中学物理科学方法教育的意义与实施途径

1、中学物理科学方法教育的意义与实施途径丁春花（六安市舒城中学 ）摘 要:本文结合中学物理教学的实际，探讨了知识、方法与能力三者的关系，研究了几种常规科学方法的思维机制和操作程序，指出了物理科学方法教育在提高学生的认知水平和形成科学世界观方面的特定作用，并针对我国目前高中物理教学的现状和课程改革的新要求，提出了在科学教育中要重视获取知识的过程教育。关键词：物理科学方法、方法教育、物理教材一、物理科学方法概述1.物理科学方法物理科学方法是研究物理现象、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多种手段与方法。是指在严格的科学条件下，通过严密的

2、观察实验（观察和实验的方法）和严格的逻辑推理（理性思维的方法），去伪存真，去粗取精，由此及彼，由表及里，找到事物内部各部分之间及事物与外部环境的相互关系和相互作用，确定由相互作用产生的结构、运动变化和因果关系，形成规律性的认识的过程中所使用的方法。物理学的本质，就是要尽可能用简单的术语来解释自然，也就是把我们所观察到和想象到的一切都归纳简化成基本原理。这种在思维上力求经济的做法就是物理科学方法。它包括常规方法：感性思维方法观察和实验，理性思维方法归纳和演绎、分析和综合等逻辑思维的方法；非常规方法：直觉、灵感、想象、猜测、和顿悟。另外物理学家的失误以及物理学悖论在物理学的发展中，也具有方法论的作

3、用和意义。本研究的重点是常规物理科学方法和数学方法中的部分经典方法。2.物理科学方法的存在形式开展物理科学方法教育，必须结合教材进行，而教材一般是以知识的内在联系为线索展开的，往往很少直接点明用了什么科学方法，这就要求教师去分析、挖掘教材中的科学方法因素。怎样分析教材中科学方法因素呢？我通过研究发现：在知识点的建立、引申和扩展过程中，知识点与知识点之间建立联系时一定存在科学方法因素。例如：物体从受一个力作用时的加速度与力、质量的关系扩展到受几个力作用时物体的加速度、力、质量之间关系时，要用等效的方法加以过渡；从部分电路欧姆定律出发研究全电路欧姆定律时，用到了实验归纳法和理论演绎法。再如力要和加

4、速度建立联系时，就要用到控制变量法，实验归纳法，综合法等等。另外当运用知识解决问题时，知识本身就具有方法的含义了，众所周知的阿基米德确定皇冠中是否掺有铜时，用的就是比较密度的方法，这里密度知识就具有方法的含义了。其实知识本身是一种客观实在，它们无方法可言，但人们去研究问题探索知识时，必须借助于一定的工具（如仪器），一定的手段（包括人的思维），通过一定的操作去观察、去发现，这就体现为方法了。下面结合教材的具体特点，对照各种科学方法的主要特征，将各类教材中科学方法的存在方式作一粗略的探讨。（1）概念性教材物理概念性教材，有概念的引入、建立、应用、发展等各种内容。下面重点介绍概念建立的一般方法： 以

5、观察实验为基础，运用分析、比较、综合、抽象、概括等思维方法建立概念。 以物理事实为基础，运用科学抽象的思维方法，建立理想化的实体模型或过程模型。这些模型也属于物理概念，如质点、理想气体、匀速直线运动、等温过程等。 以已有的知识为基础，以物理客体为对象，运用逻辑的和数学的方法进行分析、综合、推理，建立起物理概念。在这种模式中观察和实验仍有一定作用，但重点是逻辑的和数学的方法。如功的一般概念（能量转化的量度）、电场强度、电势等的概念。（2）规律性教材总结物理规律的方法和建立物理概念的方法总体上相似，但不完全相同。大体来说，总结物理规律的方法主要有以下几种： 实验归纳法：从实验观察入手，对所得材料用

