物理教学中科学方法显性化尝试

王新星

(南京市第十三中学 江苏 南京 210008)

思维方法是在人脑进行的操作过程和方法，当思维方法结合高中物理课程便形成了理想模型，整体、隔离，等效替代法等是可操作、具体的物理科学思维方法.以往的物理教育中往往强化物理知识的建构，强调渗透和铺垫，追求学生在潜移默化的熏陶中，水到渠成地体会和领悟科学思维方法，但结果往往并不理想，很多学生由于多年的习惯，老师讲什么就听什么，往往缺少对于知识背后科学思维方法的体味.近些年的高考试题中也非常重视对科学思维方法的考查，抽象的科学思维方法不能再羞羞答答地躲藏在知识背后，必须大方地走向前台.

牛顿运动定律在高中物理教学中具有重要的地位，而牛顿运动定律的建立和完善的历史过程中也蕴含着非常丰富的科学思维方法.以往的教学中过于强化牛顿运动定律本身，而忽视了其背后隐藏的巨大的逻辑力量.教师在教学中有必要提出科学思维方法的内容，使得科学思维方法显性化.

1 牛顿第一定律教学设计 展现理想实验的魅力

1.1 历史回顾 情境引入(略)

1.2 重走探究之路 体味理想实验方法

左斜面固定，右斜面倾角可变.实验中我们设定小球始终从左斜面定位卡处由静止释放.

(1)固定右斜面，改变小球所受的摩擦，观察小球上升的最大高度怎样变化.重复一次.

思考：

1)小球所受摩擦阻力的大小与小球上升的最大高度之间有什么关系？

2)摩擦阻力的大小与释放点到上升的最高点的高度差是什么关系？

3)如果没有摩擦，小球会上升到多高的地方？

(2)减小右斜面倾角，观察小球沿斜面运动的最远距离怎样变化.重复一次.

思考：

1)减小右斜面倾角，小球沿斜面运动的最远距离如何变化？

2)如果没有摩擦，减小右斜面倾角，沿斜面滚动的最远距离怎样变化？小球将上升到多高的地方？

(3)将右斜面放平，释放小球，观察小球的运动.

思考：

1)如果水平木板足够长，小球会停下来吗？

2)如果没有摩擦，水平木板足够长，小球将滚到哪里去呢？

我们重温了伽利略设计的理想斜面实验．伽利略设计的理想斜面实验以可靠的事实为基础, 把实验与逻辑推理和谐地结合在一起, 指出力不是维持物体运动的原因, 而恰恰是改变物体运动状态的原因, 推翻了亚里士多德近两千年的错误观点.理想实验不是凭空捏造的实验，它是以可靠的实验事实为依据的．理想实验是一种逻辑推理活动，是人们在抽象思维中设想出来，而实际上无法做到的“实验”．理想实验=实验(事实)+逻辑推理.通过可靠的实验事实，加上合理的逻辑推理，得出规律的一种方法.理想斜面实验设计如表1所示.

表1 理想实验

1.3 补充完善 形成定律

(1)亚里士多德通过直觉的观察提出问题，为科学家的研究确立了课题.

(2)伽利略提出不易察觉的摩擦力，并且应用了一种科学思维实验方法——理想实验法，提出了运动不需力来维持的观点.

(3)笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，还提出该观点应该作为一个原理加以确立，并且是人类整个自然观的基础.

(4)牛顿总结出了动力学的一条基本定律，并提出了两个重要的物理概念，即力和惯性.

2 牛顿第二定律——科学思维的绽放

2.1 提出猜想 引入新课——实验猜想 理论推理

师：猜想是实验不可缺少的环节，物体的加速度与哪些因素有关呢？请同学们从生活经验出发提出自己的看法，然后做定性分析，猜想三者之间的关系，并举例说明.

生：(1)与物体受到的外力的关系.

与物体受到的外力有关.例如,骑自行车用力刹车时，用的力越大,车越容易停下来，即阻力越大，自行车减速的加速度越大.

应该是与物体受到的合外力有关,分析如下.用大小不一样的力推大石头，推不动，是因为大石头同时受到摩擦力的作用，受到合外力为零，因此，加速度也为零.

(2)与物体质量的关系.

与物体的质量有关.例如,人分别用相同的力推自行车和摩托车时，自行车比较容易加速启动，而摩托车则较难.也就是说在相同力的情况下，质量较小的自行车获得的加速度就较大.

