高中物理科学方法教育实践研究.pdf

四川师范大学 硕士学位论文 高中物理科学方法教育实践研究 姓名 廖林 申请学位级别 硕士 专业 学科教学 物理 指导教师 王力邦 20090410 高中物理科学方法教育实践研究 专业 学科教学 物理 研究生 廖林 指导教师 封萝冬王力邦 摘要 伴随着物理学理论的发展 研究物理学科学方法也在发展 知识的 研究形成方法 知识的发展靠方法指导 物理科学方法教育是中学物理教育中 的重要组成部分 所以在中学物理教学中不仅要教给学生基本的科学文化知 识 更重要的是教给学生具有普遍价值的科学方法 观察 实验 假说等不仅 适用于物理科学研究 也适用于其他自然科学领域研究 分析 综合 比较 类比 归纳 演绎等基本的科学思维方法更是普遍应用于人的思维活动 在高 中物理教学中实施物理科学方法教育 应明确教育的内容和要求 再根据教材 的特点和学生的实际合理地开展物理科学方法教育 根据中学物理科学方法理论为指导 以高中物理教学为基础 按照物理知 识相对应的原则 选取科学方法教育内容 来开展物理科学方法教育 无疑对 我们的教育教学改革是十分重要的 关键词 物理学物理教育物理科学方法思维活动教学 T h eE d u c a t i o n a lP r a c t i c a lR e s e a r c hi n t oS c i e n t i f i cA p p r o a c h e s t ot h eS c i e n c eo fp h y s i c si ns e n i o rm i d d l es c h o o l M a j o r D i s c i p l i n et e a c h i n g p h y s i c s G r a d u a t es t u d e n t L i a oL i nD i r e c t o r W a n gL ib a n g A b s t r a c t T h r o u g ho u tt h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fp h y s i c s t h e d e v e l o p m e n to f p h y s i c sl i e si nt h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r i e so np h y s i c sa n dt h e r e s e a r c hi n t os c i e n t i f i ca p p r o a c h e so ft h es c i e n c eo fp h y s i c s T h er e s e a r c hi n t o t h ek n o w l e d g e f o r m st h em e t h o d sa n di nr e t u r nt h ed e v e l o p m e n to fk n o w l e d g ei s d i r e c t e db yt h ea p p r o a c h e s S c i e n t i f i cA p p r o a c h e st ot h es c i e n c eo fp h y s i c sa le i m p o r t a n tp a r to fp h y s i c s t e a c h i n ge d u c a t i o ni ns e n i o rm i d d l es c h 0 0 1 T h en e w p h y s i c st e a c h i n gt a r q e t si ns e n i o rm i d d l es c h o o lc a yc l e a r l y L e a r ns c i e n t i f i c a p p r o a c h e si n t os c i e n c e d e v e l o ps t u d e n t s a b i l i t yt ol e a r nb y t h e m s e l v e sa n d g o o dt h i n k i n gh a b i t sa n ds o l v es o m ep r o b l e mb yu s i n gp h y s i c a lk n o w l e d g ea n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h A c c o r d i n gt ot h en e wp h y s i c s t e a c h i n gt a r q e t s w ec a ns e e t h es c i e n t i f i ca p p r o a c h e si n t ot h es c i e n c eo fp h y s i c s p l a y i m p o r tr o l e i n p h y s i c t e a c h i n ge d u c a t i o ni ns e n i o r m i d d l es c h 0 0 1 