6、逻辑的方法和数学的方法进行分析归纳，得出物理规律。这是高中物理教材中用得最多的方法，在此不一一列举。 演绎推理法：以已知的概念和规律为基础，对物理现象或过程进行逻辑的和数学的演绎，得出新的物理规律。如动量守恒定律，机械能守恒定律等。这类教材往往后面还安排了进一步的实验检验或通过应用进行检验。 假说方法：假说方法是物理学史上使用最多的方法，它常常与实验归纳法、演绎推理法紧密结合使用。在中学物理教材中，为了节省篇幅和时间，假说的方法用得很少。物理学史上的正确假说，教材中一般称之为学说或理论，如分子运动论、电磁场理论、光的本性学说、原子结构学说等。 理想实验的方法：即在思想中进行理想化的实验和论证推

7、理，得出某些物理规律，然后再通过实践检验或理论证明。如牛顿第一定律、理想弹簧振子振动规律、理想变压器工作原理等。（3）实验性教材除学生实验外，大多数实验教材分散在概念教材和规律教材中。实验教材中的实验方法，主要包括根据实验目的进行设计构思的方法、实验操作的方法、整理归纳实验结果的方法。对于实验设计构思主要有以下一些特征： 明确实验的性质和目的，分清是定性实验还是定量实验，测量性实验或是探索、验证性实验。亦即测量什么？探索什么？验证什么？ 先整体构思，后局部构思。先设计出实验方案的轮廓，然后根据这个轮廓具体设计实验的装置和步骤，并考虑细节性问题，以保证实验的可靠性，提高实验的精确性。 无论是整体

8、构思还是局部构思，都要围绕实验的三个组成部分来考虑：a.实验对象的选取。b.实验条件的控制。包括有目的地使某些条件得以发生、产生变化或保持不变，使得某些干扰因素得以排除的物质手段和操作手段。c.实验效果的显示手段。包括直接显示、间接显示、比较显示、积累显示、放大显示的方法和相应的仪器装置等。（4）应用性教材在应用概念、规律解决问题的过程中，一般要运用分析和综合的方法、想象、理想化方法以及分析解决具体问题的方法，比较多的是演绎法。二、物理科学方法教育的意义1、方法教育与知识学习能力培养的关系（1）知识和方法是血肉相连的一个整体学生在校学习物理应该学些什么？。布鲁纳在教育过程中指出：“无论大中小学

9、的什么学科，首先要学生学习这门学科的基本结构。”这里的结构指一门学科的要领、原理、方法及其相互联系形成的整体，从中可以看出方法是知识结构中不可或缺的一部分，而且从某种意义上讲方法则是更灵活的富有创造性的。伽利略已去世300多年，他所发现的自由落体定律，在物理知识长河中所占的比例越来越小，他所创造出的科学实验数学演绎的方法表明从已知的现象可以证明从来没有被观察到的事情，获得超越某一实验本身条件的知识，并预见一些可以进一步用实验进行验证的后果。创造了比自由落体规律价值高出千百倍的财富。（2）学习过程就是运用方法对信息进行加工的过程从认知学习的角度看，建构主义认为知识的学习是学生在教师的指导下能动地

10、建构现象的本质和规律的过程，建构包括两方面的含义：第一、对信息的理解是通过运用已有经验，超越所提供的新信息建构而成的；第二、从记忆系统中所提取的信息本身，也要根据具体情况进行建构，（同化和顺应是其两种基本方式）。其实质是学生在头脑中主动地将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建知识结构的过程，建构的过程就是运用方法对信息进行加工的过程。学生建构的过程可用图11表示：问题观察实验检查已有知识建立概念得出规律知识应用(含解题)图11 如将学生建构新知识的过程与科学家探究物理世界的过程加以比较，将会发现两者在本质上有很多相似之处：物理学家从人类的已知出发，探究人类的未知。学生从自身的已知出

11、发，走向自身的未知。物理学家的认识活动和学生的认识活动，尽管复杂程度有所不同但都服从科学认识论的基本规律：“从生动的直观到抽象的思维并从抽象的思维到实践”的“认识真理，认识客观实在的辩证的途径。”物理学家的探究过程与学生的认识过程所使用的物理学方法基本相似，都是从问题出发，都要检索已有的知识，都要用到观察实验方法，科学思维方法和数学方法。物理学家所普遍采用的基本方法跟学生学习时所采用的相应物理方法，只是在独立性、创造性、复杂性方面程度不同，但各种方法的特征和本质都基本相同。物理学家要根据理论和假说去解释或预言物理现象，学生要根据所学得的知识去解释物理现象或解答习题，这两者在方法上也是非常相似的

