高中物理教学中的科学方法显化研究①

肖 骁 邢红军

(首都师范大学物理系,北京 100048)

1 科学方法教育的现状

在新一轮高中物理课程改革中,科学方法教育被提高到与知识教育相提并论的高度.普通高中《物理课程标准》(以下简称《课标》)明确指出,高中物理课程的性质之一,是让学生“体验科学探究过程,了解科学研究方法”.这意味着学生在学习物理知识的同时,还要受到科学方法的训练.

然而,虽然科学方法的教学效果有所改善,但是和《课标》的要求还相距甚远.这表现为:大多数教师不清楚高中物理涉及哪些科学方法,学生应该对科学方法掌握到什么程度.其原因在于,目前没有一本教材系统地介绍科学方法,甚至《课标》中也没有明确科学方法的教学内容.

在科学方法教育内容上,《课标》只列出了知识点以及相应的教学要求,但却没有明确指出科学方法的教学内容和教学要求,只是使用诸如“体会其中用到的科学方法”等提法.这样,教师不明晰教学中应当讲授哪些科学方法,更无从把握科学方法的教学要求.

《课标》对科学方法的教学总要求为:“通过物理概念和规律的学习过程,了解物理学的研究方法”.显然,“了解”层次只是能够识别出科学方法.然而要使用物理知识解决物理问题,就不仅要求学生能够识别科学方法,更需要学生能够应用科学方法.因此,《课标》对于科学方法的教学要求,显然不能满足学生理解物理知识、运用物理知识的需要.

这种教学中不明确提出科学方法的内容、不明确解释科学方法名称和操作步骤的教育方式就是科学方法的“隐性教育”方式.我们认为,作为物理教育的指导依据,《课标》应当将科学方法明确地表达出来,并根据学生及知识的特点确定科学方法教学要求.在此基础上,教材也需要将科学方法明确表述出来,教师才能将科学方法融入知识的教学中,并指导学生运用所学的科学方法解决实际问题.这一整套的教育方式即是科学方法的“显化教育”方式.

2 科学方法隐性教育的不足

目前,在物理教学中的科学方法教育问题上,普遍存在着一种观点:认为科学方法不像科学知识那样明了,直接讲解会过于枯燥,不利于学生记忆和理解,科学方法就应该进行隐性的教育.通过让学生多次接触科学方法,自己去体会科学方法,进而理解科学方法.这种科学方法教育方式,是典型的隐性教育方式.

还有一种观点认为,科学方法教育的显化是必要的,但是应该进行隐性教育,然而再进行显性教育.对于有些方法,则应该使用隐性教育方式.比如等效方法、比值定义法等,不一定必须在第一堂课就把这些方法明确的向学生说出来,而是让学生自己去体会这个方法的巧妙之处.等学生再次接触这种方法时,根据情况再适当的说出这种方法叫什么,有什么用等等,再进行显化教育.这种科学方法的教育方式,是不彻底的隐性教育方式.

隐性教育方式表面上看,似乎是提供一个机会让学生自己去品味科学方法的精华,但实际上存在诸多问题:一是学生的自觉性不同,有的学生可能会去思考,但更多的学生是满足于目前的学习状况.多年的学习已经让他们习惯于教师讲什么就学什么,教师不讲的,考试不考的就根本不会去思考;二是学生的思维水平不同,思维水平较高的学生,可以体会出科学方法的内涵与本质,但更多的学生是不能够体会出科学方法真谛的.

从科学方法的特点来看,隐性教育方式也是不妥的.科学方法本来就比物理知识抽象,更难于理解,对于物理知识的教学,都需采取显性教育方式.因此采取隐性教育方式进行科学方法教育,只会增加学生学习科学方法的难度.

我们认为,只有像物理知识教育那样,明确地向学生讲解科学方法的内容,才算得上真正的科学方法教育.只有在每次遇到科学方法时明确向学生指出方法的名称是什么,操作步骤是什么,在什么情况下可以使用,学生对科学方法才不会感迷茫,才能够掌握科学方法.

当然,科学方法教育也不能一步到位.科学方法教育应当有递进关系.例如第一次讲某种科学方法时,可以先介绍这种方法叫什么,操作步骤大致是什么,是在什么情况下使用.再次遇到时,强化学生对该方法的认识,加深他们对科学方法的理解.但是无论如何,显化科学方法应该是科学方法教育的必由之路.

3 显化科学方法的思路

明确科学方法及其分类是显化科学方法的前提.关于科学方法的体系与结构,国内物理教育工作者已经从不同角度进行了研究与探讨,例如浙江省物理教学分会提出了方法的4个方面:物理方法、数学方法、逻辑方法和哲学方法;上海市张民生先生建立了一个科学方法内容框架;首都师大乔际平先生按照与物理知识相对应的原则曾总结了5种规律方法:实验归纳法、物理图像法、猜想法、理想实验法和逆向思维法.

