物理学思维方法在大学物理教学中的应用

毛强

（宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州234000）

大学物理教学一个非常重要的目的就是要培养和提升学生在专业技能、学习方法、学习态度以及情感、价值观等方面的科学素养，为学生终身发展、面对现代社会中的实际需求以及应对未来社会发展需要打下坚实的基础。然而在实际教学中经常发现，有相当一部分学生在完成大学物理课程学习后，大脑中只留存一些琐碎的物理知识概念、物理名称以及一些解题技巧，对于科学思维方法的理解和运用更显不足，显而易见并没有达到大学物理教学的目的。怎样才能让学生在学习掌握物理知识的同时又能深刻理解和运用物理学思维方法，提升学生的科学素养，实现大学物理课程教学的目的呢？这是一个非常值得去深究的课题。本文针对物理教学中科学思维方法教育理论的构建以及在大学物理教学中融入物理科学思维方法教育的方式和途径进行了分析和探讨。

1 物理教学中科学思维方法教育理论的构建

物理学中的思维方法有：并列对称、逆向思维、等效假设、等价转换、依次简化、显微迭加、共轭互补、类比思维、无限延伸等[1-6]。充分利用物理学中的思维方法，可以让学生学会思考，用彼知识解决此知识。而这种思维方法的培养需要科学合理的理论构想和清楚明确的理论应用思路，需要将科学方法融入到大学物理实际教学过程中，进而正确引导学生学习物理知识，引领学生进行物理活动，同时归纳出既具有代表意义的物理教学规律。

通常情况下，物理学科的基本知识涵盖了物理概念、定律、基础理论、方法和以上几者间的关系。早在上世纪50年代，美国哈佛大学物理学教授霍尔顿就曾提出了物理学知识能力结构模型，即物理学中的基础内容是通过实验(事实)、物理思想(逻辑、方法论等)、数学(表述形式或计量公式)三方面构成。基于此观点，逐渐形成了一种以物理知识能力为核心的教学理论并写入了物理教学法教科书中。此种教育理论的物理学知能结构如图1所示：

图1 物理学知能结构图

此物理学知能结构图由5个区域构成，即上(实验)、下(延伸与应用)、左(科学方法论)、右(数学)、中(核心理论)，在显示出物理学科中对于能力结构要求的同时又体现了我国《普通高中物理课程标准（2017年版）》中提出的“具有建构模型的意识和能力；能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论”[7]这一教学目标。许多高校的大学物理课程标准中对科学思维方法的学习和培养也是重要目标之一。实际上，科学思维方法能传送物理现象与物理知识，是物理认知活动的中间场所，能起到承上启下的作用。也就是说，物理概念、物理规律的教授以及物理理论的具体实践都离不开科学思维方法的介入。因此，学生在学习物理过程中全面了解和学习科学思维方法就显得更加重要。高凌飚教授曾指出“应把方法视为比知识更重要的东西，视为知识的脉络，按照科学方法所展示的路子，去组织教材，安排教学进程”[8]。可以看出能力与方法是相互联系密不可分的，通常来说，人们了解某个事物的方法以及熟练度直接影响了人们完成某方面任务能力的强弱。因此可以认为，在完成任务过程中，其方法运用是直接影响任务完成过程中体现能力的“核心”基础以及重要因素。由此，李正福等[9]重新构建了物理学知能结构图，如图2所示：

图2 新的物理学知能结构图

图2这种新的物理学知能结构主要是以科学方法为中心，与图1表示的以知识结构为中心的物理学知能结构相比较，物理学特征能更好的反映出来，进而能让知识和方法的使用联系在一起。每种科学思维方法都需要进行学科联系或者使用符号语言进行表达，各类方法若能综合在一起则能形成有效的方法论，学习者往往需要在特定的领域内先进行方法论的学习和研究，然后才能在该领域内不断地成长起来。从物理学角度看，思维方法的使用要灵活和科学，从教学效果看，在多数情况下教学效果主要取决于学生对物理知识的学习以及对物理思维方法的理解。

2 大学物理教学中融入物理科学思维方法教育的方式和途径

在基于物理科学思维方法的基础上结合物理实践教学过程，以物理知识为教育载体，通过对学生进行物理学思维方法的培养和训练，使其在知识、能力、素质等方面协调发展是十分必要的。

2.1 明确教学目标，使科学思维方法教育有的放矢

目前在物理教学中普遍存有的一个问题是教师在教学过程中对科学思维方法教育的认知不是很重视，具体表现是在教学实践中只注重内容知识的讲授，没有认识到科学思维方法教学的重要性，或者有的教师能够认识到，但教学过程中却没能注意相关内容的融入，使学生缺乏足够的科学意识，教学效果不明显。所以，这就需要教授者明确在教学过程中科学思维方法教育也是教学的重要目标，需要制定有效的物理科学教学法，加强科学方法教育的融入，让教学方法具有很强的针对性，从而调动学生学习的积极性，让学生做到能认知与理解知识，并能在思考中掌握知识。