T h ef o l l o w i n ga r t i c l ei sd i r e c t e db ys c i e n t i f i ca p p r o a c h e st op h y s i ci ns e n i o r m i d d l es c h o o l w h i c hi sa l s ob a s e do np h y s i c s t e a c h i n gp r a c t i c ei ns e n i o rm i d d l e s c h o o l a i m i n ga tp u t t i n gt h ep h y s i c st e a c h i n gt h e o r i e si n t op r a c t i c ea n ds e l e c t i n g s c i e n t i f i ct e a c h i n ga p p r o a c h e sa c c o r d i n g t ot h ec o r r e y p o n d i n gp r i n c i p l e si n p h y s i c s t e a c h i n gp r a c t i c e Ih a v em a d es o m eb r a v ea t t e m p t st o t h es c i e n t i f i c a p p r o a c h e st op h y s i c s t e a c h i n gp r a c t i c e si ns e n i o rm i d d l es c h 0 0 1 A t t h es a m et i m e s o m eu s e f u ls t u f fh a v eb e e no f f e r e dt ot h ec h a n g e si ns c i e n t i f i ca p p r o a c h e st ot h e s c i e n c eo fp h y s i c s i naw o r d t h i sa r t i c l em a yb ec a l l e da ne s s a ya b o u tt e a c h i n g p r a c t i c e K e y w o r d s P h y s i c sA p p r o a c h e s t op h y s i c sE d u c a t i o no np h y s i c s S c i e n t i f i ca p p r o a c h e st op h y s i c s E d u c a t i o n a lp r a c t i c e l I 四 ilN i 范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明 所呈交学位论文 是本人在导师至左盎查邀指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 本人承诺 已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致 如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定 学校作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供 检索 2 为教学 科研和学术交流目的 学校可以将公开的学位论文或解密 后的学位论文作为资料在图书馆 资料室等场所或在有关网络上供阅读 浏览 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文 全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 靴做尊豁辄陟 签字f i j 期 7 年多月 日 导师签名 丑绷I 签字日期 D 7 年占月侈1 7 t 第一章引言 1 1 研究背景 教育的发展与科学的发展是分不开的 教育发达 科学才能兴旺 当今科 学的发展趋势 一方面科学分支越来越细 分支越来越多 越来越趋于专业化 另一方面各学科相互依赖 相互渗透 相互交错 总体化趋势越来越明显 这 两方面的发展趋势 不可分割的联系在一起 这对新世纪的人才提出了新的要 求 同时对新世纪的教育也提出了更高的要求 为了适应培育2 1 世纪建设人 才的需要 尽快提高教学质量 变革教育方法已是一个迫在眉睫的课题 近年 来有许多教育家致力于研究将物理科学方法融合在物理教育之中 从方法论的 角度去审视和发掘近年来的教改和教育经验 深化和改革中学物理教育 并已 经取得了可喜的成果 浙江省教育委员会教学研究室和浙江省教育学会中学物 理教学分会组织了部分中学物理教师有计划的开展研究 并出版了 中学物理 科学方法教育研究 张宪魁 李晓林主编了 物理学方法论 等 这些研究 充分说明了物理科学方法教育在中学物理教育中的作用 同时新课程关于物理教育培养目标概括为 知识与技能 过程与方法 情 感态度与价值观 对于第二条目标过程与方法 初高中各有具体的规定 初中 指出 使学生经历基本的科学探究过程 