物理教育中的科学方法教育

物理教育中的科学方法教育
古人说：“授人以鱼，只供一饭之需，教人以渔，则终身受用无穷。

”这说明了方法的重要。

其实人人离不开方法，事事离不开方法，人生在世几乎时时刻刻都在自觉或不自觉地运用着各种方法。

一般来说，思考同一问题，处理同一事情，会有多种多样的方法，有的是正确的、科学的、聪明的方法，有的是错误的、非科学的、笨拙的方法。

教育的任务之一就是要让学生在实践中体会、认识和运用科学的、正确的、聪明的方法。

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一、科学方法教育在中学物理教学中的地位和作用
历史上凡是对人类认识的发展起到过积极影响的，不论是自然科学家还是哲学家，都非常重视方法论的研究。

爱因斯坦在介绍自己取得科学成功的秘诀时，总结了一个公式：A(成功)=X(艰苦的劳动)+Y(正确的方法)+Z(少说空话)。

德国著名物理学家玻恩说：“我荣获1934年的诺贝尔奖金，与其说是因为我所发表的工作里包括了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里面包括了一个关于自然现象的科学思想方法基础的发现。

”
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历史上凡是新的科学理论的建立都伴随着一种新的科学方法的出现。

例如，在伽利略开创了实验方法与数学方法相结合的基础上，牛顿才总结出了牛顿力学；量子力学的建立产生了以统计因果观为核心的思维方法。

可见，科学方法对物理学的发展起着重要的作用。

物理教育要面向21世纪，就必须实现由应试教育向素质教育的转变，这已是物理教育工作者的共识。

在物理教学中主要培养学生的科学素质，科学素质包括科学知识、科学观念、科学的研究方法、科学的思维方法以及各种基础能力，还有科学态度和科学的价值观等。

在物理教学中加强科学方法的教育，不仅能使学生体会、认识和掌握科学的研究方法和科学的思维方法，而且还能逐步养成学生的科学态度，树立科学观念，训练和提高学生的各种基础能力。

从形成学生正确的世界观看，影响最大的还是科学方法论。

自然科学方法论是自然科学与哲学的一个结合点，正确的方法论是马克思主义的重要组成部分，学习方法论必有助于学习唯物主义的辩证法，促进科学的世界观的树立。

物理知识本身议及获得物理知识的过程充满了丰富的辩证教育因素，对学生进行科学方法教育，即使不讲明其中的哲学原理，也能够对培养学生的辩证唯物主义观点起到较明显的作用。

例如，强调观察方法和实验方法是物理学最基本的研究方法，让学生在学习过程中逐步懂得观察和实验是获得物理知识的基本源泉，是检验物理知识真理性的唯一标准，这就是培养学生树立物质第一性，意识第二性，认识来源于实践，又受实践检验的哲学观点。

热爱科学，追求真理，具有实事求是的科学态度，富有独立思考和创新精神，这些科学品质是构成人才素质的重要因素，科学方法教育对于培养学生的这些可贵品质也能发挥独特的作用。

物理学史与物理学方法教育相结合，能使学生知道科学先辈是怎样经过艰难曲折的
探索，一步一步地认识物理世界的奥秘的，他们对真理的渴望，勇于坚持真理和修正错误，为真理献身的优秀品质，对学生是极富感染力的学习榜样。

同时学习科学方法论可以使人掌握正确的思想方法和工作方法，提高科学素养，指导学生进行创造性的研究工作，有利于培养创造型人才。

能力与方法也是密切联系的。

一般地说，人们完成某方面任务的能力的强弱，是与人们掌握完成这方面任务的方法的自觉程度与熟练程度密切相关的。

可以认为，方法是能力的“核心”，是对能力起决定性作用的因素，物理教学要培养学生的实验观察能力、思维能力、分析问题解决问题的能力，就必须使学生掌握实验观察的方法、科学的思维方法和分析解决问题的方法。

