高中物理概念建立中科学方法的显化研究

段俊霞 张昌印 袁本利

☆专题：物理科学方法教育②☆

高中物理概念建立中科学方法的显化研究

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在新一轮高中物理课程改革中，科学方法教育被提到与知识教育相提并论的高度，也就是说，科学方法跟科学知识一样成为课程的重要内容。鉴于此，本文深入研究高中物理概念建立过程中的科学方法显化教育。

一、物理概念建立中的科学方法

科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式，是人们认识自然和改造自然的有效工具。物理概念是物理现象、物理过程的概括化和抽象化的思维形式，是物理学习或物理思维的基本单位，是物理基础知识最重要的内容。那么两者之间存在着什么样的逻辑呢？

有研究认为，科学方法支配着知识的获得和应用，科学方法是与科学知识平行的独立体系。因此，显化物理概念建立过程中所包含的科学方法，让学生在学习物理概念的过程中领悟其中的科学方法，就成为一项很有意义的研究。

显化物理概念建立过程中所运用的科学方法，首先就要找出概念形成过程中都具有哪些科学方法。已有研究指出，高中物理常见的概念定义方法有乘积定义法、比值定义法、比例系数法、直接定义法。这些科学方法在高中教材各个系列中出现的次数，见表1：

表1 高中教材中科学方法统计表

由表1可以看出，比例系数法仅在必修系列中出现，可以暂不做深入的研究。而比值定义法和乘积定义法则是高中阶段常用的两种定义方法，定义物理概念的方法以及方法的逻辑内涵往往在中学教材和教师讲解中被忽略了，或者以错误的方式呈现给学生。许多物理概念的定义其实只能起到如何量度该物理量的效果，但是反映概念本质的物理思想却并没有体现出来。应该强调指出的是，这种方法的本质在教学中是很有必要让学生明白的。因此，本文着重对两种定义物理概念的科学方法的逻辑内涵进行显化研究。

二、比值定义法的教学逻辑

比值定义法就是用两个或两个以上物理量的比值去定义另一个物理量的方法。比值定义法的基础是比较，就是要确定研究对象之间的差异点和共同点。既然要比较就要明确比较的统一标准，只有比较的标准统一，比较才有意义。所以比值定义法采用两个或者多个物理量相比，就是在比较时选取相同标准的一个基础。高中物理概念的建立中用比值定义法来定义的概念有很多，比如速度、加速度、功率、电场强度、磁感应强度等。这些物理概念在定义的时候所用方法的本质都是寻找统一的比较标准。

电场强度是高中电磁学部分重要概念之一，也是整个高中物理教学中重要的物理概念。但是高中教材或者教师讲解时并没有对电场强度这个概念的本质以及建立这个概念的逻辑讲清楚。本文以电场强度概念的建立为例来分析用比值定义法建立这个概念时的逻辑过程。

我们知道电场明显的特征之一是对电场中其他电荷具有力的作用，而要描述这个作用力就需要引进新的概念，新概念的引入是从研究电荷在电场中所受的静电力入手的。其基本思想就是用电荷在电场中所受静电力的大小来表示电场的强弱。但是这种方法会出现以下三种情况：

(1)在电场中同一点(如A点)放不同量的电荷，这样不同电荷受到的电场力是不相同的。

(2)在电场不同位置(如A、B两个位置)放置相同的电荷，这样电荷受到的电场力可能相同也可能不相同。

(3)在电场不同的位置(如A、B两个位置)放置不同的电荷，这样电荷受到的电场力也是可能相同也可能不相同。所以单纯用电荷在电场中所受的电场力没有办法来表示电场的强弱。因为电荷量q不相同，位置也不相同，所以电场力比较的标准实际上是不一样的，所以这种比较是没有意义的。

以上三种情况可以归结为两类问题：第一是放置电荷的位置不相同，这个问题比较容易解决，我们只要把电荷放置在同一个位置就可以了。第二是电荷所带的电荷量不同。电荷所带的电荷量不相同，那么电荷所受到的电场力就不相同，也就没有办法比较。为了解决这个问题，我们就要选取相同的标准来比较。统一比较标准的办法就是统一电荷量，即让电荷在电场中所受到的力F比上该电荷量q。因为比的结果就是单位电荷在电场中所受到的电场力，这样就解决了电场力比较标准不一致的问题。这时候我们得到一个比值F/q，该比值就可以用来表示电场中某一点的电场强弱。

