中學(xué)物理教材中物理科學(xué)方法教育的研究

劉曉燕

科學(xué)方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的正確的思維、行為方式，是人們認(rèn)識(shí)和改造自然的有效工具。作為一種基本的研究途徑、方式和方法，它與自然科學(xué)的概念、規(guī)律等知識(shí)是平行的，包含在自然科學(xué)的范疇之中。〔1〕新課程標(biāo)準(zhǔn)要求在突出科學(xué)探究?jī)?nèi)容的同時(shí)，重視研究方法的指導(dǎo)，使學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究、學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中，逐漸拓寬視野，初步領(lǐng)悟到科學(xué)研究方法的真諦。

一、物理科學(xué)方法

物理科學(xué)方法指在嚴(yán)格的科學(xué)條件下，通過(guò)嚴(yán)密的觀察實(shí)驗(yàn) （觀察和實(shí)驗(yàn)的方法）和嚴(yán)格的邏輯推理 （理性思維的方法），去偽存真，去粗取精，由此及彼，由表及里，找到事物內(nèi)部各部分之間及事物與外部環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用，確定由相互作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)變化和因果關(guān)系，形成規(guī)律性的認(rèn)識(shí)的過(guò)程中所使用的方法。〔2〕物理體系自身包含著豐富的科學(xué)方法，它既表現(xiàn)在知識(shí)的結(jié)構(gòu)上，也表現(xiàn)在這些知識(shí)結(jié)構(gòu)的建立過(guò)程中。

二、物理教材中的科學(xué)方法教育

物理學(xué)科是一門(mén)具有方法論性質(zhì)的一門(mén)學(xué)科，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)方法，教師要在物理教學(xué)中利用這些資源，讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的同時(shí)，掌握科學(xué)方法，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。新課標(biāo)中提到教師 “要根據(jù)學(xué)生的具體情況，對(duì)教材再加工，有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程”。開(kāi)展物理科學(xué)方法教育，必須結(jié)合教材進(jìn)行。

綜觀中學(xué)物理教材，常見(jiàn)的物理科學(xué)方法主要分為觀察和實(shí)驗(yàn)的方法、邏輯思維方法、數(shù)學(xué)方法等幾類，其中每一類科學(xué)方法在物理教科書(shū)中都有各自具體的體現(xiàn)，如控制變量法、等效替代法、轉(zhuǎn)換法、理想化模型法、類比法、假設(shè)法、放大法、累積法、分析、歸納、抽象、概括等方法。

以往的教學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為方法只能潛移默化地滲透，主要靠學(xué)生自己領(lǐng)悟，因此我國(guó)物理科學(xué)方法教育方式長(zhǎng)期以隱性教育為主。在我國(guó)傳統(tǒng)的物理教學(xué)中，一般是以知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系為線索展開(kāi)的，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的邏輯聯(lián)系采用顯性處理，而科學(xué)方法大多蘊(yùn)含在知識(shí)的發(fā)展過(guò)程中，往往很少直接點(diǎn)明用了什么科學(xué)方法。反思物理科學(xué)方法的這種教育方式，是教師當(dāng)前的重要課題。

三、物理方法顯性教育的意義

物理方法的學(xué)習(xí)屬于心智技能或認(rèn)知策略的學(xué)習(xí)，心智技能作為技能的組成部分，直接調(diào)節(jié)心智技能活動(dòng)，其形成過(guò)程包括三個(gè)基本階段：①原型定向；②原型操作；③原型內(nèi)化?！?〕而心智技能培養(yǎng)是借助語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以教師如果不能將物理方法顯化，就難以促進(jìn)學(xué)生能力心理結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展，就不能使學(xué)生真正掌握物理方法。

在教學(xué)過(guò)程中，物理方法先以陳述性知識(shí)保存在學(xué)生頭腦中的，經(jīng)過(guò)一定量練習(xí)，學(xué)生將這些物理方法轉(zhuǎn)化為程序性知識(shí)。隨著多次練習(xí)，這些物理方法就逐漸地內(nèi)化到學(xué)生的頭腦中，成為學(xué)生的心智技能或認(rèn)知策略。從教學(xué)論的角度看，顯性教育能夠喚起學(xué)生學(xué)習(xí)物理方法的意識(shí)，有利于使學(xué)生把掌握物理方法作為明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，這就使得學(xué)習(xí)目標(biāo)與教學(xué)目標(biāo)達(dá)成一致，從而促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)物理方法。反之，以往對(duì)物理方法的隱性教育方式，就淡化了學(xué)生學(xué)習(xí)物理方法的意識(shí)，不利于學(xué)生掌握物理方法。對(duì)于知識(shí)應(yīng)用過(guò)程中物理方法教育，更應(yīng)將物理方法轉(zhuǎn)化為外顯的可操作的程序，當(dāng)學(xué)生再次面臨一定的情境，在沒(méi)有任何提示的情況下，主動(dòng)選擇并正確地使用認(rèn)知策略，這時(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握了物理方法，也就達(dá)到了教是為了不教的目的。

