在模型構建過程中滲透物理思想方法

徐光輝

（余姚市第八中學，浙江 余姚 315400）

物理學科背后總是隱藏著具有深刻意義的學科思想和方法，同時又是培養和鍛煉學生的能力所在，《物理學》是一部科學史，更是一部思想史，通過“展現學科知識建構的過程”，深入挖掘學科知識背后隱含的科學方法，在體驗方法的過程中逐漸滲透學科思想，從而真正提升學生的核心素養，這樣的教學才是經得住時代考驗的教學.

物理教學不是一個傳授物理知識的簡單過程，更應該是一個傳授物理知識的同時挖掘和滲透科學方法的過程，而學生在學習物理知識的過程中同時也在通過自己的努力領會并掌握物理思想方法，提高自己的求知能力、實踐能力和創造能力，從而發展和完善自己的物理科學素質.為了適應物理新課程改革的需要，提高學生能力、發展學生的科學素養，研究科學方法在課堂教學實踐中的滲透已經十分必要和迫切.

1 兩個案例

1.1 微小形變的教學

人教版高中物理必修一“彈力”中微小形變的教學過程.從知識層面來看，教學過程很簡潔，就是物體受力后會發生形變，形變有大有小.然而，當形變很小時如何觀察并顯示呢？教材從不同的角度展示物體發生彈性形變的各種情況，對物體發生微小形變設計了2個實驗，第1個是用細管子的液面升降來顯示玻璃瓶發生微小形變的變化.第2個就是顯示桌面發生微小形變的演示實驗，按照教材的操作實際是很難看到這樣的微小形變，學生更是將信將疑，難以理解.

因此筆者在教材安排的實驗基礎上有又進行了如下改進：把一鐵架臺放在桌面上，鐵架臺上固定一可伸縮的輕桿（可用伸縮筆或天線代替），在輕桿的末端用紅色的橡皮泥（起到現象更明顯的作用）如圖1所示，先讓輕桿伸出一定的長度，用力壓桌面，可以發現輕桿末端橡皮泥的位置有微小的晃動，但不明顯，接著把輕桿拉伸一些，再用力壓桌面，會發現輕桿末端橡位置變化明顯移動，接著再把輕桿拉伸一些，現象更明顯.但輕桿的長度總是有限的，接著可以用一束光線代替輕桿（可用激光二極管），讓光線射到墻上，觀察墻上光斑的位置.這樣一來，用力壓桌面的時候，墻上的光斑移動就非常明顯了.演示完成后請學生就實驗過程和實驗技能方法上作一反思總結回顧.

圖1 微小形變的放大實驗示意圖

通過上述改進：學生不但觀察到桌面受壓力后發生的形變的事實，體驗上更真實，通過這樣的過程設計，學生很自然地明白實驗過程中所隱含的變換、放大的思想，（鐵架臺輕桿結構實現了變換；輕桿向上拉伸及激光束實現了放大）；實驗過程的進行伴隨著實驗技能學習和科學思想的領悟，特別是在實驗結束后讓學生反思實驗成功的地方，這不僅促進學生掌握和領悟科學方法、科學思想、科學智慧，而且對提升學生的科學素養起到一定的積極作用.

教學過程中教師不僅要讓學生不必神秘科學思想和科學方法，讓學生知道科學思想與方法只不過是人們在認識和處理問題的過程中所應用的一些“想法”和“做法”，科學的思想方法來源于科學實驗，實驗探究的重要意義突顯出來了.同時要求學生明白，科學的創新首先是科學意識的創新和科學方法技能的創新.

1.2 自由落體運動的教學

人教版高中物理必修一“自由落體運動”輕重物體下落快慢比較的教學過程.從知識層面來看，通過實驗讓學生明白在沒有空氣阻力的影響下，重的物體和輕的物體下落是一樣快的.但在學生的潛意識里，根深蒂固的是，平時觀察到恰恰也是重的物體下落比輕的物體快.

為了展現物理規律實驗總結的過程，更為了讓學生明白其中知識點背后的科學思想和方法，筆者在教材安排的實驗基礎上設計如下：用長約1.5 m一端封閉，一端有抽氣開關的玻璃管，把形狀和質量不同的金屬片、羽毛等物品放進玻璃管.一端有抽氣開關導管連接抽氣機，分幾次不同程度的抽氣（先不抽氣，抽部分空氣，抽大部分空氣，盡量抽完空氣至十分稀薄接近于真空），倒立過來后觀察幾個物體下落的快慢程度（如圖2）.

圖2 牛頓管演示羽毛和鐵片自由下落的快慢

表1

在實驗的過程中，一邊實驗一邊讓學生觀察，同時請學生思考，并用恰當的語言表達現象并做好記錄在不同狀態下現象進行分析、歸納和總結.（這也是在滲透科學方法）.我們會比較明顯的觀察到不同的現象，空氣對不同物體的作用就十分明顯，這個演示實驗采用分段抽氣分別演示，使實驗與思維相結合，邊實驗、邊思考、邊推理，最終外推至真空中的自由落體，符合物理學所倡導的真諦，與伽利略理想實驗有異曲同工之妙.