虽然理论各有异同,但是有一个共同的特点,就是并不是所有科学方法都是同等的,它们之间是具有一定的层次关系的.有的科学方法只在思维层面上说明了方法的基本思路,而没有给出具体的、可操作的步骤,称思维方法.有的科学方法不仅在思维层次上给提供思路,更在操作层次上提供具体操作步骤,物理学中的这种方法称为物理方法.例如“归纳与演绎”法只提供我们应当从各种特殊的事物中提取共性特征,或者反过来,透过事物的普遍性来看到不同的事物的个性特征,属思维方法;而“演绎推理(或称数学推理、逻辑推理)”则不仅有透过普遍性提取个性的思维过程,还有一个相对明确的操作过程,即根据数学的公理与定律,运用逻辑学的基本范式,在理论上推演出结论,属物理方法.根据科学方法的这种特点可以把物理学科中的科学方法就分为思维方法和物理方法两类.值得提出的是,有的时候一种物理方法对应多种思维方法的过程,而一种思维方法可以为多种物理方法提供思路,所以物理方法和思维方法并不具有简单的上下层次关系.

由于物理方法的可操作性,使得它在教学中能够明确地传授给学生,学生亦能够根据物理方法的操作过程具体解决问题.并且由于物理方法的外显操作非常明确,所以可以很明确地确定物理方法的教学要求,这对于确定科学方法教学内容是非常有利的.因此,在《课标》中加入物理科学方法不仅是必要的,而且是可行的.由于思维方法只提示了解决问题中的一般思路,并没有明确的操作过程,故而它有一种“只可意会,难于言传”的微妙,既不利于教师对方法的要求,又不利于学生通过教师的语言明确领会,因此本文主要讨论物理方法的显化.

物理学的主要内容有实验、概念、规律以及应用等4个方面,每个方面都有一定的操作过程,不同的过程,操作上有很大区别,因此方法上的区别也很明显.根据物理学的4个方面,我们可以划分出方法的5个类别:一般物理学方法、实验方法、概念定义方法、规律总结方法和规律应用方法,其中一般物理学方法指在整个物理学中贯穿的物理学方法,一般以一定的物理学思想为基础,并贯穿于物理学的始终.例如理想化方法,它是以哲学中的个性与共性的理论为基础,排除大千世界各种物体的细小差异,抓住其主要方面进行研究与规律的应用.再如图像法,即是反映了“数理结合”物理学研究思想.依据这样的分类,我们将高中物理学中所应用到的一些典型方法进行归类如下.

(1)一般物理学方法:理想化方法(理想化模型、理想化实验)、图像法、等效方法、对称性方法;

(2)实验方法:控制变量法、补偿法、观察法;

(3)概念定义方法:乘积定义法、比值定义法、类分法、比例系数法;

(4)规律总结方法:实验归纳法、实验验证法、演绎推理法、类比法;

(5)规律应用方法:整体法、近似估算法、极限法.

这样,将高中物理学中的科学方法区分开并建立关于方法的体系结构,如图1所示,其中虚线表示该种类的方法不作主要讨论.

图1

确定科学方法显化方式是显化科学方法的关键.物理规律的得出是依赖于物理方法的,不同于思维方法,物理知识之间的联系很明确,因此所利用的物理方法相对比较稳定.也就是说,对于每一个知识点,都有一种或多种相应的物理方法与之相对应.因此,我们使用对应的方法来找出《课标》中所蕴含的物理方法.倘若我们对每一个知识点做一次对应的话,理论上可以发现得出该知识点所对应的概念或规律所对应的科学方法,因此也就可以将《课标》中所隐含的所有科学方法显化出来.

例如,要对“牛顿第二定律”中的科学方法进行显化,则我们需要对这部分内容的前后知识结构的逻辑关系进行回顾.从牛顿第一定律出发,物体产生加速度的条件是物体所受合外力不为零,因此我们可以猜想加速度a与物体所受合外力F以及物体的内禀属性质量m有关,然后我们需要设计一些定量的实验以验证这些猜想,这是实验验证法.在实验中有三个相互关联的物理量,因此需要先控制住质量m研究加速度a与合外力F之间的关系,再控制住合外力F研究加速度a与质量m之间的关系,这是控制变量法.实验得出的数据需要经过处理才能验证猜想,最简单、最直观的方法是图像法,通过作出两个物理量之间的变化图像得出函数的变化趋势,其中又利用了曲线改直的方法将非线性的加速度a与质量m之间的函数图像改成线性的加速度a与质量之间的函数图像.以上可以得a∝F和a的结论.将两者综合起来,得出F=kma的关系式,并在国际单位制中取k=1,最终得出了F=ma的表达式,这就应用了比例系数法.可见这一部分中主要使用的方法有5种:实验验证法、控制变量法、图像法、曲线改直法和比例系数法.因此我们确定“牛顿第二定律”与实验验证法、控制变量法、图像法、曲线改直法和比例系数法相对应.

只有这样将科学方法显化之后,科学方法就可以像科学知识那样,从《课标》到教师,从教师到学生,使学生接受显性科学方法教育.只有这样,我们的物理教育才不会事倍功半,才不会存在科学方法教育的缺失问题.

1 中华人民共和国教育部.高中物理课程标准.北京:人民教育出版社,2003.

2 赵凯华.定性与半定量物理学.北京:高等教育出版社,2008.

3 陈清梅.物理教学中科学方法教育的研究(学位论文).北京:首都师范大学,2003.

4 陈清梅,邢红军.物理教学中主要科学方法教育内容的研究.中学物理教学参考,2006(7).2-4

5 邢红军,陈清梅.论中学物理教学中的科学方法教育.中国教育学刊,2005(8):33-36

6 浙江省教育学会中学物理教学分会.高中物理方法教育研究.杭州:浙江教育出版社,1995.

7 张民生.中学物理教育学.上海:上海教育出版社,1999.

8 乔际平等.实践物理教材的选择与分析.北京:高等教育出版社,1993.