高中物理教学中科学方法的教育

物理科学方法教育是指在物理教学中，有目的、有意识、有步骤地渗透和传授物理科学研究方法，使学生受到科学方法的熏陶和训练，逐步地掌握最基本、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。物理知识是重要的，但当我们在教学中不加限制地深挖“知识(包括解题能力)”时，倘若把科学素质培养这一重要的教学目标挤出教学过程，势必造成教学中的极大损失。下面我就高中物理教学中实施科学方法的教育的必要性和可能性进行论述。

方法，是人们在认识世界和改造世界的一切活动中所运用的各种途径、方式和手段的总称。科学方法就是指在研究与解决科学问题过程中所运用的策略、程序、办法。在高中物理教材中，渗透了很多科学方法，既有一般的逻辑范畴的归纳方法、推理方法、类比方法、分析方法和综合方法，又有较为特殊的科学范畴的观察方法、实验方法、理想化方法、等效方法、模型方法、科学假设方法、对称(守恒)方法等。物理知识只是这些方法运用于物理研究后的“形式化”产物，方法活跃在知识获得的过程中，科学方法的教育对改进入的能力结构有着十分重要的作用。

一、归纳与演绎、分析与综合的方法。归纳与演绎的统一、分析与综合的统一，是科学思维的基本原则，也是物理学中最基本的思维方法，它们是中学物理科学方法教育的最基本内容。

归纳和演绎是相辅相成的，它们的辩证统一使人们认识客观事物不断深化。归纳是从个别现象(个性)推出一般结论(共性)的思维方法。在物理教学中，各物理概念的建立、对各种物理规律的认识，通常是沿着这一认识程序进行的。如学生对“力”的认识，就是从马拉车、人提水、锤子打铁钉、磁铁吸引铁钉等大量的物体之间相互作用的理解中概括归纳出来的，并将其定义为“力是物体对物体的作用”。伽利略在研究单摆的等时性、加速度的概念、运动学规律时，用的就是归纳法。和归纳相反，演绎是从一般到个别的推理。经过演绎建立知识体系，知识不再是零散的、孤立的。例如人们就是根据物质可分的观点，认定基本粒子并不基本，海王星、正电子、中微子、电磁波等的发现都是严密、准确、透彻的演绎推理导致的成果。

分析与综合的统一是科学思维的基本形式，是解决物理问题的基本方法。所谓分析，就是在人脑中把事物或者对象分解成各个部分或者属性，分别加以研究。以力学为例，一个无论多么复杂的运动，都可看成是由一些简单的运动迭加而成。又如平抛运动可分解为竖直方向的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动。这种运动的“独立性”正是分析复杂运动问题的出发点。所谓综合，就是把事物各个部分、侧面和属性认识统一为整体的认识，从整体上把握物体本质和规律，中学物理中运动和力的合成过程就是对事物进行综合的过程。又如两列波在某处相遇，该处介质的质点就同时参与两个振动，其实际位移就是这两个振动位移的矢量和，它是两个独立运动形式相互迭加的综合结果。

二、实验方法。实验方法是由伽利略首先展示给我们的，物理学作为一门科学，它的基础是实验。人们通过实验现象归纳抽象出物理概念，探索出物理规律，这些规律还要接受实验的检验。在实验的过程中是要观察的，也是要动手的，但是观察什么，怎样观察，动手做什么，怎样做，这些都是在总的实验设计思想下进行的。从本质上说，实验是人为地创造一个环境，人为地控制物质变化的过程，在一个理想的环境下排除干扰，突出主要因素进行的操作。因此可以说，实验的精髓不在于观察，不在于动手做，实验的精髓在于“控制”。例如，光电效应正是在实现电磁振荡的实验中发现的新课题；玻尔的量子轨道理论正是在氢光谱的实验基础上提出的假说；迈克尔逊的精妙的“以太风”的零结果实验，成为了爱恩斯坦狭义相对论的重要实验依据。

由于高考的影响，在物理实验教学中，教师较为注重的是对实验原理的理解、实验仪器的使用、实验误差的分析等内容，在事实上将冲淡对实验方法在物理研究中的地位和作用的体验，从而使实验方法的重要价值流失。掌握高中物理的具体实验原理、仪器使用方法及实验误差分析等当然有它们的积极意义，但这些主要还只是知识方面的意义，而让学生通过物理实验懂得要获得物理知识，离不开实验，才是实验教学中更具深远意义的目标。可以说，培养学生的动手欲望，比培养学生的动手能力更为迫切和重要。不要把有限的教学时间都放在很快就会被遗忘的具体知识内容上，而应该更多地考虑那些有长远意义的教育内容。

