高中物理科学方法教育的探讨

高中物理科学方法教育的探讨

郭风和

《普通高中物理课程标准》把“学习科学探究方法，发展自主学习，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”确定为高中物理课程的总目标之一，要求学生“经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用”。充分体现了新课程标准对科学方法教育的重视，也足以说明科学方法教育在高中物理教学中的重要地位。笔者在高中物理教学中，主要关注了下列科学方法：

一、在物理实验教学中的控制变量方法

物理学是一门以实验为基础的自然科学，观察和实验是认识物理现象、形成物理概念和发现物理规律的重要手段，有效地训练学生的观察和实验方法是培养学生能力的基本途径。物理实验教学中常用的一种研究方法是控制变量法，控制变量法就是在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的因素或条件加以人为控制，使其中的一些条件按照特定的要求发生变化或不发生变化，最终解决所研究的问题。可以说任何物理实验，都要按照实验目的、原理和方法控制某些条件来研究的。

例如：在牛顿第二定律的教学中，要通过实验探究加速度（a）跟力（F）和质量（m）的关系。在实验中，学生可以具体地了解如何利用控制变量法分别探究加速度（a）跟力（F）的关系、加速度（a）跟物体的质量（m）的关系，如何测量力（F）、质量（m）和加速度（a），实验后如何利用函数图象分析、处理数据。通过上述实验过程的经历认识到在质量（m）一定时加速度（a）跟力（F）的定量关系、在力（F）一定时，加速度（a）跟质量（m）定量的关系，由此得到运动和力的关系——牛顿第二定律F=ma。

又如：导体中的电流（I）与导体两端的电压（U）以及导体的电阻（R）都有关系，中学物理实验难以同时研究电流（I）与导体两端的电压（U）和导体的电阻（R）的关系，而是在分别控制导体的电阻（R）和导体两端的电压（U）不变的情况下，研究导体中的电流（I）跟这段导体两端的电压（U）的关系、导体中的电流（I）跟导体的电阻（R）的关系，分别得出实验结论。通过学生实验，让学生在动脑与动手，理论与实践的结合上找到这“两个关系”，最终得出欧姆定律I＝U/R。

利用控制变量法研究物理问题，注重了知识的形成过程，有利于扭转重结论、轻过程的倾向，有助于培养学生的科学素养，有助于学生学会用科学方法去学习。这样，可让学生在实验过程中对观察和实验方法有更具体、更深刻的体会和认识。

二、在物理概念的教学中的观察实验、理想化、数学等方法

物理概念反映着人类对物理世界漫长而艰难的认知活动历程，是人类智慧的结晶。物理概念使人们在纷繁复杂的物理世界中，把握了事物的本质特征，成为物理思维的基本单位和有力工具。显然，物理概念的形成过程中，包含了丰富的科学方法。

1.观察实验方法是对各种自然现象进行考察研究的一种方法，人们的许多物理知识是通过观察实验认真地总结和思索得来的，观察实验方法是获得感性知识的主要手段，它对物理学的研究和发展起着重要的作用。如力、速度、电流、电场、磁场、光的反射和光的折射等都是在观察实验的基础上建立和发展起来的。在物理概念教学中要注意培养学生的观察意识，在观察中捕捉有效的信息，从而达到探究事物的本质属性。

2.理想化方法是物理研究中经常用到的一种科学方法，物理现象经历的过程往往比较复杂，要细究是有一定困难的。这样，在物理问题的探究上常把具体事物抽象化，用理想化的物理模型代替实际探究的对象，并对有关的过程做出简化，以便从理论上研究它。高中物理概念中有大量的物理模型，例如：质点（物体是有大小和形状的，若大小和形状对研究的问题无影响或影响较小时，实际物体就可用一个有质量的点来代替）、点电荷、弹簧振子、单摆、匀强电场、匀强磁场等是实体理想化模型；匀速直线运动（生活中很少有一个物体真正地做匀速直线运动，在研究问题的时候匀速直线运动只是一个模型）、匀变速直线运动、光沿直线传播、匀速圆周运动、简谐运动等是过程理想化模型。在教学中建立这些概念的过程中，让学生体会物理学中抓住主要因素，忽略次要因素的理想化方法，加深学生对理想化方法的理解。

3.数学方法也是物理学中研究问题的重要方法。例如：电场强度（E=F/q）、速度（v=Δx/Δt）、加速度（a=Δv/Δt））、密度（ρ=m/V）、磁感应强度（B=F/IL）、电势（φ=Ep/q）、电容（C=Q/U）等概念的建立都用到了比值定义物理量的方法；建立瞬时速度概念，用到数学中的极限方法：v=LimΔx/Δt（Δt→0）；数学中的导数在物理中的应用：如（x）＇=v、（v）＇=a，物理中的极值问题用导数解答更简单、直观。

三、在探究物理规律的过程中的科学猜想、观察与实验、归纳与演绎、比较与分类、数学表达式和函数图象等方法

物理规律揭示的物质的结构和物体的运动所遵循的规律，与观察、实验、抽象思维、数学推理等有密不可分的联系。我们在物理教学中，创造条件让学生经历科学探究过程，引导学生循着前人研究的思路来重新“发现”这一规律，再现浓缩在其中的思维历程，从中体验和学习科学思维的方法，从而把物理规律的教学作为帮助学生认识事物的本质、训练思维能力、掌握科学方法的手段。

例如，在牛顿第一定律的教学中，首先引导学生回顾生活现象和观察实验：用力推车，车才前进；停止用力，车就停下来。引导学生分析这些现象，判断能否根据这些现象得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止下来。然后，进一步引导学生提出猜想：物体停下的原因是摩擦力的作用。再设计实验进一步探究：改变接触面的粗糙程度（动摩擦因数μ），逐渐减小摩擦力，发现物体停下来所前进的位移逐渐增大，然后介绍伽利略的理想斜面实验，引导学生进一步设想：如果没有摩擦，一旦物体具有某一速度v，物体将保持这个速度持续运动下去。这样，通过“观察——实验——逻辑思维（理想实验）——合理外推——规律的发现”这一过程，了解发现物理规律的科学方法，认识物理实验、物理思维和逻辑思维在物理学发展过程中的作用。

物理规律常用数学函数、方程式来表达。例如：焦耳定律Q=I2Rt、安培力F=ILB、洛仑兹力F=qvB、平行板电容器的电容C=εrS/4πkd、闭合电路的欧姆定律E=I（R+r）等。

物理规律也用函数图象来表达。例如：匀速直线运动的速度—时间图象（v-t图象），匀速直线运动的位移——时间图象（s-t图象），匀变速直线运动的速度—时间图象（v-t图象），电阻的伏安特性曲线（U-I图象），电源的伏安特性曲线（U-I图象）等。

用数学函数、方程式和函数图象更能简洁、抽象、准确、直观、形象、生动地表达物理规律。

总之，新课程理念要求我们在高中物理教学中，不仅使学生学会物理知识，掌握物理技能，形成坚实的物理基础知识，还要让学生经历探究的过程，学习科学方法，形成科学态度和价值观，提高学生的科学素质，促进学生认知、情感、科学方法、态度与技能等方面的可持续发展。