可见，加强科学方法教育，是物理学科实施素质教育，提高学生科学素质的重要途径。

二、科学方法教育内容框架的构建
1.构建的基本思路
(1)从物理概念和规律的形成和扩展中分析科学方法教育因素。

物理概念和规律是物理现象或过程的本质属性或规律的反映，它本身是无方法可言的。

但当我们引人这些概念并加以定义时，或研究概念之间的定性和定量关系形成规律时，就需借助于一定的工具、一定的手段、通过一定的思维操作去观察、去发现，这就体现为科学方法了。

例如，要建立“力"的概念，就要通过抽象、概括，把“推、拉、提、压”等现象的本质归结物体之间的相互作用，从而引人“力”的概念，此时归纳概括就是科学方法教育的因素。

物理概念和规律的引伸和扩展也要运用一些科学方法。

例如，由物体受一个力作用时物体的加速度与力、质量的关系(F=Ma)扩展到几个力作用时物体的加速度与力、质量的关系时(F合=Ma)，要运用等效方法加以过渡和连结，这个“等效替代”就是科学方法教育因素。

(2)在运用物理概念和规律解决实际问题的过程中择取方法教育因素。

在中学阶段，练习、考试、竞赛、小制作与小实验等活动不仅要依赖于知识，而且需要采用一定的手段和思维操作方式。

我们可以根据解决实际问题的需要，结合学生实际，择取和提炼符合学生实际的方法教育的因素。

例如，阳光透过树荫的缝隙在地面留下一个个圆形光斑，如果已知地球到太阳的距离为L，并测得光斑直径为d，树高为品，试估算太阳圆面的直径D。

本题除了应用光的直线传播知识外，还需要通过抽象和概括建立理想化模型，然后采用近似手段提出D=(L-h)d/h≈Ld/h(L》h)。

这里的抽象和概括、理想化和近似就是科学方法教育的因素。

在某种情况下，知识本身也是具有科学方法的意义。

例如，当我们借助极限概念建立变速运动瞬时速度概念时，极限思想就可以认为是“极限方法”或“数学方法”了。

(3)从有关物理实验程序的分析中提取方法因素。

物理实验是人们根据研究目的，利用自制的科学仪器设备，人为地控制物理现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下研究物理现象的本质和变化规律。

所以实验也是研究物理学的基础和基本方法。

单就物理实验的基本程序，即实验原理设计、实验操作和实验数据处理这三个过程来分析，其每一过程都蕴含着丰富的科学方法教育因素。

例如关于验证或
探究牛顿第二定律的实验程序中，实验设计原理是运用控制变量的方法，确定a跟F、M的定量关系；小车的加速度可以不直接测量，而是用比较相同时间内的位移来确定加速度的大小。

在实验操作中，为了减少误差，可运用等效替代与平衡的思想方法，使小车运动的轨道略微倾斜以平衡摩擦力；采取近似的方法，使盘和砖码的质量远小于小车的质量，以此把盘和硅码所受的重力当作小车受到的合外力。

在处理实验数据时，运用图象方法，恰当选择纵轴和横轴表示的物理量，以及将被测量作某种更换(横轴以l/M表示)，使这图线反映的物理意义和结论更形象、更直观。

对学生实验而言，由于学生几乎完成在自身手脑并用中历经其各个过程，因此在现有学生实验的基本程序中，分析和择取其中的科学方法教育因素，也是构建科学方法教育内容框架的一个重要思路。

2.构建的基本方法
由于《课程标准》或《大纲》已确定了教学内容和要求，因此科学方法教育的内容可以通过分析教材中的教学内容，并结合教学实际，运用“因素分析”，和“经验筛选”的方法来确定。

(1)因素分析。

我们首先对三套物理教材(原人教版和现上海使用的上教版、上科版)中的共76个知识点和38个初、高中学生实验，按其编写内容所揭示的科学方法教育因素，进行系统的分析，以明确各知识点所能涉及的科学方法教育的内容。