……

引导学生总结得出猜想,即物体的加速度a只与它所受合外力F和物体本身的质量m有关.

学生在生活中对“影响物体加速度大小的因素”有所认识，但这些认识往往是片面的、不准确的.因此，要让学生充分地表达已有的认识，在这过程中教师利用课件提供一些图片，对学生进行启发，引导他们不断修正自己的观点，从而形成对科学的认识.

从理论的角度加以分析，有利于培养理论联系实际的能力，有利于培养逻辑思维能力.引导学生从理论推导：

2.2 探究a与F和m的定量关系——控制变量法

(1)确定研究方法

师：我们应该采用什么样的物理方法来研究a与F,m的定量关系呢？

生：控制变量法.

师：物理学中对于多因素(多变量)的问题，常常采用控制因素(变量)的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题．每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余因素不变，从而研究被改变的因素对事物的影响，分别加以研究，最后，再综合解决，这种方法叫控制变量法．它是科学探究中的重要方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究中．控制变量法是中学物理常用的探索问题和分析解决问题的科学方法之一．

你认为在使用控制变量法探究3个物理量之间关系的过程中，哪些物理量比较容易控制?

预测学生的回答是合外力、质量.

(2)分两步进行研究

保持研究对象的质量m一定时，研究加速度a和合外力F的关系.

保持研究对象受到的合外力F一定时，研究加速度a和质量m的关系.

然后,综合两次的研究结果，进行推理和归纳，便可找出a与m,F三者之间存在的关系.

2.3 实验验证

为了使研究的问题更明确些，选取在水平轨道上的小车作为研究对象，在小车的前端拴一根细绳，绕过滑轮，在下面系一个小桶，小桶里放入适当的砝码，释放小桶，小车就受到一个水平方向的恒定的拉力，拉力的大小就等于带法码的小桶的总的重力.

师:那么，这3个物理量，我们应该用什么样的仪器来测定呢？

生:小车的质量可以用天平测量，改变小车的质量，可以通过加固不同的定片来实现，测量桶的重力就知道了作用力的大小, 改变桶里砝码的质量，就可以改变作用力.

师: 在设计测拉力的方法时，把小桶与小桶中砝码的总重力当作研究对象受到的拉力，这是有条件的，即小桶与小桶中砝码的总重力远小于小车的重量(条件限制可作为课后研究课题，学完牛顿运动定律的应用后方能解决).

可见，这3个量中能否准确、有效地测定物体的加速度是实验的关键，也是实验的难点.

方案1：打点计时器.

根据匀变速直线运动的特点Δx=aT2, 测加速度.

方案2: 用光电门传感器(图1).加速度a为

图1

方案2便于操作，且实验误差较小.用课件显示具体的实验步骤，有助于学生较为规范地完成实验.

2.4 数据处理

操作1 ：研究质量一定时a与F的关系——图像法

控制小车质量不变,分别用不同的重力来提供小车拉力, 产生不同的加速度.从表格上可以看出,加速度随外力增大而增大, 但是否成正比关系呢? 虽然通过数据的计算可以得到a与F成正比，但远没有图像来得直观. 图像具有直观、形象、简明的特点，能直观地描述物理过程，形象地表达物理规律，简洁地阐明各物理量之间的相互关系，是分析、研究问题常用的方法之一.对数据进行处理,作出a-F图, 画出数据点, 发现这些点几乎都落在一条过原点的倾斜的直线上, 说明加速度的确跟外力成正比关系.

操作2： 研究力一定时a与m的关系——化曲为直法

知识的总量在以惊人的速度急剧增长，知识更新的速度也越来越快.因此，我们不可能期待在学校的短短几年里让学生学完所有有关的知识，重要的是让学生掌握科学思维方法，从而能够自行地探究知识.然而现阶段，教材和教参中只列出了知识点和相应的教学要求，却没有明确指出科学思维方法的教学内容和要求，这就需要我们所有教育工作者共同努力，填补科学思维方法教育的空白.

参考文献

1 肖骁，邢红军.高中物理教学中的科学方法显化研究.物理教师， 2010(3):1～3

2 李正福，李春密，邢红军.从隐性到显性：物理科学方法教育方式的重要变革． 课程·教材·教法，2010，30(12):71～73