具有初步的探究能力 乐于参加和 科学技术有关的社会活动 在实践中依靠自己的科学素养提高工作效率的意 识 由于阶段不同 其中的内涵也不同 对于高中新课程目标 明确指出 学习科学探究方法 发展自主学习能力 养成良好的思维习惯 能运用物理 知识和科学探究方法解决一些问题 从新课程目标我们可以看出科学方法在 中学物理教育中具有不可或缺的地位 而且许多科学家 教育家都相信 在 中学时代从老师那里就得到某些研究方法的教诲 或一般原则与思维方法指 导 或直接受到某些研究方法的训练 无疑会大大缩短学生参与工作后的摸索 阶段 提高工作效率 掌握了方法 就学会了一些技能和本领 提高了学生 的综合能力 这才是教育的目的 在理科新课程改革的进程中 国内外一些具 有远见卓越的科学家和教育家都认为在适当更新教学内容的同时 加强科学方 法教育 但是在现阶段高中物理教育 把物理科学方法应用在教学中不容乐观 由 于我国的中学物理教学中普遍存在着以传授知识为主和以应付考试为主的倾 向 致使许多学校物理教学的着眼点往往是把物理知识教给学生 在教学过程 中只重视结论 不注意向学生介绍物理知识的产生过程 使学生领悟不到物理 知识的全貌 而把物理知识当作一门 死 科学来学习 基于以上原因 笔者认为在高中物理教学适当的开展物理科学方法教育 有目的 有意识 有步骤地渗透和传授物理科学研究方法 使学生受到物理科 学方法的熏陶和训练 逐步掌握最基本 最主要的物理科学方法 达到促进知 识学习 培养能力和提高科学素质的目的 在中学物理教学中开展科学方法教 育是物理教学深化改革的需要 是遵循教育要面向现代化 面向世界 面向未 来战略思想的必然要求 1 2 高中物理科学方法教育现状 在我国中学物理教学中 科学方法教育的研究始于上世纪八十年代 进入 九十年代关于科学方法的教育研究成为热点 许多关于中学物理教育中科学方 法研究成果 专著不断涌现 使得对物理教育中科学方法的研究取得了很大的 进步 目前关于物理教学中科学方法教育的内容问题 国内的物理教育工作者 已经从不同的角度进行了研究 探讨 分析得出这些研究结果所采用的思路 有助于我们建构具有可操作性的科学方法教育内容 现综述如下 1 浙江省物理教学分会的观点 他们的思路有两方面 一方面 以分析现行课本和现实教学中的方法教育 因素为突破口 以方法为线索进行分析 另一方面 以多维坐标的思路 为 构建方法教育内容体系寻求分类框架 目前 初步考虑的四个方面 维度 为 物理方法 数学方法 逻辑方法和哲学方法 2 中学物理教育学 作者的观点 在 中学物理教育学 一书中 作者运用 因素分析 和 经验筛选 的方法确定和构建了科学方法内容 建立一个类似从一般科学研究方法一 物理学科方法一应用技巧性方法的内容框架 他是把中学物理概念和规律的 形成中运用的科学方法分为观察实验方法 思维方法和数学方法 其中思维方 2 法又包括比较方法 分析和综合方法 数学方法又包括代数 几何 三角 方法 而且这些方法还可以继续细分 这里就不在列举了 这种观点使科学方 法自成体系 因此在物理教学中应用时有一定的可操作性 3 专家的观点 在 初中物理教材的选择与分析 一书中 乔际平生提出了科学方法教 育内容选取的新思路 即按照物理知识相对应的原则 选取科学方法教育 内容 关于科学方法的教育 教材中有一些明显提出或体现方法论因素的实 例 这里不再分析 1 3 研究的内容和意义 基于以上研究现状 高中物理科学方法教育实践研究 研究的主要方向 首先对物理科学方法研究的现状进行查阅 寻找物理科学方法理论体系 再对 一些高中教学常用的科学方法作具体的介绍 总结 接下来就是对我所在的学 校进行调查 对开展物理科学方法教育现状以及不足作原因分析 以物理科学 方法理论指导 结合我自己的教学实践加以总结 并且对高中开展物理科学方 法教育实践作了教学尝试 可以说这是一篇关于物理科学方法教育实践的论 文 本文的目的在于对中学物理教材中的物理科学方法进行梳理和简介 联系 本人的教学实践进行探索 并尝试将物理科学方法应用到高中物理教学实践中 去 无疑对高中物理教育教学改革是十分重要的 3 第二章中学物理教育教学中的科学方法 要对中学物理科学方法教育的实践进行研究 首先要明确其中科学方法 的内涵 2 1 关于相关概念的认识 方法 一词源于古希腊 e r a 顺着 沿着的意思 和 o i S o a 道 路的意思 它本来的字面意义是沿着 正确的 道路运动 对 方法 这 个概念 我们可以有这样的理解和定义 它其实就是解决某一实际问题 从 实践上或理论上所采取的各种手段或方法的总和 例如 我们测量地球上的 一物体所受到的重力大小的时候 可以有以下几种方法 重力的大小可以直接由弹簧秤测出 物体静止时对弹簧秤的拉力大小 等于物体的力 或者用悬挂着静止的物体 用静止的水平支持物支持的物体 对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力 大小等于物体所受到的重力 第二种方法 就是在已知物体质量的情况下 根据学生在初中时学过 的重力G 与质量m 之间的关系式 G m g g 为万有引力常量 g 9 8 N k g 通过直接计算的方法来测量出物体所受的重力 这两种方法 一种是通过具体实践 操作来获得结论 第二种是直接 应用已掌握的理论知识 通过计算来得出结论 可见科学方法首先来自生活 