兩個教學案例中，學生通過這種漸進式的條件變化而引起的結果漸進發展，真正直接感受和體驗了科學研究的方法，尤其是關于伽利略科學思想方法的核心：實驗和邏輯推理（包括數學推演）相結合.對生活中的物理問題通過抓主要因素，忽略次要因素，建立物理模型，提煉物理規律起到了潛移默化的作用，通過挖掘物理方法，培養了學生科學的品質和科學的思想.

中學物理中有很多知識點、核心概念、規律的背后隱藏著豐富和樸實的物理思想和方法，教師在平時的教學過程中要及時的過程展現出來，要用好用足這些知識點的載體，不斷地挖掘物理學乃至整個科學的方法，逐漸的滲透科學思想，發揮出這種“超學科”的能力培養，這才是教育教學的本真.

2 挖掘與滲透物理思想方法的4個途徑

通過上述兩個案例的教學再設計，可以看出物理教學不再是簡單的知識點的學習和弄懂，而是通過知識點這個載體，通過對知識點學習的這個途徑，通過對教材內容的挖掘，逐漸地顯化物理科學方法，滲透科學思想，從而提升學生的科學素養.結合平時的教學經歷和現場，總結出如何挖掘和滲透物理思想方法的常用途徑，收效甚好.

（1）對教材所采取的實驗進行改進和拓展，顯化實驗背后的科學方法、滲透實驗當中的隱含的科學思想.要在原有的基礎上進行有效地挖掘，尤其是對實驗的條件，實驗可能失敗的原因，實驗原理的優缺點、實驗誤差等方面進行再研究和再設計，如“案例1”中，通過彈性形變微小量觀察這一目標的再研究、再設計，利用多次變換、放大等方法，一次次把微小量顯現了出來，有力地顯示了力作用下形變發生的必然性事實，這是科學方法教學更是科學思想滲透.如“案例2”中通過觀察空氣密度不同的管中二物體下落的時間差考量，推理和猜想想結合，外推到真空中時間差為零的狀態，與伽利略理想實驗有異曲同工之妙，這些科學的思想和方法是物理教學過程中老師必須得到重視和挖掘的內含所在.是整個物理教學過程中必須師生共同參體驗的科學方法和科學思想.

（2）要引領學生操作實驗、觀察現象、記錄數據、歸類分析等科學研究的基本方法.如何有效地進行科學方法的挖掘與滲透，關鍵在于學生是否真正參與進來，平時的教學中很難看到學生經歷實驗的全過程，為此從課堂中要努力讓學生成為主體，引領學生參與到實驗中來.比如常用的實驗數據表格記錄法、實驗數據分析時的圖像法，通過圖像尋找規律時采用計算機擬合規律等要經常用.“案例2”中的牛頓管演示羽毛和鐵片自由下落的快慢實驗過程中，二物下落的時間差本是一個定性觀察內容，我在教學實踐中讓學生列表記錄，關注時間差的變化趨勢逐漸引導并外推到真空時的時間差為零狀態，這是科學實驗與科學思維相結合的絕好的教學內容，冠以科學理想實驗并不為過，讓學生明白，科學實驗是需要科學思想的，科學思想是可以由科學實驗啟迪的.

（3）在物理概念、規律的教學中對科學方法進行挖掘和滲透.物理概念是從大量同類物理現象和物理過程中抽象出來的，所提示的是客觀事物的共同性質和本質特征，是構成物理理論的細胞.因為每一物理概念的形成都必然包含著科學方法的因素，形成概念的過程就是應用物理科學方法思維的過程.所以，教師在概念教學中應按照學生的認知規律教給學生形成概念的科學方法.物理規律是物理現象或過程內在的本質聯系，在一定條件下發生、發展和變化的必然反映，是構成物理大廈的磚石和框架結構.和物理概念教學一樣，在探索、總結物理規律時，也應重視科學方法的傳授.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，在物理教學中，要是學生明確發現或建立某一概念或規律所采用的的方法、途徑和具體依據.

（4）關注生活中的物理、結合物理學史等進行科學方法的挖掘與滲透.生活中的物理現象要善于觀察，歸納和總結，在這種過程已潛移默化的進行了科學方法的滲透，把生活中的實際問題通過近似、抽象、建模、提煉等過程發展為物理概念和規律.中學物理教材涉及到幾十位物理學家，他們取得偉大成就的過程中，所運用的科學研究方法和實驗構思的精妙絕倫，為我們提供了取之不盡的科學方法教育素材，結合教學內容介紹物理學史上科學家研究物理問題科學方法作為學生學習的范例，則無疑是實施科學方法教育的又一條重要途徑.

3 結語

核心素養是學生在接受教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力.物理教育是最能體現科學精神熏陶的課程教育，在課堂教學中正確地挖掘物理科學方法、滲透科學思想對物理概念的形成，物理規律的得出，學習興趣的提高，科學素養和科學品質培養起到不可估量的作用.