依托真实问题解决 探索科学方法教育新路径

田成良 祝常法

摘 要：国家课程标准及相关文件中明确提出了发展学生科学思维的要求，科学方法教育对发展学生的思维能力有着重要的促进作用，也是落实物理学科核心素养的重要手段.从上世纪八十年代以来，我们国家已对科学方法教育开展了深入、系统的研究，并取得了丰硕的成果.本文以新课改为背景，探索依托科学方法教育，促进学生素养发展的新路径，论证科学方法教育的传承与创新.

关键词：素养时代;科学方法;传承创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0007-04

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划课题“过程教学导向下的思维发展型课堂建构”（项目编号：CDDB2020207）.

作者简介：田成良（1974-），男，山东泗水人，本科，中学高级教师，北京市特级教师，物理教研员，硕士生导师，研究方向：物理过程教学、物理科学方法教育、课堂教学艺术等;

祝常法（1974-），男，山东金乡人，本科，中学高级教师，山东省特级教师，物理教研员，研究方向：课堂教学研究.

1 已有研究成就

1.1 厘清了科学方法与知识间的关系

对于“方法”这一概念，有不完全相同的理解和定义.通俗地讲，所谓方法，就是为了解决某一个具体问题，从实践或理论上所采取的各种手段或方式的总和.方法起源于人类的实践活动，客观存在的事物、过程本身是无方法可言的.

物理科学方法就是研究物理现象、描述物理现象、实施物理实验、总结物理规律及检验物理规律时所应用的各种手段与方法.张宪魁先生在物理学方法论中指出“科学认识工具就是科学工作者从课题中获取科学认识成果的手段，认识工具可分为两种类型，物质形态的认识工具——科学仪器，以及思想形态的认识工具——科学方法”.邢红军教授结合近代物理学史，梳理了人们在建立物理概念和物理规律中科学方法所起到的重要作用，厘清了生活事实、物理规律、科学方法、数学等之间的内在关系，如图1所示，为系统地认识客观世界，改变认知方式，掌握科学方法奠定了基础.

张宪魁教授在90年代就倡导以“弘扬科学思想，掌握科学方法，树立科学态度”为内涵的“物理科学方法教育”，与“2011年版物理课程标准”提出的三维目标中的 “过程与方法”目标非常吻合.倡导在教学过程中显化科学方法教育，是有效发展学生能力的重要途径，在中学进行了多年的试验研究，并从实践中得到成功的验证.

1.2 建立了系统的科学方法体系

对于科学方法的分类，不同学者有不同观点.张宪魁教授认为科学方法包括常规方法：感性思维方法——观察和实验，理性思维方法——归纳和演绎、分析和综合等逻辑思维的方法;非常规方法：直觉、灵感、想象、猜测和顿悟;另外物理学家的失误以及物理学悖论，在物理学的发展中也具有方法论的作用和意义.由此，勾画出了一套比较完整的、颇有新意的物理科学方法结构体系.首都师范大学邢红军教授认为，物理研究方法包括两方面的内容，一是科学方法，二是思维方法.科学方法与物理学科本身联系紧密，结合了数学物理基础及对应的操作过程;而思维方法与物理学科本身的联系相比科学方法来说并不紧密，它只在思维层面上说明了解决问题的基本思路.浙江义乌中学特级教师吴加澍，把科学方法分为物理方法、思维方法和数学方法，并按表1描绘了知识、方法、能力之间的关系，很有借鉴意义.

1.3 提出了科学方法判断原理

2012年张宪魁教授提出了“物理科学方法存在的基本形式和判定原理”，为教师梳理、分析和开展科学方法教育提供了可借鉴的依据，得到了专家和物理学者的认可.“在物理学知识点的建立、引申和扩展中，知识点以及知识点与知识点之间的连结处，一定存在物理科学方法因素”.物理学的一些知识点，如“电流”“电阻”“电压”等概念，以及“欧姆定律”等规律，它们是客观存在的，是物理现象或过程的本质属性或规律的反映，它们本身是无方法可言的.但是，当引入这些概念并加以定义时，或者在探索规律、总结规律时，必须由人们借助于一定的工具（如实验仪器）、一定的手段（包括人的思维等），通过一定的操作去观察、去发现，这就体现为“方法”.通过实验总结规律时，实验就是方法，知识点的引申或扩展也要运用一些方法.这一命题的确立，为广大物理教育工作者分析任何教材或教学资料中的方法论因素提供了依据，进一步为开展物理科学方法教育奠定了基础.