生产和科学研究的实践活动 然后通过理性思维对一些行之有效的经验知识 进行归纳 总结 最后形成指导人们进行理论学习和实践活动的手段 物理科学方法 物理科学方法就是研究物理现象 描述物理现象 实施 物理实验 总结物理规律 检验物理规律时所应用的各种手段和方式的总和 在严格的科学条件下 通过严密的科学试验 观察与试验方法 和严格的逻 辑推理 科学思维方法与数学方法 去伪存真 去粗取精 由表及里 找 到事物之间以及事物与外部环境的相互关系和作用 2 2 关于科学方法在中学物理教材中体现的框架图 广义地讲 物理科学方法应该包括物理学的研究方法 物理学理论体系 张宪魁 物理科学方法教育 青岛海洋大学 l 版社 2 0 0 0 年版 2 3 页 4 的建立方法 以及物理学理论的学习与传播方法 本文所指的物理科学方法 教育的内容 是指狭义的物理学方法论的主要内容一物理学的研究方法 物理学的研究方法可分为常规方法和非常规方法 非常规方法包括直觉与灵 感等非逻辑思维方法 也包括科学想象 物理美学思想等 常规方法又可分 为经典方法和现代方法 现代方法主要是以系统科学方法为主的现代科学研 究中的新的思维方法 系统科学是以系统思想为中心的新型学科群 它包括 一般系统论 信息论 控制论 耗散结构理论 协同学和突变论等 经典方 法可以划分为三个方面的内容 观察与实验方法 逻辑思维方法和数学方法 观察和实验是了解物理现象 测量有关数据 搜集科学事实 获取感性知识 的源泉 是形成 发展和检验自然科学理论的实践基础 因此观察和实验方 法是自然科学研究中十分重要的认识方法 观察与实验方法基本上在教材中 已明确点明并且已被大家熟悉和重视 逻辑思维方法包含有比较与分类方法 类比方法 分析与综合方法 归 纳与演译方法 理想化方法 假设方法等 这些方法被非常广泛地应用于各 门学科 其重要性不言而喻 这些方法在实际应用中又被进一步划分为更具 体的方法 如类比方法分为简单共存类比和因果类比等 理想化方法又可分 为理想模型 理想实验 极限思维方法等效方法等 归纳方法分为完全归纳 和不完全归纳 不完全归纳又分为简单枚举归纳和科学归纳法 穆勒五法 等 等 数学方法常被认为是物理研究的工具 其实它是物理学的形式化语言 是高度抽象的数学以其普适性作用于物理学 使其精确和走向统一 在众多 的数学方法中在高中物理中较多涉及的主要是代数方面的 如比例方法 图 象方法 极限方法 数列方法等 从高中物理教学内容的实际考虑 物理科 学方法教育的内容应以经典方法中的观察与实验方法 逻辑思维方法和数学 方法为主 兼顾非常规方法和现代方法 下图给出了高中物理科学方法教育 主要内容的分类框架 高中物理科学方法教育研究物理学研究方法常规方 法 5 图1 中学物理概念和规律的形成中运用的科学方法 中学物理概念和j I 律的形成中运用的科学方法 观察实验方法lJ 思维方法II 数学方法 比较 方法 变量 控制法 比值 定义法 等效 替代法 分析 和 综合 方法 归纳 和 演绎 方法 抽豫 和 概括 方法 类比 方法 假设 方法 蓁簧鋈8 攀蠢l I 簧荔化 微元法9 辱器l l 理珥m 募差l l 彳七数l I 几何I l 三角 型 翼耋 这种观点使科学方法自成体系 因此 在物理教学中应用时有一定的 可操作性 对于科学方法教育具有一定的启发性 2 3 物理科学方法简述 有经验的高中物理教师都这样认为 高中的物理知识和方法是始终联系在 一起的 知识往往是在一定的方法上获得的产物 而知识的发展 深化 完善 又离不开方法 知识和方法始终是紧密结合的 所以在高中物理教学中 物理 教师在重视知识传授的同时 也必须要重视科学方法的渗透 下面就高中物理 常用的方法加以介绍 2 3 1 观察与实验方法 物理学是一门以实验为基础的科学 观察与实验方法是物理学研究的最基 本的研究方法 邢红军 物理教学中的科学方法教育 1 物理教师1 9 9 5 1 0 6 1 所谓观察方法是人们在自然发生的条件下对自然现象进行考察的一 种方法 自然科学科学中的观察方法又称为科学观察 人类探索自然和改造自 然的一切实践活动都离不开观察方法 在高中物理教学有许多实验的结论以及 规律的总结都要用到观察的方法 布朗运动 的特点就是科学观察的结果 布朗先是观察一种植物花粉悬浮在水中的形态 看见花粉团粒在水中作不规则 的运动 有些在更换位置 有些在改变形态 有些还在不停地旋转 他做了 如下记录 我确信这种运动不是由于液体的流动所引起的 而是由于团粒本 身的运动 为了证实这种看法 布朗把观察的对象扩大到其它植物的花粉团 粒 发现存在同样的运动 布朗开始认为 这种运动是植物生殖器官雌雄交配 的结果 但是在一次实验中 他偶然把植物的叶子放在水中 也发现有同样的 不规则运动的存在 于是他又用烟灰 泥土 矿物质等无机物微尘以及其它有 机物进行仔细的观察 结果发现这些物质都会在水中做无休止的不规则运动 从而揭开了自然界普遍存在的分子运动的奥秘 使人类的认识更加深入 这是 布朗运用科学观察法获得的成果 近代早期天文学上最精确的科学观察当推丹麦伟大的物理学家第谷 布拉 赫 他花了2 1 年 1 5 7 6 1 5 9 7 时间对7 5 0 个行星的运动作了极其精密的观察 积累了大量的经验 在此基础上 开普勒总结出了行星运动的三大定律并成为 牛顿力学的重要基础 