物理实验教学应重视科学方法显性教育

左祥胜

摘 要：物理实验教学中通过挖掘隐藏在教材中的科学方法并将其显示出来，有助于学生了解知识的来龙去脉，准确把握问题的实质，能够迅速找到解决问题的方法。不但能使学生的实验能力及分析问题的能力得到加强，促进学生良好思维品质的形成，而且还能提升学生学习物理的兴趣与自信心。

关键词：高中物理；实验；科学方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）6-0012-4

1 高中物理科学方法教育的现状

《高中物理课程标准》在培养目标中明确提出“高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养，从“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度与价值观”等3个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。也就是说“过程与方法”与“知识与技能”“情感、态度与价值观”一样，是新课程的重要维度，是教学中必须重视的环节。然而，当前物理学科科学方法教育形势不容乐观。一是受物理教材的影响，科学方法以隐性方式存在于教学内容中，需要教师自己挖掘，这样不可避免地导致教师将科学方法教育放在次要位置。二是受应试教育的影响，教师对“知识与技能”维度过分虔诚，认为学生只要考试能考高分就行了，方法掌不掌握无所谓，对科学方法教育意义的重要性认识不够清楚。表现在实际教学中要么没有进行科学方法教育，要么讲解不到位。这种现象在高中物理实验教学中尤为突出。

2 物理实验中科学方法显性教育的必要性

“师者，所以传道授业解惑也。”对广大的教师而言，知识的传授固然重要，教会学生掌握科学方法更可使其终身受益。若干年后，学生走出校门，他们对具体物理知识的记忆会逐渐淡化，而真正伴随学生一生发展并持续发挥作用的并不是具体的知识，而是隐藏在知识背后处理物理问题的思想方法。物理学家玻恩曾说：“我荣获1954年的诺贝尔奖，与其说是因为我所发表的工作里包括了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包括一个关于自然现象的新思想方法基础的发现。”科学方法的显性教育，就是教师在进行物理学科教学时，挖掘隐藏在教材背后的科学方法并明确指出科学方法的名称及适用条件，揭示科学方法的形成过程及内涵。以达到理解知识、掌握方法和形成能力的目的，提高学生的物理学科素养，从而形成终身学习的能力。实验在物理学中占有十分重要的地位，物理规律的发现、理论的建立都是以实验为基础的。因此，在实验教学过程中，我们要细化所选取的每一个实验过程，把其中的操作与对应的科学方法挖掘并显化出来，要让学生“知法”“学法”“用法”。只有这样，当学生面对具体问题时，才知道“怎么办”“如何做”，真正达到知其所以然。

3 基于实验科学方法显性教育的教学设计

牛顿运动定律是动力学的核心内容。牛顿第二定律则具体地、定量地回答了加速度与所受外力、质量的关系，是牛顿运动定律的核心。“探究物体加速度与力、质量的关系”，不仅是高中物理实验教学中最重要的实验，也是高考频繁关注的热点实验之一。个中的缘由不仅因为该实验的难度大，数据处理与误差分析复杂，更为重要的是在该实验中渗透了多种研究物理问题的科学方法，是学生进一步学习的基础。因此，在实验教学中，显化科学方法教育是必要的。

3.1 确立实验对象各物理量之间关系所用的科学方法

猜想与假设

所谓猜想与假设就是人们运用科学思维，根据已知的事实材料，对未知的事物及其规律所作的推断和假定性的理论形态，猜想与假设是没有经过实践充分证实的理论，是一种复杂的理论思维形式。

加速度是描述速度变化快慢的物理量。物体速度的改变即运动状态的改变，所以，我们也可以这样认为，加速度是描述物体运动状态变化快慢的物理量。物体加速度的大小与它受力的大小有关。例如，竞赛用的小汽车，虽然质量与一般的小汽车相仿，但因为安装了强大的发动机，能够获得巨大的动力，可以在四五秒内从静止加速到100 km/h。同时，物体加速度的大小与物体的质量也有关。同样动力的小汽车与满载货物的货车，从静止加速到100 km/h，小汽车只需十几秒钟，而满载货物的货车加速就慢得多。因此，物体加速度（a）的大小不仅与物体的质量（m）有关、也与物体所受的外力（F）有关。并且，通过日常生活经验我们有这样的直觉，物体加速度的大小有可能与物体所受的外力成正比，与物体的质量成反比。

控制变量法

所谓控制变量法就是把多变量问题变成多个单变量问题。即每一次只改变其中的一个变量，控制余下的变量不变，研究被改变的这个变量对事件的影响，最后再综合解决的方法，叫做控制变量法。控制变量法是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。

