以科学方法引领初中重点物理知识的教学

高 飞 邢红军

1.北京市第九中学初中部 北京 100041

2.首都师范大学 北京 100048

以科学方法引领初中重点物理知识的教学

高 飞1,2邢红军2

1.北京市第九中学初中部 北京 100041

2.首都师范大学 北京 100048

采用知识与方法对应的方式，提炼初中物理教材中的科学方法因素，将科学方法作为知识的脉络去组织教学，进行显化科学方法教育。这种以科学方法引领重点物理知识的教学方式，能够促进学生对知识的理解和应用，可以更好地发展学生的能力，有助于提升学生的科学素养。

物理课程重视科学方法，将科学方法纳入物理课程体系。进行科学方法教育，是新课程改革背景下物理教学的应有之意。本文提出以科学方法教育引领初中重点物理知识教学，采用知识与方法对应的方式，提炼教材中的方法因素，将科学方法作为知识的脉络去组织教学，进行显化科学方法教育。

一、回归“方法本质”，显化科学方法内在逻辑

科学方法具有把不同的物理知识联系起来从而形成知识结构的功能，它是理解知识的纲领和脉络。进行科学方法教育的前提，就是要探寻方法的内涵，理解方法的本质。以初中物理重点知识密度、功等为切入点，分别显化比值定义法和乘积定义法的内在逻辑，从而给初中物理科学教育以有益的启示。

1.密度——比值定义法

在初中物理教学中，比值定义法是定义物理概念常用的方法之一。它适用于物质属性或特征、物体运动特征的定义，利用一个只与物质或物体的某种属性特征有关的两个或多个可以测量的物理量的比值来确定一个表征此种属性特征的新物理量。

密度是初中物理的重点内容之一，通常的教学设计采取测量出几种不同物质的质量和体积，记录数值，然后分别计算出质量和体积的比值，最后分析数据得出“同种物质的质量和体积之间的比值是恒定的，不同物质的质量与体积之间的比值是不同的”的结论，从而引入密度的概念。但是这样的设计，忽视了比值定义法运用中的一个关键问题——为什么要用两个物理量相比来定义一个新的物理量。这一种处理的缺陷在于并没有揭示出比值定义法的本质。

实际上，比值定义法本质是比较的思想，这种思想在日常生活中早有体现，所以可结合生活实际，揭示比值定义法的实质。可以这样进行设计：“妈妈买了8斤苹果，花了17.6元钱；爸爸花了22.5元买了9斤香蕉，小明想知道是苹果还是香蕉贵？你会怎么办？”学生会直接想到计算出每斤的售价，即价钱与重量的比。而进一步思考，就是在相同的标准下再做比较。受到这样的启示，对于解决“不同物质的质量与体积的关系”问题就要选取相同的标准，自然想到要计算出质量与体积的比值，即比较单位体积的质量；计算后发现：不同物质，比值不等，相同物质比值相等。为描述物质的这种属性，引入了密度的概念。

2.功——乘积定义法

乘积定义法是用几个物理量的乘积定义一个新的物理量，其中相乘的几个物理量均为被定义物理量的决定因素，这种方法所定义的物理量与其他各物理量都有关系，并会随着其他各物理量的变化而变化。

功是乘积法定义的一个典型例子。多数教学往往从一些生活情景中找出具有共性的决定因素，发现如果在力的方向上有移动距离，这个力就对物体做功；而对于力和在力的方向上移动的距离这两个物理量，相加或相减显然量纲上不允许，相除与效果矛盾，所以就将力与距离的乘积定义为功。但对于为什么相乘，却欲言又止，说不清楚。

究其原因，是在教学中没有强调乘积定义法的内涵。追溯其本质，还要起源于数学上的乘法运算，相同的数据累加起来的和可以用这个数乘以出现的次数，乘积体现的是一种累积的思想，所以，乘积定义法本质上是一种积累效应，这种积累可以是任何物理量的积累，可以是其对时间的积累或是在空间上的积累，具体到功是力对空间的积累。这种积累效应，如果用数学来衡量，不只简单表现于宏观上看似一个物理量在另一个物理量上的直线变化，也不是坐标图上某一点的累计，而是它带动的整个平面面积的扩大。

力对空间的积累效应，从物理学的角度认识，是人们在认识能量的历史过程中，建立了“功”的概念，如果一个力对物体做了功，物体在力的作用下就会发生能量的变化。这种积累，也是能量的一种蓄积，是从量变到质变的过渡过程。

二、关注“知识生成”，显化知识获得路径

科学方法不仅是理解物理知识的纲领和脉络，而且它还是获取物理知识的途径和手段，根据科学方法中心的知能结构图，物理知识的获得途径为：实验事实→科学方法→物理知识（概念、定律等）。显然，只有通过科学方法的参与，才能使客观存在的物理知识上升为理论形态。科学方法的显性教育，更能揭示科学方法的本质与科学方法的操作过程。显化物理知识的形成过程，就是基于科学方法中介的认识路径。

1.液体内部压强规律——演绎推理法

所谓演绎推理法就是指人们以已知的客观规律为依据，推知未知规律的方法。是由一般到个别的认识方法。比如液体内部压强规律就是运用演绎推理方法推导得到的物理规律。取液体内一圆柱形液柱作为研究对象，当液柱静止时，由二力平衡得到，下表面受到的向上的压力F与液柱所受的重力G的大小相等，即F＝G（大前提）,又压力F＝pS，重力G＝ρgSh（小前提），得到p＝ρgh,计算液体内部压强大小的计算公式（结论）。