如在研究查理定律的建立和运用时，先明确“运用变量控制方法研究当体积不变时，气体的压强跟温度的关系”'、“用图象方法归纳查理定律”、“用外推法反映气体压强与热力学温度的关系”、“从分子运动论演绎查理定律的微观解释”'、“运用图象的等效变换以确定气体状态的变化”等科学方法教育的内容，然后将知识结构和方法教育因素结合起来用框图直观地呈示(如下框图)。

(2)经验筛选。

在因素分析的基础上，我们对76个知识点和38个学生实验中涉及的科学方法内容进行筛选，依据框图流程中出现频数较多的、体现学科特色的、基本的科学方法，构成物理科学方法教育的内容框架。

3.构建的结果。

由于学习物理的某些特殊的技巧性方法与科学研究的一般方法不在同一层次上，因此我们用演绎的方法在包容已有方法的基础上，建立一个类似从一般科学研究方法→物理学科研究方法→应用技巧性方法的内容框架，如图1所示。

的程序、方式和规则，而能力则是人们在活动中表现出来的直接影响活动效率的心理特征，它是顺利完成某种活动所必备的心理条件。

由此可见，学会科学方法是提高能力的必要条件，
学生领会和运用科学方法的水平高低，也就反映了其各项能力水平的高低。

为了使科学方法教育与能力的培养在物理教学过程中真正得以落实，使不同学业阶段、不同层次学校、能力基础不一的学生都有不同程度的习得和发展，除了构建科学方法教育的内容以外，还必须构建科学方法教育的目标分类框架。

根据目前物理课堂教育的实际和物理教材编写的内容要求，考虑操作上的简约，我们把科学方法教育的目标水平分成三级：A.体验；B.认识，OC.运用。

每级水平的界定和目标例证如下表。

三、中学物理科学方法教育的目标水平分类
科学方法的内容本身是一种知识，但要认识和运用科学方法，必须通过适度的训练、内化以后方能达到。

所以科学方法的认识和运用是一种心智技能，我们可以将科学方法教育目标和实验操作都归属于技能领域教学目标的范畴。

实践表明，制定和实施科学方法教育目标，有利于教师更好地把握和理解物理教材的结构和要求；有利于培养和评价学生的能力；有利于提高学生的科学素质。

四、中学物理科学方法教育的原则
1.与物理教学过程有机结合的原则。

从认知角度看，物理教学是学生在教师指导下能动地认识物理现象的本质和规律的过程。

用方法论观点分析学生的认知过程与物理学家探究物理世界的过程，可知它们是很相似的：物理学家从人类的已知出发探究人类的未知，学生是从自身的已知出发探究自身的未知，两者都是从问题出发，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；物理学家根据理论或假说去解释或预言物理现象，学生根据所学理论去解释物理现象或解答习题，只是独立性、创造性和复杂性的程度不同而已。

这就决定了物理教学与科学方法教育是密切联系的、不可分割的。

因此科学方法教育应是结合物理教学和能力训练的过程而长期地分散地进行的。

除专题讨论外，不要求集中地对中学生大量补充科学方法论的专门知识。

例如在原子物理教学中，通过讲授知识、介绍科学的发展就是不断地用新的模型取代旧的模型，逐步逼近真实的过程，使学生认识“实验→假说→新实验→新假说”这样一种科学研究的方法。

又如在讲匀变速运动的平均速度和瞬时速度时，可以介绍研究“变”的一般方法，即“以恒代变”和“无限分小”这两种方法。

2.从隐性教育逐渐向显性教育过渡的原则。

科学方法的隐性教育，就是在物理教学过程中隐蔽地发挥科学方法的导向作用，使学生在学习过程中受到科学方法的熏陶，但一般不提方法的名称，更不对这些方法的内容进行解释。

科学方法的显性教育，就是在教学过程中把科学方法的内容、特点和操作过程讲清楚，指导学生运用这些方法进行练习。

这两种方法各有长处和短处：隐性方式适用面广，不必另外为科学方法教育化费较多的教学时间，日积月累，学生自然地学到了一些科学方法，但不能使学生获得科学方法的理性认识，不让学生自觉地以科学方法为指导，加深对学习过程的理解；显性方式正好能弥补这一缺陷，但有些方法的理论较难，学生不易接受，随着学生年
级的升高，显性方式可以逐步增加。