在中学物理实验教学中有很多实验结论或规律需要科学观察方法 像验证 力的平行四边形法则 归纳平抛运动的特点和规律 验证小球碰撞的动量守恒 感应电流的产生条件等等 但是在教学中应用观察的方法需要注意以下几个问 题 一是观察要与思考相结合 只观察不思考 不能总结出规律来 二是必须 在反复观察大量现象的基础上 方可总结规律 不能根据个别现象就草率的总 结规律 这样就容易导致以偏概全的错误 三是要注意 眼睛观察不要 上当 受骗 例如看见太阳的东升西落 据此就得出太阳是绕地球运转的结论了 这就错了 2 物理实验是科学实验的一种 所谓科学实验 就是人们根据研究的 目的 利用科学仪器设备人为地控制或模拟实验现象 排除干扰 突出主要因 素 在最有利的条件下去研究自然规律的一种科学活动 物理实验根据研究问 7 题的质与量划分为定性实验和定量实验 定性实验是用以判断某因素是否存 在 某些因素之间是否有关系的实验 德国的塞贝克进行的温差电实验就是 定性实验 它把小磁针置于铜制螺旋状线圈中间 把一铋板和一铜板直接接触 并分别线圈两端结成一回路 当铜板温度升高时 小磁针转动 这说明回路中 有电流通过 这个电流是由于相互接触的不同金属存在温差造成的 陈伟温差 现象 在中学物理教材中也有许多定性研究的实验 例如我们在研究向心力 的大小与哪些因素有关时 在控制变量的基础上做了如下实验 用不同的钢球和铝球做实验 使两球运动的半径和角速度相同 可以看 出 向心力的大小与质量有关 质量越大 所需的向心力也就越大 换用两个质量相同的小球做实验 保持它们的运动半径相同 可以看出 向心力的大小与转动的快慢有关 角速度越大 所需的向心力越大 仍用两个质量相同的小球做实验 保持小球的运动角速度相同 可以看 出 向心力的大小与小球运动的半径有关 运动半径越大 所需的向心力也就 越大 实验表明 向心力的大小与小球的运动半径 小球的质量和角速度均有关 系 这显然运用了定量分析 在物理教材中像惯性实验 安培力的实验 光的 传播 电流的磁效应等都属于定性的实验 定量实验是用以测量某对象的数值 求出某些因素之间的数量关系 或者 用数量关系去表明某些规律的实验 在中学物理教材中在研究加速度与力 质 量的关系时 是取两个质量相同的小车 放在光滑的水平面上如图2 所示 图2 小车的前端系上细绳 绳的一端跨过定滑轮各挂一 个小盘 盘里分别放数 目不等的砝码 是小车在不同拉力的作用下做匀加速运动 小车所受的水平拉 力的大小可以认为等于砝码 包括砝码盘 所受重力的大小 车的后端也分别 系上细绳 用一只手夹住这两根细绳 以同时控制两辆小车 使它们同时开始 运动和停止运动 8 利用这一装置 我们来研究质量相等的两辆小车在不同恒定拉力作用下 他们的加速度是怎样的 通过定量分析 加速度的大小与所受拉力的大小成正 比 再利用这一装置 这次在两个盘里放上相同的数目的砝码 使两辆小车所 受拉力相同 而在一辆小车上加放砝码 以增大质量 来进行实验 作定性分 析 结果发现小车的加速度与它们的质量成反比 在教材中研究电流强度与电 阻 电压的定量关系 还有像关于长度 质量 密度等物理量的测量都属于定 量实验 2 3 2 科学思维方法 逻辑思维是人们在认识过程中通过分析 综合 抽象 概括等手段 最 后上升到思维的三个形式 即概念 判断和推理 第三个层次是分析 解决 问题所运用的方法 在高中教学过程中 无论是教材还是教学 对逻辑思维方法的理解和 应用是最重要的 因为每一章节的概念 规律 以及规律的应用 都涉及到 方法的应用 具体方法往往应用较少 而逻辑推理 分析 归纳这些较高层 次的方法用得比较多 下面我就分别安排 科学抽象与类比 比较与分类 演绎与归纳 分析与综合 来介绍逻辑思维的大概内容 2 3 2 1 科学抽象中理想模型和理想实验法 科学抽象 人们把各种现象 各种具体过程 用逻辑思维能力进行 去伪 存真 由此及彼 由表及里 的思维加工过程 抽取出事物的本质属性及发展 规律的过程和方法 这一思想的哲学思路是根据任何矛盾都有主次之分 事物的性质又是矛盾 的主要方面 而它的表象 特征 现象 是它的次要矛盾 所以分析矛盾的规 律时 要突出主要矛盾 忽略次要矛盾 才能认识事物或规律的本质 本节就以高中教材中的 理想化模型 和 理想化实验 来了解科学抽象 方法在高中物理教材中的体现 1 理想化模型 9 在物理学研究中 物理学家建立物理模型是一种最基本 最常用的重要方 法 对物理模型 一般有广义的解释和狭义的解释 从广义上讲 物理学中各 种最基本的物理概念 如物质 时间 空间 长度等都可称为物理模型 因为 它们都是以各自相应的现实原型 实体 为背景 加以抽象出来的最基本的物 理概念 从狭义上讲 只有那些反映特定问题或特定具体事物的结构才叫物理 模型 如质点 理想气体等 在高中阶段我们只研究狭义的物理模型 理想化物理模型是指在原型 物理实体 物理过程 的基础上 经过科学 抽象而建立起来的一种研究客体 它忽略了原型中的次要因素 集中突出了原 型中起主导作用的因素 摒弃了次要矛盾 突出了主要矛盾 所以 理想模型 是原型的简化和纯化 是原型的近似反映 理想化模型主要分为实体理想模型 和过程理想模型 实体理想模型 研究的事物 往往是以表象存在 在认识过程中必须对它进行逻辑思维 加工 进行科学抽象 有意识地突出研究对象的主要条件 忽略次要条件 完 全排除次要因素干扰 