12、。学生认识过程与物理学家的探究过程在方法上的相似性，决定了知识教学与方法教学是密切联系的，在物理知识教学的过程中可以而且必须进行方法教育。（3）学习科学方法有利于发展学生的能力 通过对科学方法不断了解、积累和熟练就能使学生形成心理定势，使学习能够以快的速度去获取知识，了解知识的内容，并通过一定的网络结构，科学而合理地组织好知识，深刻地领会和掌握知识，牢固地记住知识，在需要时能够迅速地检索和提取知识。即可使学生产生一种对问题的敏感性，并能迅速地抓住问题的要害，找出解决问题的途径。这样一种心理定势就是学生能力的一种表现。二、物理科学方法教育的意义（1）完善学生认知结构，促进学生认知水平的发展，发展

13、学生终身学习能力人的认识发展是从生动的直观到抽象的思维，并从抽象的思维再回到实践的过程，也就是从感性认识上升到理性认识再由理性认识回到实践中经受实践的检验。这不是简单地重复，而是经过了一系列思维的加工，即运用科学方法对感性材料进行去粗取精、去伪存真、由表及里、由此及彼的加工制作过程，在这一过程中不断发生认知冲突，不断地同化和顺应，最后既发现了“真知”，又提高了认知水平。（2）激发学生的学习兴趣，增强学生学习物理的信心，提高学生的探究能力探究学习过程中要综合运用多种科学方法，成功探究的结果会使学生感到满足和兴奋，并对物理学习产生稳定而持久的兴趣，增强学好物理的信心。方法教育与知识学习、创新能力的

14、关系可用图12表示。物理知识科学方法创新能力图12（3）激发学生的主体意识，健全学生的人格，促进科学世界观的形成教师想方设法，创设情境，激发兴趣，引导探究，组织协作学习，促进知识的科学建构，在这样的过程中学生是学习的主人，不是被填灌的对象，潜移默化之中，学生主体地位得到了增强。三、物理科学方法教育的实施方式和途径进行科学方法教育的目的在于发展学生的分析和解决问题的能力。实施方法教育既要保证有效的开展，又不能因此而增强学生的负担，所以方法科学方法教育必须与知识教学有机结合，开展科学方法教育既要符合学生的认知规律，根据学生的年龄特征，知识水平和思维发展循序渐进地进行，又要注意激发学生的主动性和积极

15、情感，使学生产生良好的学习动机。另外，在作科学方法教育因素分析和实施时，要根据具体的教学目的，分清主次，突出重点。一个知识点的教学往往含有多种科学方法因素，一个方法也可应用于不同的知识点。因此要抓住关键，突出重点的、主要的方法。方法不宜过多，否则，不仅学生学不到方法，还将加重学生的负担。1.物理科学方法教育的两种基本方式隐性的方式和显性的方式，隐性的方式重在使学生感受科学方法，受到科学方法的启蒙和熏陶，初步体会到科学研究的方法和策略。这种方式适合于学生对这种科学方法感性认识不足时，或者这种方法对所研究的问题并不占主要地位时。显性的方法重在解决问题的过程中模仿应用科学方法，对科学方法进行操作训练

16、，使学生有意识地掌握科学研究的方法和策略。这种方式适合于在学生对这种科学方法的感性认识较为丰富的前提下，有目的有意识地培养学生解决科学问题的能力时使用。物理科学方法教育作为一门隐性的课程，隐性教育是非常重要的，尤其是在初中阶段，科学方法的教育通常不作显性处理。但在高中阶段，显性教育就显得比较重要，因为高中物理教学的一个重要目的就是培养学生的能力。“对能力弱者提供一个策略比他们自生一个策略好”，“学科内容只有经过系统的学习，使学生掌握经过整理的系统的知识时，才能培养起进行思维活动的能力”所以教师在教学过程中必须对典型的物理科学方法在恰当的时期加以显化，才能更好地达到教育目的。所以物理科学方法教育