例如上面提到的原子物理的教学就是隐性教育，当然在这一章结束时再显性地总结一下效果会更好；而匀变速直线运动的平均速度和瞬时速度的教学则一定要显性地介绍“以恒代变”和“无限分小”这两种方法，否则学生不会领悟。

3.根据学生年龄特征循序渐进的原则。

科学方法教育，不论是隐性的还是显性的，都要符合各年龄阶段学生的心理特征，做到循序渐进。

初中学生的观察能力和动手能力迅速增强，但抽象思维能力还未充分发展，因此初中阶段应着重进行观察、实验方法的教育；对于科学思维方法，只能隐性渗透，即在教师的指导下接受分析、比较、概括等思维方法的训练。

在高中阶段，学生的抽象思维能力迅速增强，对方法论开始感兴趣，因此可以对观察实验方法作进一步显性教育，并由浅入深地逐步介绍理想化方法、近似方法、假说方法、用图象和公式反映物理概念和规律的数学方法；对于分析、综合、归纳、演绎等基本的思维方法，也可以从反复的隐性训练逐步过渡到显性教育；到高三年级还可以对科学方法作一些显性的整理和进一步解释，并让学生在复习中反复运用。

有的方法一开始只能提一下方法的名称，详细的介绍要以后逐步进行。

如重心的教学，要讲清重心的概念就要讲到重力的等效合成，但是力的合成分解还没讲到，所以在重心这一节课中只能提一下物体的各部分都受到重力，为简单起见我们常把它们等效集中为一个重力，它的作用点称为重心，而学了力矩平衡后，可以反过来讨论一下重力的合成，使学生进一步明确重心概念中的等效方法。

4.贯穿始终的长期性原则。

科学方法学习比物理学知识学习要难，它不是一次教学就能让学生理解和掌握的。

物理教材中科学方法因素大多是隐含的，科学方法教育也大多是隐性的，所以学生只有在长期的熏陶下，才能潜移默化地、自觉不自觉地学到一些科学方法。

即使是科学方法的显性教育也要注意适度，某种科学方法开始出现时，通常只需画龙点睛，点到为止，不必详细解释，以后通过同一科学方法的多次出现，多次运用，学生才能领会、掌握。

所以教师应自觉地、坚持不懈地对学生进行物理学方法教育。

例如理想化方法，对高一学生来说较难，因为对他们来说是一个观念的转变，学生能否学好理想化方法又是能否学好高中物理的关键。

高中第一次出现理想化方法是在质点这一节，高一学生在学习质点这一新概念的同时还要学习这一新方法，结果往往都没真正理解。

根据这一情况，可在绪论课中增加科学方法教育的内容：先让学生做测量课本面积的实验，学生在测量中发现课本上下边宽不等，左右边长也不等，与学生原有的“长方形对边相等”的观念不符，于是提出了实验长方形与理想长方形的概念。

这样就以学生熟悉的几何问题理想化方法，引出了相对比较、次要因素、建立模型和等效替代等科学方法的初步知识。

有了这样的铺垫，质点这一节的教学也就顺利了。

理想化方法是中学物理中最重要的方法之一，在绪论课中初步给出了这一方法，在质点、匀速直线运动和自由落体的教学中，使学生接触了实体理想化、过程理想人和条件理想化的实例，对理想化方法有了较深的理解。

