高中物理科學(xué)方法教育的方式和實施途徑

謝麗華 李衛(wèi)東 王長江

物理學(xué)是一門理論和實驗高度結(jié)合的學(xué)科，它特別強(qiáng)調(diào)正確有效的研究方法，嚴(yán)謹(jǐn)縝密的推理和歸納，科學(xué)方法是中學(xué)物理教學(xué)主要內(nèi)容和任務(wù)之一，特別是新一輪基礎(chǔ)教育課程改革以來，物理課程的三維目標(biāo)中明確提出了“方法”目標(biāo)，要求學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中“了解物理學(xué)的研究方法”“嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的的方法研究物理問題”.這就對物理教學(xué)提出了明確的教學(xué)目的，使得科學(xué)方法教育得到更廣泛的認(rèn)識和實施.傳統(tǒng)的物理教學(xué)過分在學(xué)科知識積累與應(yīng)試技能上做文章，忽視了科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)方法和學(xué)習(xí)體驗，以至于高中生活成了“苦學(xué)”的代名詞，使得原本可以“開闊視野、充實思想、愉悅精神”的學(xué)習(xí)生活變得枯燥無趣.極大的束縛了青少年學(xué)生的成長.這種教育的失衡也嚴(yán)重影響了我們國家的創(chuàng)新能力和國際綜合競爭能力.因此，在當(dāng)下新課程改革中深入思考科學(xué)方法教育具有十分重要的意義.

1 高中物理科學(xué)方法教育的兩種基本方式

物理知識和物理科學(xué)方法構(gòu)成物理學(xué)大廈.但是長期以來，物理科學(xué)方法教育是最不清楚的問題之一.造成這種現(xiàn)狀的原因，一是沒有綱要性或權(quán)威性的教學(xué)目標(biāo)或課程標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)，二是從教材的編寫體系來看，物理科學(xué)方法這條暗線更是“猶抱琵琶半遮面”，在龐大的物理知識中難見只言片語.這種情況就導(dǎo)致長期以來物理教學(xué)對物理知識采用顯處理，而對科學(xué)方法采用隱處理.科學(xué)方法隱性教育就是在教學(xué)中隱蔽地發(fā)揮科學(xué)方法的導(dǎo)向作用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中受到潛移默化的熏陶，教學(xué)過程中不明確指出科學(xué)方法的名稱，不說明科學(xué)方法的原理，不揭示科學(xué)方法的本質(zhì)與操作過程.所謂科學(xué)方法顯性教育，是指教師有意識地公開進(jìn)行科學(xué)方法教育，學(xué)生有意識地學(xué)習(xí)科學(xué)方法，以達(dá)到理解知識、掌握方法和形成科學(xué)態(tài)度的目的.雖然科學(xué)方法隱性教育考慮到學(xué)生的知識基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)滲透和鋪墊，追求學(xué)生在潛移默化的熏陶中，水到渠成地體會和領(lǐng)悟科學(xué)方法，然而隱形教育不能讓學(xué)生有意識地學(xué)習(xí)科學(xué)方法和獲得對其理性認(rèn)識，不能讓學(xué)生自覺地以科學(xué)方法為指導(dǎo)來加深對知識的理解，容易使“過程與方法”維度虛化并導(dǎo)致科學(xué)方法教育的方式不甚明朗.在物理教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)方法顯性教學(xué)，可以使科學(xué)方法教育有的放矢，有據(jù)可依，并為學(xué)生提供學(xué)習(xí)科學(xué)方法的條件.