物体加速度（a）的大小不仅与物体的质量（m）有关，也与物体所受的外力（F）有关。那么，如何研究加速度（a）与力（F）、质量（m）到底有怎样的定量关系呢？在这里，涉及3个物理量之间的关系，物理学中对于多变量的问题，常常采用控制变量的方法。必须先控制其中的一个量不变，研究余下两个量之间的关系。即先控制m不变，研究a、F之间关系，接着控制F不变，研究a 、m之间的关系。

3.2 实验环境所用的科学方法

补偿法（平衡摩擦力）

所谓补偿法就是运用某种技术手段，对研究对象因为种种不可抗拒的原因，使实验所需要满足的条件受到破坏，所受到的影响加以弥补，就会使实验得到较好的结果，这种方法称为补偿法。

实验中，怎样才能提供并测量物体所受的恒力？现实中，除了在真空中抛出或落下的物体（仅受重力）外，受一个力作用的物体几乎是不存在的。然而，一个单独的力的作用效果跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此，实验中力的含义可以是物体所受的合力。本实验中，物体在运动过程中所受到的摩擦力是不容易测量出来的。并且当物体质量改变时，运动物体所受到的滑动摩擦力也随之改变。因此，我们可以抬高长木板的另一端（图1），让小车的重力沿斜面方向的分力来抵消掉滑动摩擦力的影响（平衡摩擦力）。mgsinα=μMgcosα，μ=tanα，在数学变形中我们发现，平衡摩擦力只需要平衡一次摩擦力就可以了（与小车的总质量无关），当小车和钩码的质量改变时，无需再次平衡摩擦力。

近似法

所谓近似法就是人们在观察物理现象、建立物理模型、推导物理规律和求解物理问题时，为了认识所研究问题的本质属性，往往突出实际问题的主要方面，忽略某些次要因素，使其成为理想化模型后进行近似探讨，这种方法叫近似法。

3.3 实验数据处理及得出实验结论所用的科学方法

图像法

所谓图像法就是将数据之间的关系用图像表示出来，直观地反映物理量的变化规律，便于进一步研究实验结果并求出某些物理量、建立关系式。用图像法处理数据时有以下要求。①恰当选择坐标，尽量使图像“线性化”；②合理选择坐标原点，恰当选择单位；③准确描绘图线；④对图线的斜率、截距、极值以及曲线下面积的物理意义，要作出正确解释。图像既给作图带来方便，又便于分析实验结果。

实验归纳法

所谓实验归纳法就是从一些特殊的事实中概括出一般性结论的思维方法，是从许多同类的个别事物中找出它们共同点的过程。

通过多次类似的实验，将实验数据描点作图，我们发现a∝F和a∝1/m。现在将两者综合起来，可以得出a∝F/m，即F=kma。在这个关系中，比例系数k的选取就有一定的任意性，只要是常数，它就能正确表示F与m、a之间的比例关系。所以，物理学家当初就规定，当物体的质量是m=1 kg、在某力的作用下它获得的加速度是a=1 m/s2时，F=ma=1 kg﹒m/s2。我们就把这个力叫做“一个单位的力”，即1 N。也就是说，如果质量和加速度的单位分别用“千克”和“米每二次方秒”，力的单位是“千克米每二次方秒”（牛顿）时， k的值就等于1，最终得到了牛顿第二定律F=ma的表达式。

4 反思与总结

教学实践中我们发现：①通过挖掘隐藏在教材中的科学方法并将其显示出来，能使学生了解知识的来龙去脉。不但能使学生快速的掌握知识，而且还能提升学生学习物理的兴趣与自信心。②学生通过“知法”“学法”“用法”，在实验操作中做到“有法可依”。能使学生准确抓住问题的要害，迅速找到解决问题的方法，实验能力及分析问题的能力进一步加强。③科学方法显性教育，有利于促进学生良好思维品质的形成，创造性思维能力和创新意识得到了发展。因此，我们有理由相信，随着新课程改革的不断深入，教师“学法”“用法”的意识加强，科学方法显性教育将会得到越来越多教师的共鸣，必将开辟物理教学的一片新天地。

参考文献：

[1]张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

[2]邢红军.高中物理科学方法教育[M].北京：中国科学技术出版社，2015.

[3]物理课程教材研究开发中心.物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2015.

[4]物理课程教材研究开发中心.物理（必修1）教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2009.

（栏目编辑 赵保钢）