然而，与定义电场强度的初始出发点不同的是，我们发现对于电场中特定的一点来说，这个比值F/q是既与电场力无关也与检验电荷无关的常量，它只与电场本身有关，可以表示电场的强弱。我们把检验电荷在电场中某点受到的电场力F与电荷q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强，用E表示电场强度，写成公式是E=F/q。这就是电场强度的最终定义式。

以上是用比值定义法的本质来定义电场强度的教学逻辑，定义的出发点就是要找一个比较标准，但到最后却得到了意外的收获。这样不但把比值定义法的本质讲清楚了，同时也把电场强度概念的来龙去脉和本质讲清楚了，达到了方法与知识并重，显化方法的目的。

三、乘积定义法的教学逻辑

乘积定义法的本质是积累，是某一个物理量在另一个或者几个物理量上的积累。所以用乘积定义法定义的物理概念其量的大小都是由两个或两个以上的因素决定的。所以，要让学生明白用乘积定义法定义的概念是哪个物理量对什么积累的结果。在讲这一类概念的时候，首先要明确我们所要解决的问题，然后解释用积累的思想来解决，最后得到新的物理概念。学生在这个过程中也就明白了新定义的这个物理概念的含义，以及新概念的定义式中各个物理量的具体含义。高中常见的用乘积定义法定义的概念有功、冲量、动量等。这些物理概念在定义的时候都用到了积累的思想。

有些物理概念虽然运用了乘积的思想，但是并不是由乘积定义法直接定义的，也不能单纯从概念的定义式本身来体会其中积累的思想。因此，如果我们想要更深刻地理解这个物理概念的话，就需要从不同的角度来挖掘这个概念的本质。比如动量概念：动量是高中物理中研究机械运动的重要概念之一，它是对物体机械运动的量度，是描述物体机械运动的一个状态量，其表达式是P=mv。但是想要更深入地理解动量概念的本质，就需要从动量定理的角度来分析，用乘积定义法的思想来理解。

动量定理的内容为物体动量的增量等于它所受合外力的冲量，即Ft=Δmv。对于一个特定的物体来说，它的动量发生变化换一种说法就是速度发生了变化，即物体的运动状态要发生改变。牛顿运动定律表明物体运动状态发生变化是因为合外力不为零，物体在合外力的作用下经过一段时间速度发生改变，也就是动量改变了。所以动量的变化就反映了力在某一段时间内的持续作用，即力对时间的积累效应。这也正是乘积定义法的本质所在。

动量的变化量Δmv与动量mv的单位是一样，也就是说动量的变化量与动量描述机械能的量纲是相同的。如果我们让一个静止的质量为m的物体在力F的作用下经过时间t获得某一速度v，即物体的动量增加了mv。那么物体的动量就是从时间的角度度量机械运动，它表示的就是力的积累效应，其关系由动量定理Ft=Δmv反映。

以上教学逻辑反映的不仅仅是动量这个概念，而是动量背后的力学机制以及其中所蕴含的物理本质。这个过程从乘积定义法的内涵出发运用动量定理来深入地分析动量这个概念，这样就很好地把乘积定义法融合到了教学过程中，用显化的科学方法组织知识教学。

如果根据用比值定义法和乘积定义法的内涵把重要概念的本质讲清楚了，学生就能够很好地理解电场强度和动量所表达的深层含义，并且在这个过程中学会了如何运用科学方法。这样在学习同类概念时能够更容易、更深刻地理解。一旦遇到类似但是对学生又是陌生的实际问题时，就能从大脑中提取相关的科学方法去思考。因此，所谓显化科学方法不是讲科学方法的名称和内容，而是要把科学方法在概念教学中的逻辑讲明白，这样才能达到科学方法显化的目的。

[1] 乔际平,邢红军.物理教育心理学[M].广西:广西教育出版社,2002.

[2] 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,2005,8:33-36.

[3] 肖骁.高中物理课程标准中物理方法的显化研究[D].首都师范大学硕士毕业论文,2009,4.

[4] 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[M].浙江:浙江教育出版社,1995.

[5] 李正福,李春密,邢红军.物理教学中的科学方法显性教育[J].教育科学研究,2011,1:54-57.

段俊霞，在读硕士研究生。张昌印，本科。袁本利，本科，中教一级。

1.首都师范大学。2.湖北省郧西县上津镇二中。3.湖北省丹江口市第一中学。

本文系北京市“十一五”规划教育科学重点课题“高中物理科学方法教育内容显化的理论与实践研究”成果(编号:ABA08010)。