2.2 确定教学内容，优化物理知识的学习过程

科学教学方法能使我们拥有更加科学的知识获取手段和高效获取知识的能力，但是在这个过程中需要探知科学教学方法的有效性，它能帮助学生理解知识，更能帮助学生获取知识。学生进行知识学习，就像科学家进行科学研究一样，都要先服从科学的认知，并能从直观逐步走向科学抽象，从现象逐步走向本质。科学思维方法的学习和使用过程，是人们透过现象看本质的过程，也是从抽象开始进入形象的过程。人们从表面看到其本质，特别是对学生进行物理知识讲授的时候，同步的使用物理教学方法，可以从认知的角度对学生的思维方法进行引导，并能在思维过程化过程中，形成科学有效的认知，能让学生的认知能力在整个学习中不断地提升。所以在科学教学方法制定的过程中,需要对教学的内容问题、课程设计和课程评价的实施等进行简要的了解，进而能在课程教学中按照结构的安排开展研究。

2.3 构建良好的物理教学策略，提供良好的学习条件

虽然教育的方式和教学内容是紧密联系的，但教学内容往往由教育方式所决定，教育方式也要服务于教学内容。科学有效的教学方法的使用需要在显性教学方式的使用中，按照目标开展有效的分类，并将教学的内容和策略与之相匹配。如前文所述，物理教学中科学教学方法的使用包含思维方法、物理方法与科学方法三部分，这三部分各有利弊，且要在教学中根据特性开展研究，进而能让学生在不同教学方法的使用中，更好的让教学的策略增强。

2.3.1 利用物理思维进行物理概念教学 思维方法是一种需要训练来达到学习和发展目的的大脑功能。例如进行概括时，便需要剖析各种物理现象，从而寻找出其本质的特征，利用这样的方法便能够有效训练概括能力。物理概念能够有效反应出物理相关概念以及过程本质，是一种具有抽象性特点的总结。物理概念建立在实验和观察的基础之上，需要使用逻辑思维将一些现象中反映出的事物本质以及共同特征进行概况和总结，也是人们使用物理方法开展思维活动的基础。例如在机械振动和刚体运动、力学等相关物理概念中，就是运用分析、比较、抽象等方法进行概括和总结的。建立物理概念需要使用创造性的思维，同时这种思维也是人们研究物理问题所必须要具有的基础思维方式。在进行物理实验观察时，通过一定的背景知识指导，能够有效地对客观事物的特征和属性进行分析，能够利用物理的思维方式，对客观事物所具有的共同属性以及本质进行抽象概括。

2.3.2 在物理知识教学中结合物理方法的教育 物理方法与物理知识间有着紧密的联系，物理知识需要物理方法为基础，同时又需要在物理知识之上提出方法，再结合这些方法进行系统化的分析和推理，以实现物理教学的主要目的。科学方法论教育意义的关键点主要是对学生的智力技能开展有效训练，并在实际的操作中，能理解科学的方法，更能灵活的使用这些方法。例如习题是物理学习中的一个重要环节，在习题教学中要从物理概念的理解和物理方法的灵活应用上入手，使之产生质的飞越，那如何才能完成这次质的飞越，达到理想的教学效果呢，这也是物理教学中一个值得深入研究的问题。若从认识论角度来看其解决方案可表示为图3中的模式图形式：

图3 解决物理问题（习题）的教学模式图

从图3中可以看出正确的思维方式是顺利解决物理问题的关键，同时也决定了解题方法的便捷与否。所以在进行习题教学工作时，对学生进行科学的思维方法的训练就显得非常重要和必要了。

2.3.3 使用科学方法开展物理知识教学 科学方法观进行教学，较为重视传播和消化学习观念，教学过程中，需要教师结合全部物理知识将科学方法观的价值取向、内涵以及现实意义予以明示，通过掌握科学合理的发展走向，并组织学生、引领学生通过相关案例进行讨论，进而增加学生的理解能力和思想感悟。例如，可以通过归纳产生电磁感应的条件，并进行总结，进而求证出利用假设法判定楞次定律本身也并不违反能量守恒定律；在讨论电势能相关知识点时，所采用的是类比重力势能的方法，利用微元法去证明重力做功的多少与物体所经过的路径并没有任何关系等等。

3 结束语

科学的思维方法作为重要的物理学中定性分析各种物理问题的有效方法，在实际教学工作中引导学生学习科学的物理思维方法，有助于提高学生的科学探究能力，促进创新人才的培养，为学生的终身学习奠定良好基础，同时也是对新课程改革中“过程与方法”这一课程目标的具体实施，所以在物理教学中将科学思维方法进行恰当的分类，以合理的形式和方式有机结合到物理教材中，做到真正意义上的将物理科学方法教育落实到教材和课堂教学中。物理学方法论是研究物理学科相关知识以及理论，寻找并归纳物理规律，利用物理知识服务与人类的重要课题，同时也是一项非常复杂、非常繁琐的系统性工程，它所涉及的相关理论以及实践方向非常多。伴随着物理学当中各个领域的快速发展，将会有越来越多的问题需要相关工作者进行深入研究以及探讨。