四、物理教材中科學(xué)方法顯性化的實(shí)施途徑

（一）教材分析

教學(xué)工作的一項(xiàng)最基礎(chǔ)、最重要的工作就是教材分析，落實(shí)科學(xué)方法教學(xué)則需要及時(shí)分析教材內(nèi)容，整體把握教材中的科學(xué)方法，體會(huì)編者的編寫(xiě)意圖，這樣能使我們?cè)谶M(jìn)行科學(xué)方法教育的過(guò)程中有一個(gè)總體安排，使科學(xué)方法的教育在物理教學(xué)中具有一定的連續(xù)性。通過(guò)對(duì)教材進(jìn)行整體分析，整理出兩條線，一條對(duì)教材教學(xué)知識(shí)分析即知識(shí)線，一條是對(duì)教材科學(xué)方法的分析即方法線。編寫(xiě)教案時(shí)在傳統(tǒng)的教案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上按知識(shí)發(fā)展的線索明確標(biāo)出所用到的科學(xué)方法，體現(xiàn)科學(xué)方法的顯性化。以滬科版高中 《物理Ⅰ》第一章 《怎樣描述物體的運(yùn)動(dòng)》為例，在本章中，教材首先引入描述運(yùn)動(dòng)的一些基本概念，進(jìn)而通過(guò)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的初步研究，學(xué)生學(xué)會(huì)如何描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢、運(yùn)動(dòng)變化的快慢，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)打下基礎(chǔ)。而本章所涵含的具體的物理科學(xué)方法，如建立質(zhì)點(diǎn)理想模型的理想化方法，建立速度定義的比值定義法，描述速度、位移和時(shí)間關(guān)系的圖像法，用光電門(mén)測(cè)量瞬速度的探究實(shí)驗(yàn)法等，其教學(xué)目標(biāo)在章首導(dǎo)讀中是看不到的。所以要求教師去分析、挖掘本章所涉及到的科學(xué)方法，并將教學(xué)內(nèi)容中所有隱含的科學(xué)方法都呈現(xiàn)出來(lái)，便以學(xué)生掌握和理解的科學(xué)方法。

（二）教學(xué)實(shí)施

1.在物理實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)物理科學(xué)方法的顯性教育

物理實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)方法，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透科學(xué)方法是科學(xué)方法教育的一個(gè)重要途徑，很多的科學(xué)研究方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都有所體現(xiàn)。物理在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不能僅僅是實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單展示或者再現(xiàn)，而要將實(shí)驗(yàn)每一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用到的科學(xué)方法闡明給學(xué)生聽(tīng)，使學(xué)生不僅掌握實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，而且學(xué)到了實(shí)驗(yàn)者的科學(xué)方法，體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)者的科學(xué)思想。在探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生充分挖掘?qū)嶒?yàn)中可探究的要素，運(yùn)用科學(xué)的研究方法進(jìn)行親身的實(shí)踐，通過(guò)在實(shí)踐中收獲成功的喜悅，感悟科學(xué)方法的重要作用。