在教学中可以采用如下的显化方式，让学生对知识和方法有较深刻的认识：理想液柱 二力平衡（F=G）→演绎推理法(F=PS,G=ρgSh,等量代换)→液体内部压强规律p＝ρgh。

另外，教学方式要同学生的不同认知发展阶段恰当配合，才可收到较好的教学效果。根据皮亚杰的认知发展阶段论，初中学生处于具体运算阶段向形式运算阶段的过渡阶段，这个阶段的少年，能够借助具体形象进行逻辑推理，但还不能从逻辑上考虑现实情景，所以现阶段的演绎推理是在教师具体抽象的前提下进行的，如本例中的“取液体内一圆柱形液柱作为研究对象”。

2.阿基米德原理——猜想验证法

结合生活实际进行合理猜想，设计实验实施科学验证，再经分析最终得到科学结论，这种研究问题的方法就是猜想验证法，有些重点规律都是由猜想引起，并通过实验验证得出的。

浮力是初中物理力学中的重要概念，“阿基米德原理”是测定物体在液体中所受浮力大小的基本原理。下面以“阿基米德原理”为例，来谈学习猜想验证法的显化途径。

教师首先创造问题情景，并提出“浸入液体中的物体受到的浮力与哪些因素有关？”学生结合生活中的现象进行合理猜想：根据生活中游泳的经验，猜想浮力大小可能与物体的体积、物体浸没的深度、液体的密度有关；根据曹冲称象的故事猜想到可能与物体排开液体的体积有关；根据石头和木块一同落入水中时，常常见到石头沉底而木块漂浮，猜想浮力大小可能与物体的密度有关；又可以继续猜想到浮力大小是否与物体的形状有关等。

多个因素都可能对浮力大小有影响，就必须设法把其他的因素人为地控制起来，保持不变，只改变剩下的一个因素，从而知道浮力是否与所改变的因素有关，也就是所谓的“控制变量法”。经过验证，影响浮力大小的因素有液体的密度和物体排开液体的体积，而两者结合起来可以计算物体排开液体的质量（重力），进一步猜想到浮力的大小是否等于物体排开液体的重力，设计实验，收集物体排开的液体，经测量可发现：浸在液体中的物体受到的浮力等于它排开液体所受的重力。教师继续揭示，这就是著名的阿基米德原理，也同样适用于气体。

三、注重“迁移应用”，显化科学方法教育功能

一个方法对应于很多知识的获得，那么，就可以应用已学习的科学方法去研究那些尚未研究过的事物，进行有效的迁移，即运用科学方法合乎逻辑地推导出新知识，彰显科学方法的教育功能。既让学生在运用中感受到科学方法的逻辑力量，也加强他们发展知识的能力，为提升科学素养和创新精神奠定基础。

比值定义法：在压强、功率、电流等概念的建立中采取的都是这样的方法。应用比值法定义的物理量，依据其意义的不同，还有两种类型：一类是两物理量的比值是个常数，如电阻、密度等，比值反映的是物质的性质，与两个物理量都没有关系；另外一类基于控制变量的思想，如压强、速度、功率、电流等，比值反映的是效果，受两个物理量的影响。但无论哪一类，其本质都是取相同的标准进行比较。

乘积定义法：力在空间的积累被定义为功，在时间上的积累就是冲量；电功、电热、热量等概念采取的都是乘积定义法，是电流在时间积累的不同效应。但以上不同物理量的共同特点，都是过程量，本质上是一种积累效应。

演绎推理法：如在推导连通器原理时，取容器底部一理想液片，根据平衡分析左右两端压力相等F左＝F右，利用F=pS，导出压强相等(P左=P右)，再依据P=ρgh，得到“装有同种液体时液面总相平”的结论；再如，串、并联电路电阻关系，以并联为例，用如下的演绎过程更能显化演绎推理法的逻辑力量：

猜想验证法使用的频率更高一些，在探究影响串并联电路的电流、电压、电阻的关系；影响电磁铁磁性强弱的关系；液体压强的影响因素；杠杆平衡条件；影响蒸发的快慢的因素；影响动能、重力势能的因素都有体现。提出合理的猜想后，在验证过程中，常常体现出多种科学方法的交叉应用，如会用到控制变量法确定研究方案，对实验结果进行分析综合，利用归纳法得出结论，等等。

四、结束语

在课堂教学中，教师的教学重点应当是把握科学方法这条主线。不论是概念教学还是规律教学，都要牢牢抓住科学方法，以重点知识的教学为切入点，进行科学方法的显化教育，并在其他新知识的教学中有目的地实现科学方法的有效迁移，将科学方法的掌握植根于每一个物理知识的获得过程中，从而让学生感觉到科学方法教育的真实性和实在性，这样既能加深对物理知识的把握，又能落实科学方法教育。

[1]邢红军，陈清梅.论中学物理教学中的科学方法教育[J].中国教育学刊，2005，8

[2]陈清梅，邢红军，李正福.论物理课程改革背景下的科学方法教育[J].课程•教材•教法，2009，8

[3]胡卫平，孙枝莲，刘建伟.物理课程与教学论研究[M].北京：高等教育出版社，2007

[4]张大均，郭成，余林.教育心理学[M].北京：人民教育出版社，2008

[5]王伟.“控制变量法”在初中物理教学中的应用[J].中国教育科研与探索,2008

2010-11-11

高飞，硕士，中教二级。邢红军，博士，教授，硕士生导师。

北京市教委人文社会科学项目“义务教育物理科学方法教育内容显化的理论与实践研究”（编号：SW200910028009）。