1.4 开展持久的理论和实践研究

科学方法教育先行者张宪魁教授，历经40年的实践探索，不仅主编了《物理科学方法教育》等专著，2011年在张宪魁教授的领导下，全国240多位高校教师、研究生、中学教师、教研人员、大学生参与编制《物理科学方法教育视频教程》等视频资料，试图以科学的内容、历史的脉络、文学艺术的形式、信息技术的手段呈现科学方法，达到解读“物理科学方法教育”之目的，在全国引起了强烈的反响.张宪魁先生先后组织召开了十一次全国性的物理科学方法教育学术年会，自2010年开始每年一次，成为全国物理学术年会的品牌活动，是中国教育学会、物理教学专业委员会支持下的唯一的、全国性的专业学术性活动，这在全国有很大的影响.其倡导的“知法并行”教学模式已有全国24个省市879位教师主动报名参与，37个学校主动申请作为科学方法教育研究基地，数百个学校进行实践，影响了全国一大批物理名师.

2 目前存在问题

2.1 科学方法教育碎片化，缺乏整合

经过几十年的课程改革，科學方法教育有了一定的影响，上一轮课改中，“过程和方法”作为三维目标中重要的一个维度，引起了广大教师的重视.但实际的物理课堂教学，大部分教师还是只重视知识的落实，科学方法教育只是碎片化地开展，心目中没有一个完整的体系，不利于物理思想的形成.比如，在学习“声音的产生”时，我们用转换法证明发声的音叉在振动，现象明显，通俗易懂.但若只是碎片化地传授转换法，学生并不容易形成转换思想，这需要在后续的学习中系统、有意识地渗透转换法.只有在教师的心中形成科学方法体系，才能做到有的放矢，灵活地开展科学方法教育.

2.2 科学方法与知识割裂，融合不深

目前国家教育部门非常重视科学方法教育，出台了相关政策和文件，特别是“2017年版高中物理新课标”和新教材中，科学方法教育得到了进一步的凸显.教学中，大部分教师虽有知识和方法两条线的意识，但是二者的融合并不深入，过于重视知识的传授，方法的教育往往会被“短路”，以说教的方式进行讲授，被贴上某某方法的标签.这样的科学方法教育，学生只是记住了方法的名字，没有体现在解决问题的过程中，学生体会不到科学方法的智慧.

2.3 不会用方法解决问题，迁移不够

对于科学方法的应用，一般体现在一个新的物理概念或规律的建立中，与课堂学习联系比较密切，但是与生活联系不够紧密，缺少利用科学方法解决实际问题的意识和能力.注重知识的应用，忽视科学方法的迁移与应用，造成学生遇到生活问题时感觉无从下手、不知所措.解决问题的过程是综合应用所学知识和科学方法的过程，知识和方法不是割裂的.例如我们在课堂中运用的转换法，跟生活密切联系，如“心电图仪”“血压计”以及各种“传感器”，虽然它们应用的领域不同，但基本原理都是转换的思想.加强科学方法的应用，不仅能拓展学科视域，还能形成良好思维方式.

3 实施策略

科学方法教育的关键，是让学生经历一个真实问题解决的过程，其解决问题的流程如图2所示.在问题解决后，回顾或反思解决问题的方法，学生才会对方法有一个深入的理解.正如我国古代的兵法中的“三十六计”一样，若只是去背诵和记忆三十六个计谋的名字，是没有意义的，只有深入了解每一个计谋背后的故事，才能體会和感悟三十六计的智慧，为孙膑的谋略所折服.

科学方法教育也需要让学生经历一个个不同的 “学习故事”，才能感悟方法的巧妙，影响人的思维方式.科学方法的学习与内化往往伴随在问题解决的过程中，如图3所示，从生活中的情景发现问题，在教师搭建的思维认知台阶的引领下，在师生互动下，学生自主解决问题，建构知识，最终获得思维能力，形成良好的科学态度和价值观，促进素养的发展.

