗觀察或實驗探究），以及理論分析，應該是研究物體運動的基本方法.

3 課程標準中的研究方法

教科書的編寫肯定是以課程標準為依據的，課程標準中又提及了哪些重要的研究方法？在2017年版的《普通高中物理課程標準》（以下簡稱新課標）中，提及“方法”的語句很多，下面我們選擇兩個方面進行分析.

3.1 課程性質中的研究方法

新課標中的“課程性質”指出“物理學是自然科學領域的一門基礎學科，研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律.物理學基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系”.第一句話指出了物理學科的研究內容;第二句話可以理解成物理學中的研究方法，我們可以概括為物理實驗、模型建構和理論分析等三種研究方法，其中理論分析指應用數學等工具進行科學推理和科學論證.前述教科書中“曲線運動的速度方向”的第二種研究方法就是應用數學等工具進行科學推理和科學論證，進而得到物理結論的.

3.2 核心素養中的研究方法

核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究，以及科學態度與責任四個方面.

3.2.1 科學探究

科學探究可以分為實驗探究和理論探究.目前多數資料反映出的理解是核心素養中的科學探究更側重于實驗探究.從研究方法角度考慮，實驗探究本身就是一種重要的科學研究方法，所以，物理學科核心素養中的科學探究是物理學的研究方法之一.前述教科書中的實驗研究方法，與此是吻合的.

3.2.2 模型建構

模型建構是科學思維的四個要素之一，是重要的研究方法.研究發現，“模型”和“建模”二詞在新課標中共出現68次，詞頻相當高.比如，在課程內容中，有32處出現與模型有關的表述，甚至必修1課程的第一部分的名稱是“機械運動與物理模型”.學業質量水平不僅對模型建構提出了要求，還將模型建構細分成了便于操作的5個水平.在教學建議、教學評價以及附錄中，也有28處與模型有關的具體描述，物理模型和建構物理模型在物理學中的地位不言而喻.

3.2.3 理論分析

科學推理和科學論證是科學思維四個要素之中的兩個.在科學推理和科學論證時候，通常要結合物理知識和數學工具，這與“課程性質”中 “應用數學等工具，通過科學推理和論證”的含義相近，這也與前述的理論分析這一研究方法是一致的，從方法角度考慮，我們把科學推理和科學論證統稱為理論分析.

3.3 課程標準中的基本研究方法

課程性質中的研究方法與核心素養中的研究方法是相同的，都可以概括為：模型建構、物理實驗、理論分析.模型構建、物理實驗和理論分析，是課程標準中研究物體運動的基本方法.

需要說明的是，課標中的四個核心素養與課程性質，是從不同角度出發的表述，所以它們的分類方法是不同的.科學探究與“模型建構、科學推理和科學論證”，在核心素養中處于不同的層級：科學探究是核心素養四個方面之一，而模型建構、科學推理和科學論證是科學思維的四個要素之中的三個要素.但從研究方法角度考慮，都是基本的研究方法，它們是同層級的.我們可以這樣理解：四個核心素養的關系是，物理學科教育的目標是建立物理觀念，因此必須經歷探究（過程），培養思維，并最終影響“三觀”.在這個語境之下，所有的思維方法當然就是在“科學思維”之下（之內）的了.

4 研究物體運動的基本方法

“一代代物理學家們在探究客觀世界的過程中發展了很多行之有效的研究方法.在物理學習中，我們不但要掌握具體的知識，而且要學習和體會這些科學方法，并努力運用它們解決各種實際問題”.如果說知識和技能是物理學科的骨骼和肌肉，那么思想與方法便是物理學科的靈魂.

4.1 研究物體運動的基本方法

綜合前面對課程標準和教科書的分析，我們可以初步得出結論，教科書中所說的“研究直線運動時的基本思路和方法”中的基本方法主要是指：模型建構、物理實驗、理論分析等三種方法，它們與課程標準的提法是相吻合的.其中，物理實驗包含實驗觀測和實驗探究;理論分析包括應用數學工具和科學推理與論證等.

4.2 物理學中的基本研究方法

像教科書所言，物理實驗、模型建構、理論分析這三種基本研究方法，它們不僅適用于研究直線運動，也適用于研究曲線運動，是不是它們只是研究物體運動的基本方法？其實不然，教科書所提的范圍，僅僅是針對教科書此處章節所研究的背景和內容而言.

可以說物理實驗、模型建構和理論分析是整個物理學的基本方法.比如，研究電路的規律、電場的性質、磁場的特點、原子核式結構等等，都離不開以上三種方法.在課程標準的課程性質和核心素養表述中，并沒有研究范圍限制，說明這些基本方法不僅適用于教科書中表述的研究物體的運動，也適用于其他方面的物理研究，物體可以推廣到更廣義的物質，運動也不僅僅限于機械運動.

清華大學教授朱邦芬院士在“‘減負誤區及我國科學教育面臨的挑戰”一文中指出，物理方法主要是以下三種：一是抓住主要因素的近似方法;二是實驗檢驗理論的實證方法;三是運用數學計算和邏輯推理的思考方法.筆者認為，朱院士說的第一種方法可以理解為模型建構，第二種方法可以理解為物理實驗，第三種方法可以理解為理論分析.筆者前述總結的基本方法和朱院士所提方法是一致的.

4.3 物理學的研究方法系統

在研究物理問題的過程中，通常還涉及很多其它的研究方法，比如極限法、圖像法、比值法、整體法、量綱法、等效替代、合成與分解……這些都是很重要的方法，但不能算作基本方法，它們與基本方法不是一個層次的，它們與物理實驗、模型建構、理論分析這三種基本方法共同構成“系統的研究方法”.實際問題中，通常都是多種方法的綜合運用，物理實驗、模型建構、理論分析三種方法是基本方法，但不是唯一方法.

知識是根，方法是魂，理清基本方法，教師就可以更好地理解課程標準，更好地駕馭教材，在實際教學中，也就能更好地設計教學目標，更加清晰教學邏輯，這必定有助于發展學生的學科核心素養.

（說明：本文引號內的內容均引自教科書或者課程標準.）

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.物理（必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.物理（必修第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4]朱邦芬.“減負”誤區及我國科學教育面臨的挑戰[J].物理與工程，2016（04）：3-6+17.

[5]楊清源.新課標下對物理模型的分析及教學建議[J].中學物理，2018，37（11）：7-9.

[6]楊清源.透過2019年北京物理高考談模型建構[J].高中數理化，2020（01）：51-53.

（收稿日期：2021-02-04）