17、需要隐性教育与显性教育相结合，在不通的阶段对不同的方法内容各有侧重。学生对科学方法的学习与教师的教学方式相对应也有自觉和不自觉两种情形，正像著名科学家杨振宁教授所说的那样：“学习有两种办法，一个办法是按部就班的；一个办法是渗透性的。很多东西是在不知不觉中，经过了一个较长时期的接触，就自己也不知道什么时候已经懂了。”隐性教育是显性教育的基础，显性教育是隐性教育的飞跃，在科学方法的教育过程，二者的紧密结合是科学方法教育的基本模式。2.物理科学方法教育的四个基本途径物理科学方法教育有四个基本途径，其中前两个偏重于隐性教育，后三个偏重于显性教育。 通过知识教学渗透方法教育，如前所述物理教材大体分为概念

18、性教材、规律性教材、实验性教材和应用性教材四大类。在物理概念和规律的建立、发展和应用过程中以及各知识点相互联系的地方，往往蕴含着大量的科学方法。知识是方法的载体，知识和方法血肉相连，知识所在即方法所在。因此，通过物理知识教学渗透科学方法是科学方法教育的首要途径。科学方法体现在具体的研究过程（即概念的建立过程和规律的得出以及运用过程）中，只有把研究过程充分而合理地展现出来，学生才能看到科学方法有什么特征和作用，是怎样解决问题的，才能体会到掌握科学方法的意义，去自觉地学习科学方法。结合知识教学滲透方法教育从知识的呈现方式来看主要有两种方式：发现学习和接受学习。发现学习通常模拟科学发现过程，在解决问

19、题的过程中学习和运用科学方法，有利于培养学生的思维能力和创新精神。发现学习对在学习物理规律中进行科学方法教育是很有益的，如在牛顿第二定律、电磁感应的条件、楞次定律等规律的教学中，学生能强烈感受到科学方法在发现规律中的作用，进而能激发学生自觉地学习和运用科学方法解决实际问题的热情。意义接受学习是将有意义的新信息同学生头脑中已经形成的认知结构有机的联系起来，有利于建构完善的知识结构。接受学习对在物理概念中进行科学方法教育是很有益的，如在将电势能与重力势能类比使学生接受电势能，由安培力演绎出洛仑兹力等的概念教学中，学生能充分体会科学方法对学习知识的意义，增强学习科学方法的动力。同化和顺应是两种主要的

20、建构方式。通过剖析历史案例体会科学方法物理学史能充分展示科学发现的历程，为物理科学方法教育提供生动而丰富的素材，使学生更系统更全面地体会科学方法。对于直觉、灵感、顿悟等非逻辑思维方法，剖析历史案例有着独到的作用。物理学史资料来源有两个方面：、根据教材中提供的事例，如万有引力定律的发现、电磁感应现象的发现等。、根据教材提供的关于科学发现的阅读材料，例如伽利略对自由落体的研究、欧姆定律的建立、法拉第和场的概念等。剖析历史案例也要结合在知识教学中，教材中的历史案例由于一般与教学内容联系紧密，主要是用来说明概念的建立过程或规律的发现过程及其意义的，教师可根据教学的需要灵活的加以处置。阅读材料中的历史案

21、例的方法论的意义和科学态度色彩更为浓厚，可通过导读的方式，辅之以适当补充的形式加以利用。另外根据教学的需要，在时间允许的条件下可举办一些物理学史讲座，介绍某位科学家生平和他的主要的方法论思想或某一物理规律的探索、发现过程，借以说明科学方法的价值。通过问题解决训练科学方法科学方法教育的意义在于训练学生的智力技能，只有通过实际运用和操作，才能深刻理解科学方法，准确而灵活地运用科学方法。教师应该明确地说明科学方法的作用、适用范围以及运用原理和步骤，让学生模仿、操作并加以体会，在运用中掌握科学方法。如：大雾天气，司机突然发现汽车已开到一个丁字路口，前面是一条小河，为了避免危险，司机应当采取紧急刹车措施还是紧急转弯措施？本题就要用模型方法，将紧急刹车和紧急转弯转化为匀减速直线运动模型和匀速圆周运动模型来处理。通常有以下几种做法：1.以题带法，以题带法是用一组具有用同一解题方法的习题的分析与解答，找出这一方法的本质特征，进而总结这一方法的意义、解题步骤及应该注意的问题。2.以法带题，以法带题是指通过某一种方法，解决各种不同类型的问题从而对该方法起到巩固提高的作用。3.以法编题，通过显性教育，学生掌握了一些科学方法以及运用方法时应注意的问题后，就可以引导要