在实际的课堂教学中，不同的教学内容会涉及不同的科学方法，结合物理学科的特点，我们以发展学生的思维能力为目的，按照从学科知识到学科方法，再由学科方法到思维方法的逻辑，依据“2017年版物理课程标准”和“中国高考评价体系”的要求，着重培养分析、综合、推理、论证和实验观察等方法.

3.1 以知识为载体，通过课堂教学渗透科学方法

有人用一棵大树，比喻知识与方法的关系，把树叶看作知识，树干看作方法，树根看作科学态度和科学精神.首先映入眼帘的是“树叶”，大树枝叶茂盛，这犹如学科知识，它们是显性的，最容易让学生接受;而树叶的生长靠树枝和树干的支撑，以及输送营养，方法对知识的重要性不言而喻.但是整个大树是靠树根吸取养分，才能成长为参天大树，没有正确的科学精神和严谨的态度，科学教育就会失去根基.

目前的教材编写和课堂教学，大部分都是以知识为主线开展的，这比较符合学生的认知规律.教师授课应以知识线为基础，显性开展;以方法线为暗线，隐性开展.这也是张宪魁教授提出的“知法并行”的模式.关于科学方法教育采取“显性”和“隐性”的问题，有着不同的观点.笔者认为隐性教育是显性教育的基础，显性教育是隐性教育的飞跃，二者需要密切配合，根据实际采取适当的形式开展科学方法教育，才能发挥其最大效果.

3.2 以实验为基础，从探寻证据中掌握科学方法

物理是一门以实验为基础的自然科学，实验的目的就是获得数据，寻找自然界中的现象（概念），以及现象之间的关系（规律）.无论是演示实验、验证实验还是探究实验，都会涉及实验观察、实验数据的分析、实验结论的归纳总结.所以，以实验为基础是开展科学方法教育的重要渠道.教学中，教师不只是盯着物理知识，更要有思维方法目标，在不同的实验教学中确定不同的科学方法教育目标，然后学生在实验中获得证据，在探寻证据中发展思维能力，感悟科学方法的巧妙.例如在学习“楞次定律”时，由于本实验变量较多，学生理解起来比较困难，我们以科学方法为手段突破教学难点.见表2，让学生利用观察、对比和分析等方法进行归纳概括楞次定律，并设计问题引领学生的思维，搭建思维认知台阶，突破教学难点.

I感向与Φ原方向及Φ原增减有关，难以判断I感向. 感应磁场与原磁场磁通量变化之间“阻碍”与“被阻碍”的关系，学生难以自己悟出来，需要逐步提炼出“增反减同”，如何进一步用一个更精炼的词来描述B感与原磁通变化的关系呢？引导学生提到“阻碍”，需要反过来看感应电流磁场的方向与原磁通量Φ的变化情况，进而确定其中的关系.

3.3 以学史为线索，在知识来龙去脉中体会方法

学生学习物理的过程与物理学家发现知识的过程具有相似性，依据“教育重演律”，即在学生学习物理的过程中重演人类探索物理的过程.教学中，要按照历史的顺序，把科学家发现知识的原过程，经过必要的剪辑，让学生重演知识的发生过程.需要强调的是，重演不能简单地等同于科学家发现知识的重复过程，我们只需让学生经历关键的步子，特别是前人遇到了什么问题、运用什么方法解决问题，吸取前人的智慧.

所以，物理学史中蕴含了丰富的教育智慧，一些经典实验中蕴含着前人的智慧，我们不仅要厘清物理学史中的知识脉络，更要挖掘其中的思想方法，以史为鉴才能明智.例如在学习“托里拆利实验”时，不能仅仅讲清实验的装置，让学生记住大气压的值，更要让学生经历用水银液柱的压强替代大气压的过程，让学生明白这种转换法的巧妙，遵循物理学史开展教学，设计学习活动，不仅能落实学科方法教育，还能有效开展科学态度和科学精神的教育.