在教學(xué)過程中，學(xué)生獲得應(yīng)用能力的關(guān)鍵就是科學(xué)方法的習(xí)得，一線教師所謂的學(xué)生不會“開生題”都是源于科學(xué)方法教育的缺失.然而科學(xué)方法有其獨立于物理知識的表達(dá)體系，并往往隱藏在知識背后，且需要學(xué)科特色與心理學(xué)的結(jié)合.這就要求教師以理論思維的觀點來規(guī)劃物理教學(xué)過程，從而實現(xiàn)充分、 有力、簡約的教學(xué)邏輯.科學(xué)方法教育，作為物理知識活動的中介，它是連接物理現(xiàn)象與知識的紐帶，物理知識（概念、規(guī)律等）只有通過科學(xué)方法的參與，才可能上升為知識形態(tài)，這就決定了物理科學(xué)方法教育與物理知識的教育過程不可分割.換句話說.科學(xué)方法是“因”，而物理知識則是“果”，所以它們之間客觀存在一種“對應(yīng)”關(guān)系，正是基于這種“對應(yīng)”，我們才可以把科學(xué)方法教育內(nèi)容“顯化”. 基于此，我們提出，物理科學(xué)方法的教育內(nèi)容主要包括兩個部分：思維方法、物理方法.思維方法是人的大腦的功能，是進(jìn)行各種學(xué)習(xí)和探索的基礎(chǔ)，在認(rèn)知心理學(xué)中被化為弱認(rèn)知方法的范疇，適用于解決各種普遍問題.物理方法是物理知識結(jié)構(gòu)中特有的方法，如比值定義法、理想模型法等，這類方法具有較強(qiáng)的加工功能，是物理教學(xué)歷來重視的內(nèi)容.顯化的科學(xué)方法不僅是教學(xué)的內(nèi)容，而且是教學(xué)的依據(jù)，還是表達(dá)教學(xué)邏輯的載體.在教學(xué)中，物理科學(xué)方法是一種外化操作的時空次序，不僅由內(nèi)部的思維方法伴隨和操控，而且還要使學(xué)生感受到思維方法的心理體驗.因此，這就需要物理方法與思維方法在顯化基礎(chǔ)上的融合，才能更加系統(tǒng)而有針對性地將科學(xué)方法傳授給學(xué)生.物理科學(xué)方法的顯性教育著眼于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成，根植于方法教育內(nèi)容的確定，落腳于學(xué)生科學(xué)方法的掌握.

2 高中物理科學(xué)方法教育的實施途徑

2.1 以知識教學(xué)為載體，滲透物理科學(xué)方法

物理教材大體可分為概念性教材、 規(guī)律性教材、實驗性教材和應(yīng)用性教材四大類，在物理概念和規(guī)律的建立、發(fā)展和應(yīng)用過程中，以及各知識點相互聯(lián)系的地方往往蘊涵著豐富的科學(xué)方法. 物理概念與規(guī)律的建立和發(fā)展，一般會運用觀察和實驗、比較與分類、分析與綜合、數(shù)學(xué)方法、歸納與演繹、猜想與假說以及理想化方法等物理科學(xué)方法中的一種或幾種，在教學(xué)中，要使學(xué)生明確發(fā)現(xiàn)或建立某一概念或規(guī)律所采用的方法、途徑和具體的依據(jù)，使學(xué)生對某一概念或規(guī)律的物理意義，適用范圍和條件有清晰的認(rèn)識.如在牛頓第二定律、電磁感應(yīng)、楞次定律等規(guī)律的教學(xué)中，學(xué)生能充分感受到科學(xué)方法在發(fā)現(xiàn)規(guī)律中的作用；在將電勢能與重力勢能進(jìn)行類比的教學(xué)中，學(xué)生更容易理解和接受電勢能；由安培力演繹出洛倫茲力的概念教學(xué)中，學(xué)生能充分體會科學(xué)方法對學(xué)習(xí)知識的意義，可以激發(fā)學(xué)生自覺的學(xué)習(xí)運用科學(xué)方法解決實際問題.

因此，教師在教學(xué)中應(yīng)充分利用和挖掘教材中科學(xué)方法的教育因素，抓住知識和方法的結(jié)合點，以具體的教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，采取不同的教學(xué)方法和手段，適時點撥， 學(xué)生才可以在獲取知識的同時看到科學(xué)方法有什么特征、有什么作用，是怎樣解決問題的，才能體會到掌握科學(xué)方法的意義，才能自覺地學(xué)習(xí)科學(xué)方法.

2.2 以物理學(xué)史為線索，理解物理科學(xué)方法

高中物理課程涉及很多物理學(xué)家，他們?nèi)〉脗ゴ蟪删偷脑蛑痪驮谟谒麄冊谔骄课锢硪?guī)律的過程中應(yīng)用了正確的物理科學(xué)方法.物理學(xué)家的事跡為進(jìn)行物理科學(xué)方法教育提供了很好的素材.物理學(xué)史體現(xiàn)了在一定社會文化背景下，人類認(rèn)識和探索活動世界的現(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)識論和方法論的因素.伽利略創(chuàng)立的科學(xué)實驗方法， 改變了從直觀感覺推演出結(jié)論的思辨方法，強(qiáng)調(diào)對直觀感覺材料要做理性分析. 為了證實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驗.伽利略還把實際的實驗與理論思維緊密結(jié)合起來，形成一種新的方法─理想實驗的方法，并用此法導(dǎo)致了慣性定律的發(fā)現(xiàn).