在单摆和间谐振动的教学中可显性地作专题讲座，介绍理想化方法的完整的操作过程：(1)分析影响因素；(2)比较各因素作用；(3)忽略次要因素；(4)建立理想化模型。

在单摆实验中进一步就摆球半径是否要加进去的问题讨论，使学生明确有一个精度要求，到电场一章中可让学生计
算一个均匀带电圆环在它的轴线上离环心x处的一点所产生的电场强度，然后讨论x→∞和0时的情况，进一步明确理想化的条件。

到这里理想化方法的教学可算是比较完整了，当然以后还可多次应用，使学生较熟悉理想化方法。

另一个重要方法-一等效替代方法也是如此。

有计划地、长期逐步深入地进行科学方法教育，才能取得理想的效果。

5.各种方法有机结合的综合性原则。

在物理教学过程中，各种科学方法交叉在一起，不可能在一种科学方法的教育完成以后再进行另一种科学方法的教育。

因此，必须充分利用物理教材中的科学方法教育因素，把各种方法有机地结合在一起进行教青。

另外中学物理中的两个最重要的思维方法-一理想化方法和等效替代方法，都是一种总方法，它们本身就包含了很多种的子方法。

因此在进行理想化方法教育与等效替代方法教育的本身，就是多种科学方法交织在一起的教育。

例如在质点的教学中，通过讨论如何在直角坐标系中确定一点的位置和一个正方形的位置，引出：(1)点最简单；(2)点是组成物体的基本单元；(3)在研究物体位置时，或者把物体视为一点，或者把物体拆成很多点。

因而要解决物体位置的确定，只要先解决点的位置的确定，这是化繁为简的常用等效转化方法。

接下去介绍什么情况上可把物体视为一点，这里又介绍了比较的方法和理想化方法。

又如教库仑定律时，先让学生猜想两个带电体之间的相互作用力的大小可能与哪些因素有关(猜想是探索性实验的前提)；学生会提出：带电体的形状、大小、两带电体带电的多少、两带电体间的距离和两带电体间的媒质等，然后再让学生考虑这么多因素怎么研究，有没有主次之分，猜想哪些是主要因素，哪些是次要因素，这些次要因素在什么条件下可以忽略；当最后还剩下电量和距离两个因素时，让学生考虑这两个因素对作用力的影响如何研究，并提出控制变量法。

整个过程模拟了科学家的探索过程，里面包含了多种科学方法，在教学过程中它们是交织在一起的。

6.以学生发展为本的原则。

教学是教师和学生共同活动的过程。

课程的思想性，教学内容的选择，教学要求的确定和教学进度的安排等，是由教师掌握的，学生是在教师的指导下进行学习。

但是，从学的方面来说，学生是认识的主体，外因要通过内因起作用，不仅知识的掌握和能力的培养必须通过学生自觉积极的努力才能做到，方法的掌握也必须通过学生自己的尝试和体验才能达到，学生必须在学习中应用和在应用中学习才能得到发展。

所以在科学方法教育中也必须坚持以学生发展为本。

例如在诸纶课中介绍了理想长方形和实际长方形的概念，初步介绍了理想化方法后，就让学生讨论：考虑到实际物体与理想物体的差异，要测量一个圆柱体的直径，至少应测量几次?如何测量?它们的平均值才较准确地该圆柱体的直径。

通过讨论学生很快想到应测4次，即在圆柱体的每一端互相垂直的两个方向上各测一次。

能提出这种测量方法，说明学生已初步理解了几何体的理想化了。

等效替代方法教育也是如此。

如学习了单摆以后，可以且的光骨凹形圆柱面最低点两侧间来回振动、单摆悬于光滑斜面上来回振动等实例，与单摆有什么相似点，能否作一些等效转化从而可应用单摆周期公式计算它们简谐振动时的周期。

最后再让学生讨论如图3所示装置：轻质等边三角形支ABC，边长为a，可绕AB轴转动，角C处固定一质量为m的小球，
它在平衡位置附近来回振动，实践证明：学生在反复运用科学方法研究物理问题的过程中，科学方法掌握了，运用物理知识解决实际问题的能力也就提高了。

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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