知识应用过程中的物理科学方法研究①

赵维和 邢红军

(首都师范大学物理系,北京 100048)

在物理课程改革中,科学方法的重要性一再受到重视.最新的普通高中《物理课程标准》总目标指出: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.这大大提高了科学方法在物理教学中的地位,为广大的物理教育工作者指明了方向.

但是,我们也应当看到,科学方法教育研究仍然有很多欠缺,其中一个重要的问题就是:对知识应用过程中的物理科学方法研究不足.大多数学者把精力主要用在了知识获得过程中的科学方法上,而没有用在知识应用过程中的科学方法上,忽视了这类科学方法的作用,认识不到它们在培养、提高学生能力方面所具有的重要价值,这不能不说是一种缺憾.

本文对知识应用过程中的物理科学方法进行了研究,在其他学者的研究基础上深化了对科学方法的分类,显化了部分高中物理知识应用过程中常见的科学方法,并且对不同类型的科学方法教学进行了研究.

关于科学方法的分类问题,国内观点众多,比如浙江省物理教学分会指出了科学方法的4个方面:物理方法、数学方法、逻辑方法和哲学方法,乔际平先生等在《物理教育心理学》一书中指出了科学方法的3个层次:具体方法、逻辑方法、分析解决问题的方法.

我们从思维形式具有相对独立性的角度出发,可以把高中常用的科学方法分为两大类:思维方法和物理方法.思维方法是人脑对输入信息进行直接加工和处理的方法,它主要包括分类、比较、分析、综合、归纳、演绎等,思维方法的应用极为广泛,它渗透于物理学习的各个领域.物理方法是在物理教学过程中用来分析、处理问题所采用的途径、步骤、手段等.物理方法又可分为两类,其中与知识获得过程相联系的科学方法我们称之为知识获得过程中的科学方法,例如控制变量法、模型法等.另外一些与知识应用相结合的方法称之为知识应用过程中的科学方法,比如正交分解法、伏安法、逐差法等.

另外,在对知识应用过程中的物理方法的研究过程中,我们发现,这些方法又可以分为两类:其中有一部分方法是物理思想的延伸,这一部分方法我们称之为思想方法,例如等效法就是一种思想方法,它是对等效思想的应用.除此之外,还有图像法、极限分析法、微元法、模型法等.还有一部分方法是解决具体知识过程中应用的方法,我们称之为具体方法,比如正交分解法,它的具体步骤为:(1)明确研究对象(或系统);(2)了解运动状态;(3)进行受力分析(按顺序,场力、弹力、摩擦力);(4)建立坐标,对力进行正交分解;(5)立方程求解.除此之外,高中常见的具体方法还有伏安法、逐差法等.这两种方法具有截然不同的特征,其中思想方法是对物理思想的应用,具有较强的概括性、迁移性,应用十分广泛.而具体方法操作性较强,在问题解决中具有直接的效力.

笔者采用对应的方法,结合自己的教学经验,对高中物理知识的应用过程进行了深入分析,显化了部分重要的物理方法,具体如表1所示.

表1 高中物理知识应用过程中的常用物理方法对照表

牛顿运动定律研究物理量之间的相互关系 控制变量法 思想方法研究两个物理量之间关系 图像法 思想方法验证牛顿第二定律 等效法 曲线改直法 思想方法连接体问题 隔离法 整体法 思想方法曲线运动类平抛问题 部分复合场问题 等效法 思想方法研究物体的实际运动速度及轨迹 运动合成法 具体方法研究物体的两个方面的运动效果 运动分解法 具体方法机械能重力功问题 等效法 思想方法变力功问题 微元法 思想方法动量 验证动量守恒实验 等效法 思想方法机械振动 机械波类单摆问题 等效法 思想方法简谐运动 简谐波的研究 图像法 思想方法波动图像研究 上下坡法微平移法临近点法 特殊点法 具体方法热学分子大小和分子间距的计算 理想化模型法 思想方法单分子油膜法测分子直径 估算法(填补法)具体方法处理永动机的存在问题 假设法 思想方法电场电场中平面上的等势线 描迹法 具体方法电势的求解 补偿法 叠加法 思想方法恒定电流电阻测量 伏安法(内接法 外接法 限流式接法分压式接法)具体方法电路图分析 等效电路法 思想方法电阻测量 等效法(替代法)思想方法含滑动变阻器的电路分析 极限法 思想方法电路故障分析 假设法 思想方法输出功率分析 解析法 思想方法磁场 交变电流电磁场和电磁波不规则导体切割磁感线产生的电动势的计算及部分电磁感应综合问题等效法 思想方法交变电流描述 图像法 思想方法光学 光路分析 图像法 思想方法

通过表1的分析,我们可以看到,科学方法集中分布在力学、电磁学部分,而在其他章节的分布较少,这两部分应成为科学方法教育的主阵地.另外,图像法、等效法、假设法、极限分析法出现的频次较高,这些方法应成为科学方法教育需要攻克的主要堡垒.

在具体的教学过程中,各类科学方法应区别对待.一般地说,科学方法教育有“隐性”和“显性”两种方式.隐性方式重在使学生感受科学方法,受到科学方法的启蒙和熏陶,初步体会到科学研究的方法和策略.这种方式比较适合在对学生进行科学思维方法训练时使用.显性方式重在解决问题中模仿应用科学方法,对科学方法进行操作训练,使学生有意识地掌握科学研究的方法和策略.这种方式适合于在学生对这种科学方法的感性认识较丰富的前提下,有目的有意识地培养学生解决科学问题的能力时使用.我们认为,对于思想方法,应以隐性教育为主,显性教育为辅.这样做的原因,一方面是因为思想方法比较抽象,学生缺乏必要的感性认识,直接显化难度较大.另外一方面是由于思想方法应用较为广泛,我们没必要处处显化.比如等效法的教学,一开始只需要让学生感性认识到等效法的存在,能够模仿例题解决一些简单问题就可以了.等学生的感性认识积累到了一定的程度,“呼之欲出”的时候,就可以设一个专题,系统的讲解等效法的思想、解题策略等等.而对于物理方法,则应以显性教育为主,隐性教育为辅.物理方法比较直观,操作性强,且出现频次相对较少,比较适合显性教育模式.比如正交分解法的教学,初次出现的时候,就应明确告诉学生正交分解法的名称、适用对象、适用范围、操作步骤等等,为后续的知识应用阶段的学习做准备.

思想方法和具体方法在教学上的区别还在于,思想方法教学的重心在于对物理思想的理解,这种理解达不到一定的深度,是不可能真正掌握思想方法的.而具体方法则要特别注意练习的重要性,也只有在反复的练习中,学生才能掌握具体方法的适用条件、操作步骤,最终达到熟练化的目的.

冯忠良教授指出“应用是知识掌握不可缺少的一个阶段”,科学方法的学习更是如此,不经过应用这个阶段,学生对科学方法的认识就只能处于一个肤浅的层面上.另外,在当前的教育形势下,学生习题课在总课时中所占的比例,要远远大于新授课所占的比例,这就为知识应用过程中的方法教学提供了时间优势.因此,我们要充分重视知识应用过程中的科学方法的教育价值,让学生在不断的实践中认识科学方法、掌握科学方法,在不断的实践中提高自己的科学素养.