在大脑中形成理想的客体 这种客体 我们称之为 实 体理想模型 比如 高一物理教材 人教版 第二章研究的 质点 这个概 念是高中物理学中最简单 最重要的实体理想化模型 客观世界中任何物体都 具有一定的形状和大小 但如果在研究问题中物体的大小和形状起的作用很 小 就可以忽略它们 把物体看成一个没有大小和形状的理想客体即质点 质 点这一概念忽略大小和形状等因素 突出了位置和质量特性 所以这个模型的 提出是一个科学抽象的过程 是对实际物体的简化和纯化 这种简化和纯化不 是没有根据的 任何理想模型的建立都要根据具体的实际情况而定 如只研究 实体的运动状态 如速度 加速度 位移 路程 不研究它转动 它本身的 体积 形状对问题研究的作用很小 就可以忽略它的体积 形状等次要因素 对它进行简化和纯化 把它看作只有一定质量 而没有一定形状 体积的点 要注意的是不能说小的物体就可当作质点 而大的物体就不可当作质点 一个 实体能不能看作质点要视研究情况而定 比如 原子虽小 但如果我们研究它 的内部结构 那就不能当作质点 地球的体积虽大 如果我们在研究它绕太阳 公转的周期时 就可以把它看作质点 l O 在万有引力这一章 万有引力的大小公式是由牛顿推导出来的 严格地 说万有引力的公式只适用于两质点之间 但是他在研究地球与月球的引力时 要计算地球各部分对月球的引力总和显然很困难 因为地球的半径是6 4 1 0 6 m 月球的半径是1 7 3 8 x 1 0 6 m 它们的体积很大 他用到了数学推理 证 明一个球体吸引它外部的物体时 由于各点之间的万有引力在垂直于两球心的 连线方向上相互抵消 只剩下它们之间连线上的力 根据对称性可以认为所有 质量都集中在它的中心 这样把地球和月球看作质点 运用质点的概念 最后 计算出地月之间的万有引力 在高中物理教材中 除了质点模型 还有光滑平面 杠杆 轻弹簧 弹 簧振子 单摆 轻绳 轻杆 点电荷 点光源 平面镜 纯电阻 纯电容等都 是理想化实体模型 过程化理想模型 在高中物理教材中 在研究各种事物的运动变化过程和规律时 往往受 到一些因素干扰 在处理过程中 不可能面面俱到 要首先分清主次 抓住事 物的主要因素 忽略次要因素 这样就得到了过程理性模型 如在研究高一物 理第二章第八节 人教版 自由落体运动时 通过举例进行比较 先排除物体 所受重力的大小是影响物体下落快慢的直接因素 而是不同物体在空气当中静 止下落时所受空气的阻力是不一样的 排除这个因素的干扰 把不同的物体放 在真空中让其静止下落 发现不同质量 体积的物体下落快慢一样 这样就纯 化了物体下落运动这一过程 得出自由落体运动这一过程化理想模型 除了自由落体运动这一过程化理模型外 还有像匀速直线运动 匀变速 直线运动 各种抛体运动 匀速圆周运动 简谐振动 共振 光的直射 反射 折射等都属于过程理性模型 2 理想实验法 理想实验是一种实践基础上的思维活动 它是以真实的科学实验 已知 的科学事实和科学理论为基础 用逻辑思维的方法加以严密的推导的一种理论 研究方法 理想实验是在真实的实验基础上对研究对象加以纯化 使它受最少 因素的干扰 但与真实的实验又有所不同 首先真实的实验就是一种具体的实 践活动 而理想化方法是一种思维活动 其次真实的实验结果肯定会有误差 理想实验则不同 要它能纯化到什么程度它就能纯化到什么程度 是没有误差 的 当然理想实验与真实的实验是有必然联系的 理想实验必须以真实的实验 为基础 并加以严密的 科学的逻辑推理 在高中物理教材中最经典的理想实 验就是在牛顿第一定律推导中用到的 伽利略理想实验 一 关于力与运动的关系 在十七世纪以前是科学家争论的焦点 最早研究力 与运动的关系的科学家是生活在两千多年以前的亚里士多德 他提出必须有力 作用在物体上 物体才能运动 没有力的作用 物体就要静止下来 在亚里士 多德提出这个观点的以后两千多年 动力学一直没有多大的进展 直到十七世 纪 意大利著名的物理学家伽利略才根据实验推出 在水平面运动的物体之所 以停下来是因为受到摩擦阻力的缘故 设想没有摩擦 上旦物体具有某一速度 物体就将保持这一速度永远的运动下去 伽利略是根据下面的理想实验进行推理 让小球沿一个斜面由静止滚动下 来 再滚动到另一个斜面 如果没有摩擦小球将上升到原来的高度 在这个基 础上他进行严密的推理 如果减小第二个斜面的倾角 小球在这个斜面上达到 原来的高度就要通过更长的路程 继续减小第二个斜面的倾角 使它最终成为 水平面 小球就再也达不到原来的高度 而沿水平面以恒定的速度保持运动下 去 这就是伽利略理想实验的推导过程 最后由牛顿总结出力并不是维持物体 运动的原因 而是改变物体运动状态的原因 伽利略的理想实验发现及所应用的科学推理方法 是人类思想史上最伟大 的成就之一 标志着物理学的真正开端 除了伽利略的理想实验 还有象高中接触到的电荷种类的推导 以及理想 斜面实验等 都是采用这种方法 因此 理想实验方法在高中物理教材研究中 具有特殊的意义 2 3 2 2 类比方法 类比实际上是一种特殊到特殊或由一般到一般的推理 是由两个 或两类 对象之间在某些方面的相同或相似 而推出它们在其它方面也可能相同或相似 的推理方法 类比推理过程 是首先比较两个 或两类 不同的对象 找出它 们的相同点或相似点 然后根据其中一对象的已有知识 推移到另一对象上去 1 2 其一般模式 A 对象具有a b c d 