2.在物理概念和規(guī)律的教學(xué)中實(shí)施物理方法的顯性教育

物理概念的建立過(guò)程和物理規(guī)律的形成過(guò)程本身就是科學(xué)方法的具體體現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在知識(shí)點(diǎn)的建立、引申和擴(kuò)展過(guò)程中，知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)之間建立聯(lián)系時(shí)一定存在科學(xué)方法因素，所以在知識(shí)呈現(xiàn)的同時(shí)，也是科學(xué)方法呈現(xiàn)的過(guò)程。因此在概念教學(xué)中應(yīng)按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律教給學(xué)生形成概念的科學(xué)方法，即提出問(wèn)題→觀察實(shí)驗(yàn) （直接感官）→分析、比較、抽象、概括、演繹 （抽象思維）→形成物理概念，使學(xué)生學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)比值定義法、乘積定義法、類分法、比例系數(shù)法等物理概念定義的一些基本方法。物理規(guī)律是物理知識(shí)的框架，和物理概念教學(xué)一樣，在探索、總結(jié)物理規(guī)律時(shí)，也應(yīng)重視科學(xué)方法的傳授，即教會(huì)學(xué)生：①提出問(wèn)題→觀察實(shí)驗(yàn)→歸納、演繹→物理規(guī)律；②已有概念和規(guī)律→建立假說(shuō)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→物理規(guī)律；③已有概念和規(guī)律→數(shù)學(xué)或邏輯推理→得出物理規(guī)律。使學(xué)生學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)歸納法、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法、演繹推理法、類比法等總結(jié)物理規(guī)律的方法。比如安培環(huán)流假說(shuō)，盧瑟福類比太陽(yáng)—行星模型，提出原子核結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)等。

3.在習(xí)題教學(xué)中實(shí)施物理方法的顯性教育

根據(jù)認(rèn)知策略學(xué)習(xí)的相關(guān)理論，應(yīng)用知識(shí)的物理方法的學(xué)習(xí)需要經(jīng)過(guò)如下三個(gè)階段：規(guī)則習(xí)得階段；變式練習(xí)階段；策略的運(yùn)用和遷移階段?！?〕在不同階段，教師應(yīng)該采取不同的教學(xué)策略促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)物理方法。在規(guī)則習(xí)得階段，學(xué)生是以陳述性知識(shí)的形式習(xí)得物理方法的，教師要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)比較幾種不同方法的優(yōu)劣來(lái)促使學(xué)生對(duì)物理方法進(jìn)行反思，并使學(xué)生感受到用物理方法解題的效益。在變式遷移階段，教師要制定一套外顯的可操作技術(shù)，講明物理方法的運(yùn)用條件，給學(xué)生多次變式練習(xí)的機(jī)會(huì)，促使陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化為程序性知識(shí)。即在解題過(guò)程中具體說(shuō)明何時(shí)何處用哪些物理方法，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理方法。

4.在物理學(xué)史中強(qiáng)化物理方法的顯性教育

物理學(xué)史體現(xiàn)了在一定社會(huì)文化背景下，人類認(rèn)識(shí)和探索活動(dòng)世界的現(xiàn)象、規(guī)律和本質(zhì)的歷程，其中包含了物理思想和觀念的變革，包括了認(rèn)識(shí)論和方法論的因素。伽利略創(chuàng)立的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，改變了從直觀感覺(jué)推演出結(jié)論的思辨方法，強(qiáng)調(diào)對(duì)直觀感覺(jué)材料要做理性分析。為了證實(shí)重物下落不比輕物快的結(jié)論，他登上比薩斜塔做自由落體實(shí)驗(yàn)。伽利略還把實(shí)際的實(shí)驗(yàn)與理論思維緊密結(jié)合起來(lái)，形成一種新的方法—理想實(shí)驗(yàn)的方法，并用此法導(dǎo)致了慣性定律的發(fā)現(xiàn)。

其實(shí)知識(shí)本身是一種客觀實(shí)在，它們無(wú)方法可言，但人們?nèi)パ芯繂?wèn)題探索知識(shí)時(shí)，必須借助于一定的工具 （如儀器），一定的手段 （包括人的思維），通過(guò)一定的操作去觀察、去發(fā)現(xiàn)，這就體現(xiàn)為方法了。物理教材中的科學(xué)研究方法是實(shí)現(xiàn)學(xué)生增長(zhǎng)知識(shí)、發(fā)展能力、提高素質(zhì)的一個(gè)有效途徑。在教學(xué)中，教師要成功的利用教材中的科學(xué)方法，就需要建立一套較完善的物理科學(xué)方法體系，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈的探索與實(shí)驗(yàn)。

注釋：

〔1〕邢紅軍，陳清梅.論中學(xué)物理教學(xué)中科學(xué)方法的教育〔J〕 .中國(guó)教育學(xué)刊， 2005 （8） .

〔2〕吳元樑.科學(xué)方法論基礎(chǔ) 〔M〕.3版北京：中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，2008（3版）.

〔3〕 〔4〕馮忠良.結(jié)構(gòu)化與定向化 〔M〕.北京：北京師范大學(xué)出版社，1999.