教師應(yīng)當(dāng)通過多種渠道，主動搜集與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的物理學(xué)史資料，并在課堂上結(jié)合教學(xué)內(nèi)容為學(xué)生介紹眾多物理學(xué)家在研究過程中使用過的科學(xué)方法.例如，在講光速的大小時，教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容給學(xué)生介紹法國物理學(xué)家斐索第一個不借助天文觀察來測量光速的人，他采用了旋轉(zhuǎn)齒輪的方法測定光速為342539.21 km/s；傅科采用了旋轉(zhuǎn)平面鏡的方法，測得光速2.98×108 m/s；邁克爾遜繼承了傅科的實驗思想，用旋轉(zhuǎn)八面棱鏡法測得了準(zhǔn)確的光速值為 299796 km/s.這幾位物理學(xué)家在測定光速時都使用了正確的科學(xué)方法，也最終取得了正確的測量結(jié)果.結(jié)合這些物理學(xué)史料，教師對學(xué)生進(jìn)行光速大小的講解，既在教學(xué)中實施了科學(xué)方法教育，又活躍了課堂氣氛.如此教學(xué)，必然有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對光速的記憶，從而取得事半功倍的教學(xué)效果.

2.3 以實驗為基礎(chǔ)，運用物理科學(xué)方法

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，觀察和實驗是科學(xué)認(rèn)識的基本研究方法.一個完整的實驗，大致包括提出問題、設(shè)計操作、數(shù)據(jù)分析和理論解釋四個階段.進(jìn)行實驗是為了驗證或解決某些問題，提出的問題確定了實驗的方向和目標(biāo)，根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)和思路設(shè)計實驗，按設(shè)計的步驟進(jìn)行操作和觀察，然后對實驗所得的資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行理論上的解釋和概括，使實驗上升到理論的高度.在整個過程中蘊含著豐富的科學(xué)方法，如比較、分類、分析、綜合、歸納、演繹等等.因此實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)方法的有效途徑.教學(xué)中要注重把教材上的演示實驗、學(xué)生實驗變?yōu)閷W(xué)生探索實驗，引導(dǎo)學(xué)生通過親身實踐去領(lǐng)會科學(xué)家們研究問題的科學(xué)方法并內(nèi)化為自己的思維和行為方式，培養(yǎng)他們用科學(xué)方法主動探求新知識、研究新問題的習(xí)慣和能力.如牛頓第二定律、玻意爾定律、楞次定律、電阻定律等規(guī)律的教學(xué)采用探索式教學(xué)，依次提出問題，學(xué)生猜想、實驗、觀察，分析、判斷、綜合、概括，得出規(guī)律，解決實際問題，使學(xué)生強(qiáng)烈地感受假設(shè)一實驗一理論一應(yīng)用的邏輯思維方法，體會數(shù)學(xué)方法、歸納演繹等科學(xué)方法在發(fā)現(xiàn)規(guī)律中的作用.

2.4 以原始物理問題為渠道，掌握物理科學(xué)方法

新課程要求實現(xiàn)生態(tài)化的物理教育，原始物理問題的引入就是一條重要渠道.原始物理教學(xué)讓學(xué)生通過探索和應(yīng)用物理知識來掌握科學(xué)方法，學(xué)生在反復(fù)運用科學(xué)方法解決物理問題的過程中，科學(xué)方法掌握了，運用物理知識解決實際問題的能力也就提高了.所謂原始物理問題是指自然界及社會生產(chǎn)、生活中客觀存在的，能夠反映物理概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型物理現(xiàn)象和物理事實.它和物理習(xí)題有著本質(zhì)的區(qū)別，兩者之間的關(guān)系如下圖所示：

學(xué)生在解決原始問題時，首先需要明白是針對什么物理現(xiàn)象和事實，其次要把它轉(zhuǎn)化為物理模型，最后解決問題.這個過程中就要用到理想化方法、等效方法、近似方法等具體科學(xué)方法，將一定的物理現(xiàn)象或物理情景轉(zhuǎn)化為物理模型，又要用到分析、綜合、概括、抽象等科學(xué)思維方法.可見，運用原始物理問題能將思維方法的訓(xùn)練和具體科學(xué)方法的掌握很好的結(jié)合起來，同時這與物理學(xué)家探究世界的過程很相似，兩者都是從已知的知識出發(fā)探究未知的知識.由此可見，引入原始物理問題教學(xué)可以實現(xiàn)對科學(xué)方法的充分融合與顯性的教育.