属性 其中a b c 分别与B 对象具有a b c t 属性相同或相似 所以B 对象也可能具有d 相同或相似的d 属性 在高中物理教材中 结合高中学生的智力因素和思维发展程度 主要介绍 简单类比和因果类比 1 简单类比 它是一种简单形式的类比方法 是居于较低层次的类比 它是指两个 或 两类 对象之间的关系 各对象的属性是并列的 孤立的 互不相联系的 最 常见的就是讲到光的特性时 用声现象具有直线传播 反射 干涉 折射波动 的特征来类比 光现象也具有直线传播 反射 干涉 折射的特性 所以光也 可能具有波动的特性 又如在研究磁场的物质性时 教材首先列出电场与磁场相似的属性 如电 荷之间有相互作用力 磁极与磁极之间也有相互作用力 电荷是同性相斥而异 性相吸 磁极也是同极相斥而异极相吸 还有电荷周围存在电场 磁场周围存 在磁场 由此类比 电场是一种物质 那么磁场也是一种物质 由于简单类比 得到的是一些定性的知识 还达不到定量的知识 同时 这种类比存在着孤立与片面的缺点 因为它是以两个 或两类 研究对象之间 简单的 表面的 感性的属性为基础的 故运用简单类比所得到的结论 只是 对某种属性或事实存在的判断 其可靠性很有限 但在高中物理教学中 针对 学生的能力 智力 思维因素 这种类比是很适用的 对物理概念的理解很有 帮助 很受学生的欢迎 2 因果类比 因果类比是根据两个对象之间各自属性之间可能存在相同因果关系而 进行类比 推理 其基本模式 A 对象中 属性a b c 与属性d 有因果关系 B 对象中 属性a b c 与a b c 相同或相似 所以B 对象可能有属性d 且d 与d 相同或相C A 土力邦 科学概述与科学方法 贵州教育f l 版社2 0 0 2 年版 2 2 8 页 1 3 2 3 2 3 比较与分类方法 物理学是一门研究物质世界的最基本结构 最普遍的相互作用 最一般 的运动规律 以及使用实验手段和思维方法的自然科学 我们研究的对象是 物质世界 这就要求把观察 收集到的丰富材料 进行逻辑加工 这其中就 涉及到比较和分类 1 比较 比较是确立研究对象之间的差异点和共同点的思维过程和方法 各种物 理现象和过程都可以通过比较确定它们的差异点和共同点 比较是抽象和概 括的前提 比较可在异类对象 同类对象以及同一对象的不同方面 不同部 分之间进行 而且 人们运用比较方法 重要的不在于从极其相似的对象之 间求 同 或在极不相似的对象之间求 异 对于科学认识来说 能在极 不相似的对象中求 同 或在极其相似的对象中辨 异 更富有意义 两事物之间进行比较 同一或差异都是在一定条件下和一定范围内才能 比较 如果两事物之间没有统一的条件和标准 那比较也就毫无意义可言 比如 物体的质量和速度 在经典物理中这两个物理量是独立的 不因速度 的变化而引起质量的变化 在近代物理范畴内 质量就不是固定不变的 而 且要遵循聊 关系式 由速度的变化引起质量的变化是不能忽略的 比较有横比和纵比之分 所谓横向比较是指研究对象在空间上的比较 主要是通过它们的形态 属性 特征进行比较 来发现它们的异同 在高中 阶段 应用横向比较的例子很多 常常用于物理概念的外延或物理规律方面 比如 学习作用力与反作用力 在认识它的概念时 常常与一对平衡力作横 向比较 通过这种比较 使学生能很好的认识和掌握一对作用力与反作用力 的概念 并且还能够区分一对作用力与反作用力与一对平衡力的区别和联 系 1 4 一污 表1 比较一对作用力与反作用力 一对作用与反作用力一对平衡力 力的性质一定相同可以相同 也可以不相同 力的作用点两个物体一个物体 产生力的效果不能相互抵消相互抵消 适用范同 任何状态静止或匀速状态 纵向比较就是比较同一事物在不同时期的形态 从而认识事物的发展过 程 在物理学上常常是针对某一物理概念或规律的形成过程作纵向比较 来认 识事物的本质 例如 力 这个概念 在1 7 1 8 世纪时 人们对力的概 念认识并不清晰 经常在不同意义上运用它来描述力的各种效应 所以把动量 和动能都视为力 笛卡尔学派通过各种实验比较 从运动量守恒的基本原理出 发 认为应该把物体质量和速度的乘积称为 力 后来 莱布尼茨在他的论 文中 对笛卡尔学派的这个量度提出批判 他认为 动力不能用物体质量和速 度的乘积来衡量 而是应该以质量和速度的平方来量度物体运动的力 关于力 的量度 一直处于争论当中 这些争论集中了人们的研究成果 使人们再经过 长期的比较 分析 归纳 并引入了 功 的概念 才最终抓住力 动量 动 能的区别 得出力的概念 比较在高中物理教材中 很多地方都有体现 比如一些物理量速度 电流 强度用比值定义法定义的 目的在于取相同的标准便于找相同点和差异点 一 些物理规律是用控制变量法总结出来的 象电阻定律R p 目的在于找出 与电阻相关的各因素的函数关系 一些实验器材 通过比较 目的从功能上找 出替代物 比值定义法 控制变量法 替代法是中学物理中出现得最多的比较 方法 2 分类方法 分类方法是要根据研究对象共同点和差异点 将对象区分为不同种类的逻 辑方法 当我们收集到了各种知识资料 往往有必要将其有系统的或依据材料 的内在属性加以整理 在整理的过程中 常常需要以某种同一性作标准 将对 象归并一类 在同一类中 又可以根据研究对象的差异性 划分为另一层次的 较小类 比如 在学习力的概念时 常见的推力 拉力 压力 弹力 重力 