三、科学假说方法，是“根据已有的科学理论和新的科学事实对所研究的问题做出猜测性陈述并加以验证的一种科学研究方法”。假说的提出，既要有一定的经验基础，包括关于研究对象的某些经验事实或其它方面的信息，又要有直觉、灵感等非理性因素的作用。假说是使物理学从经验上升为理论层次的中介和桥梁，是物理学发展的重要形式。惠更斯的光的波动学说、安培的分子电流假说等都是科学假说的典型。又如普朗克在研究“黑体”辐射时提出了“量子”假说，但他的假说只限于光与其它物质发生作用时的特性；而后，爱恩斯坦在解释光电效应时，进一步提出了“光量子”假说，把“量子”假说向前推进到了光的传播过程中；玻尔更把这种假说引入原子领域，建立了旧量子力学，从而使物理学跨入了一个全新的时期。这个事例生动地注释了“科学假说是科学发展的主要形式”这一论断。

在进行科学假说方法教育时，要特别注重揭示新的事实与旧的理论之间的矛盾。如卢瑟福核式模型的教学过程中，要充分展示α粒子散射实验的结果，要分析实验结果与汤姆逊的“枣糕”模型的不相容的特点，这才能使学生体会到卢瑟福的核式模型的并非是一般猜想，而是建立在实验事实基础上的一种科学假说。在高中物理教学过程中，要注意给学生创造根据实验结果来推测理论的机会，这既可以活跃课堂气氛，又可以使学生体会怎样根据事实来进行理论构思。

四、理想化方法，这是“运用理想模型在思维中排除次要因素的干扰，从而在理想状态下进行计算和推论的方法”。理想化是个总概念，其中有理想化模型、理想化过程、理想化实验。理想化方法，是物理研究能够得以进行的一种重要方法，因为任何一个事物或现象都不是孤立的、单一的，它们总是多样性的绩一，并总是与其它事物有着错综复杂的联系，如果我们在研究某些特定的问题时，要顾及所有的因素，那么就只能一事无成。可以说，没有理想化方法，就不会有今天这样完美的物理学。在高中物理教材中，理想化模型、理想化过程、理想化实验是经常出现的一种方法，如伽利略的斜面实验就是用理想化方法研究自由落体运动的经典，理想气体状态方程的建立又是对气体运用理想化方法(模型)的结果。其它诸如质点、匀变速运动、单摆、点光源、薄透镜、点电荷、理想变压器等等，无一不是理想化方法在物理研究中的运用。

在教学中，关键在于要让学生了解，为什么要作理想化处理，由此带来的结果是什么，以使学生能体会到理想化方法的作用。

五、等效方法，是“在保证某些特定方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、简单的事物代替实际的、陌生的、复杂的事物进行研究的方法”。等效方法是物理学研究中最普遍、表述最简洁的方法。

物理科学研究是面对众多的物理量，在分析、处理和计算物理量的过程，特别要注意物理量之间的关联，这里经常要用到的一种重要的思想是等效。例如串、并联电路的总电阻、力的合成与分解、做功和热传递在改变物体的内能上是等效的、把一个有电阻的线圈等效为一个理想的线圈和一个电阻的串联、还可以有具体方法上的等效，比如解决力学问题方法与几何光学方法的等效、电磁学量与力学量的等效等。等效方法的最杰出运用之一就是爱恩斯坦建立在“重力与加速度等效”思想上的广义相对论的创立。在中学物理中，每一个概念的归纳，每一条规律的得出，无不涉及到等效方法。

物理学作为一门科学，有本学科的知识体系，有本学科的研究方法、施教方法和学生的学习方法。现行教材是按知识体系编排的，科学方法大多蕴涵在知识的发展过程中。需要教师挖掘教材中隐含的科学方法教育因素。在教学中有意识地以科学方法为线索组织教材、组织教学过程。对一些重点知识，模拟科学家的研究过程，切实运用必要的科学方法，让学生在科学方法的导引下主动地去获取知识。这样的教学，必然符合学生的认识规律，能使学生对知识的获得过程有切身的体验，从而对知识本身有扎实的理解，同时又受到科学方法的训练和培养。当学生掌握了方法取得了独立获取知识的本领时，就得到了开启物理知识宝库的“金钥匙”。

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