3.4 以实践为渠道，在解决实际问题中运用方法

新课标强调“从生活走向物理，从物理走向世界”，我们强调知识与生活的联系，体现学以致用的理念.但是，上述做法只是强调了知识的应用，没有考虑到方法的应用.北大教师赵凯华先生说过“物理科学方法用到什么领域，什么就是物理”，这足以说明科学方法迁移运用的重要性.例如在新冠疫情中，利用科学方法有效防控疫情的实例，其中的防控措施值得借鉴.例如：

（1）如何辨别一个人是否感染新冠病毒？

常规鉴别：看其是否咳嗽发热？ 专业的鉴别方式是开展核酸、CT、血清等检查.这里采用对比法，同中求异，能确定是否感染新冠病毒.

（2）谈谈有哪些措施可以控制疫情传播？

首先可以管理传染源，如采取隔离、治愈病人等方法;其次，切断传播途径，如戴口罩、勤洗手、不聚集等措施;再次，保护易感染人群：如打疫苗、提高免疫力等.以上措施采用控制变量的思路，进行逐条因素分析，综合治理，能做到精准防控的效果.

（3）在人数感染较多时会采取什么措施？

当散发病例较多时，采用小区或社区全员核酸检验的办法，进行新冠排查;当一个地区感染人数更多时，则采取全区（市）核酸检验，进行排查.这种排查方式则是采用了整体的思想方法理念.这种用科学方法解决现实问题的思路，值得借鉴.

由此可以看到，科学方法的迁移能拓寬学科视野，还能有效解决生活中的实际问题.

3.5 以复习为抓手，在巩固提升中梳理科学方法

在习题复习中适时开展科学方法教育，不仅能巩固学科知识，还能促进学生运用科学方法解决实际问题，促进思维能力提升.在习题复习中开展科学方法教育，可以采取显性化处理，首先明确解题的思路，或者采用什么方法，引领学生寻找解决问题的思路，更容易让学生感悟到科学方法的巧妙.当某一个方法用的多了，就会改变人们的思维方法，形成物理思想，比如我们经常使用转换法设计实验，使用较多时，学生就会形成转换的思想.

例题 中欧班列在欧亚大陆开辟了“生命之路”，为国际抗疫贡献了中国力量.某运送防疫物资的班列由40节质量相等的车厢组成，在车头牵引下，列车沿平直轨道匀加速行驶时，第2节对第3节车厢的牵引力为F.若每节车厢所受摩擦力、空气阻力均相等，则倒数第3节对倒数第2节车厢的牵引力为

A.F B.19F20 C.F19 D.F20

解析：答案选C，根据题意可知第2节车厢对第3节车厢的牵引力为F，因为每节车厢质量相等，阻力相同，故第2节对第3节车厢根据牛顿第二定律有F-38f=38ma，设倒数第3节车厢对倒数第2节车厢的牵引力为F1，则根据牛顿第二定律有F1-2f=2ma，联立解得F1=F19.本题的解答就是根据实际的问题，建立物理模型，在应用牛顿第二定律分析求解时，采用整体与隔离的方法，针对研究的对象进行受力分析.

4 结束语

新时代，科学方法教育的责任与使命就是发展学生的核心素养，培养新时代的创新人才，在核心素养下的新课改中，要发展人的思维能力，就必须开展科学方法教育，让学生亲历知识的形成过程，感受知识发生的前提或原因，再现知识的来龙去脉，才能揭示知识的本质，真正促进思维能力和思维品质的发展，有效落实核心素养.

参考文献：

[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2015.

[2]邢红军，陈清梅.从知识中心到方法中心：科学教育理论的重要转变[J].首都师范大学学报（自然科学版），2011，32（06）：20-26.

[3]张宪魁.物理科学方法因素判定原理[J].物理教师，2012，33（11）：1-2+10.

[4]田成良.哲学引领思维 助力突破难点——楞次定律教学中的哲学教育[J].中学物理教学参考，2017，46（11）：42-44.

[5]蔡树男.提升物理科学思维素养的方法策略[J].物理教学，2018，40（11）：33-37+53.

（收稿日期：2021-06-29）