弹力 向心力 电场力 磁场力等 对于这么多不同称呼的力 可以将其按不 同的标准来归类 以便有更加清楚的认识 例如 按性质分 重力 弹力 摩擦力 磁场力 分子力等 按效果分 拉力 压力 向心力 推力等 按用途分 动力和阻力 当然 分类也要以比较为前提 因为没有比较就不可能确定研究对象的共 同点和差异点 也就无法进行分类 分类与比较一样 都是以物理现象和物理 过程本身所固有的区别和联系作为自己的客观基础的 由事物之间的不同属 性 再根据它t E 7 2 间的联系 按不同的需要来对事物进行各种分类 一般的分 类有现象分类和本质分类 现象分类是根据事物的外部特征 成外部联系的某 些自然属性而进行的分类 如高中阶段学习的物理学按现象分类有力学 热学 光学 电磁学光学 原子物理学 本质分类是根据事物的本质特征和内部规律 性联系的某些自然属性而进行的分类 本质分类很能反映事物的本质特征和内 部规律性联系的分类系统 比如 把物体的运动性质进行分类 分为匀速直线 运动和匀变速直线运动 以及曲线运动 主要以其运动状态是否改变为基础 也就是以加速度是否为零或恒定为标准 这属于本质分类 所以在高中物理教 学过程中 往往按本质分类才能帮助学生在学习和研究的过程中 正确理解概 念 准确使用概念 进而把握事物的联系和区别 2 3 2 4 归纳和演绎方法 归纳法其实就是从特殊到一般的推理 它是从特殊知识出发 推演出一般 性或普遍性的结论 归纳推理分为不完全归纳和完全归纳 所谓不完全归纳推理 就是根据一类事物的某些事物具有的共同属性 推 出整类事物都具有这种共同属性的推理 这种方法必须要从大量的数据收集中 找出它们的共同属性 例如 开普勒通过对第谷的大量观测数据作图 计算 发现火星及其它已知的五个行星轨道都是椭圆 太阳在所有椭圆轨道的焦点 上 他就根据这些大量观测数据归纳得出行星第一定律 所谓完全归纳推理 就是根据这类事物中的每一个事物都具有的共同属 1 6 性 推出这类事物具有这种共同属性的推理 这是一种必然性推理 这种推理 要求此类对象所包括的个体数目不多时 完全归纳适用 如果是大量数据 这 就需要对每一个体分析 这里面的难度就相当大 所以科学研究往往采用根据 事物的因果关系归纳推理 推出该类事物中的所有对象都具有某一属性的推理 方法 比如 在研究电磁感应定律的过程中 电磁感应现象的得出是教学中 的难点 为此 教师可以通过演示实验 并给出一个实验表格 如表2 然后根 据演示实验的结果补充实验表格 最后引导学生归纳总结得出结论 从而突破 教学难点 表2 电磁感应实验表 导体相对磁场运动情况 闭合同路磁通量有无变化 有无电流情况归纳得出结论 导体相对磁场静止 导体上下运动 严格平行 导体左右运动 导体斜着运动 导体不动 磁铁左右运动 在教师引导下 配合演示实验 让学生归纳总结实验现象 然后将结论 填入表格2 这样就获得了包含着探究结果的另一个表格 即表格3 表3 电磁感应实验结果 导体相对磁场运动闭合回路磁通量有有无电流情况归纳得出结论 情况无变化 导体相对磁场静止无无导体在磁场中不切 割磁感线或者闭合 导体上下运动 严无无 同路磁通量不变化 格平行 就不产生电流 导体左右运动有有导体在磁场中切割 磁感线或闭合同路 导体斜着运动有有 磁通量发生变化 就会产生电流 导体不动 磁铁左 有 有 右运动 1 7 通过实验 观察 分析 归纳 总结这样的探究过程 将学生带入了物 理情境之中 极大地激发了学生的学习兴趣 锻炼了学生的思维能力 促进 了学生对电磁感应现象的理解和掌握 演绎法是从一般到特殊的推理 比如高中物理中的动量定理 是通过牛 顿第二定律的数学演绎推出来的 F m a 2 上 卫一F t m v 一m v o t 又例如 凡金属皆导电 铝是金属 所以铝导电 这样的三段论是演绎推 理 实际上 高中物理教材中的理论叙述或证明 大量运用到演绎法 它在 培养学生思维能力方面起到了很好的作用 2 3 2 5 分析与综合方法 分析法就是把复杂的事物分解为简单的要素 然后一一加以研究的思维方 法 综合法是把事物的各要素 各个方面联合成整体进行研究的思维方法 两 者密不可分 思维过程中 一般先分析 后综合 也可先综合 后分析 在新授课和 习题课中经常使用这种思维方法 如在 机械波 教学中 只有经过分析和综 合 才能对波动现象有一个正确认识 振动在介质中传播时 就介质的某一质点 作研究对象 所呈现的现象是某一质点在平衡位置附近做振动 运用分析法 就介质整体作为研究对象 所呈现的现象是在振动的传播方向上 由于各个质点 开始振动的时间不同 后一质点的振动总是比前一质点的振动较为落后 所以在 同一时刻各质点的位移互不相同 因而就整体地呈现出波动现象 运用综合 法 2 3 3 数学方法 数学方法作为一种工具 在表达物理规律 处理物理问题中有其独到的功 能 有时将物理问题转化为数学问题 适当运用代数中的等式 方程判别式 函数 比例 数列的性质 几何图象 矢量图解 角知识等 能使问题的求解 变得简单方便 例如 极值问题是中学物理中非常重要的内容 实验后处理数 据时 运用图象方法 恰当地选择纵轴和横轴表示的物理量 可以使图线反映 的物理意义更形象直观 例如高中物理教材 人教版 在研究求解力的合力或 分力 牛的第二定律公式的具体运用 平抛运功的规律研究 都运用非常重要 1 8 的方法一正交分解法 在研究三力