高中物理教科书中科学方法的挖掘与利用——以《电场强度》(粤教版高中物理选修3-1)一节为例

刘 冰

高中物理新课程改革提出的三维目标中将“过程与方法”作为目标予以凸显。如何实现“过程与方法”目标成为广大物理教师思考与探索的重要话题，科学方法教育成为当前研究的热点之一。

科学方法教育的开展需要以知识为教学线索与基础，教学需要以教科书作为蓝本，因此，需要进一步思考如何挖掘与利用好教科书中的科学方法素材。在中学物理教学一线，不少教师往往只停留在认识到科学方法教育的重要性，但是对于怎样从教科书中寻找相应的科学方法并加以合理利用却无从下手。笔者尝试以《电场强度》(粤教版高中物理选修3-1)一节为例予以探讨。

一、科学方法在《电场强度》中的挖掘与利用

高中物理中涉及科学方法主要有：理想化方法、控制变量法、隔离法、等效变换法、对称法、模拟法、转化法、类比法、作图法等。上述各种科学方法的定义参见相关的文献，此处不再赘述。挖掘物理教科书中的科学方法，主要是通过细致阅读教科书，依据各类科学方法的定义将内隐的科学方法进行显化性地识别与判断。下面以《电场强度》一节为例，探讨科学方法的挖掘与利用。

1.转化法在《电场强度》中的挖掘与利用

物理学中对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，通常用一些较为直观的现象去认识或用易测量的物理量间接测量，这种研究问题的方法称为转换法。《电场强度》一节中利用试探电荷来描述电场的性质，实际上就隐含了“转化法”的思想。电场的性质是抽象的，用来描述电场性质的物理量—电场强度也是无法直接测量的。利用转化法，通过放置试探电荷，其电场力及其电荷量都是可测量的，用这两个可测的物理量的比值来表征电场的强弱，这里正是转化法灵活应用的体现。

笔者建议，教学时可以先抛出问题：电场看不见、摸不着，如何来研究电场？而后引入转化法的观念：物理学上有一种方法称为转化法，用一些较为直观的或者易于测量的物理量，来间接地测量看不见、摸不着的现象或物理量，此处我们就引入一个试探电荷。接着进一步抛出问题：大家想想，对于试探电荷，什么物理量是我们可以直接测量的？从而引导学生尝试进行猜想与研究。在完成探究得出电场强度的概念和公式后，再次拓展与升华这种转化法的方法：此处我们用到的转化法，在不少地方都会用到，比如速度的测量就转化为测量位移和时间，再比如要证明抽象的大气压强的存在，就转化为可视化的马德堡半球实验等，都是将不易测量的物理量或抽象的现象，转化为易于测量的物理量或直观的现象。由此帮助学生从不同的例子中领悟方法的普适性价值。

2.控制变量法在《电场强度》中的挖掘与利用

控制变量法是初中和高中物理中最为常见的，也最为学生所熟悉的一种方法，即在研究多个物理量关系时，只改变其中一个而控制其他物理量不变，从而简化为研究多个单一物理量对某一个物理量影响的问题。在《电场强度》一节中，探究电场力与试探电荷电量关系的实验便是利用了控制变量法。在导体A的电场中，先控制位置不变，用不同的电荷量，比较受到的电场力大小。再控制电荷量不变，将同一试探电荷放在电场中的不同位置，比较所受到的电场力，从而总结归纳出相应的规律。

关于控制变量法的应用，由于初中考试中凡涉及实验方法的试题，基本上都填答控制变量法，学生已经十分熟悉，一提到研究方法学生基本上异口同声回答控制变量法，至于其他方法则不太了解，甚至部分学生错误地认为只有运用了控制变量法才是真正的科学研究。基于上述现状，笔者建议，在高中阶段涉及控制变量法使用的实验中，除了点拨该方法外，也需要提醒学生：物理科学方法是多样化的，控制变量法只是其中一种，其他方法比如理想化方法、转化法等同样重要，由此转变学生错误的方法论认识。

3.比值定义法在《电场强度》中的挖掘与利用

比值定义法就是用两个基本的物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法。比值法定义的基本特点是被定义的物理量往往是反映物质的最本质属性的，它不随定义所用的物理量的大小取舍而改变，比如物质密度、电阻、场强、磁通密度、电势差等。

《电场强度》一节在电场强度的定义旁边，专门注释了“比值定义法”五个字，并在本节末尾资料活页中，具体阐释了比值定义法，还列举了初中学过的密度、电阻，进而类比该节提到的新物理量电场强度。在适当的位置将科学方法进行阐释是新课改各套教科书的创新之处，也体现了新课程“过程与方法”目标的导向作用。教学中我们不必要求学生去记忆比值定义法的定义，也不能脱离具体的知识内容纯粹讲科学方法，而应引导学生通过具体的例子来理解科学方法的价值，体味思想方法指导的魅力。

4.理想化方法在《电场强度》中的挖掘与利用

理想化方法就是借助于逻辑思维和想象力，有意识地突出研究对象的主要条件，排除次要因素和无关因素的干扰，在大脑中形成理想化的研究客体或相互联系。理想化方法一般有三种形式：对物理条件的理想化、建立理想模型和进行理想实验。

《电场强度》教科书中应用了理想化方法的内容，是计算点电荷的电场强度时隐含了点电荷本身是一种理想模型，当带电体之间的距离远大于带电体本身的尺寸，以至于带电体本身的大小和形状对带电体间的作用力影响可忽略不计时，带电体就可以看成点电荷。粤教版教科书在《电场强度》一节的讨论与交流环节中，专门提出问题：公式E=F/q与公式E=kQ/r2都可以用来计算电场强度，它们有什么区别呢？实际教学中可以引导学生对上述问题进行思考，帮助学生回忆点电荷理想化模型，再次体会理想化方法的应用。此处同样可以进行拓展，帮助学生回忆各种已经学过的理想模型，如质点、光滑平面、细绳、点光源、平面镜等。

5.模拟法在《电场强度》中的挖掘与利用

模拟法是以相似性原理为基础，研究物质或事物物理属性变化规律的实验方法。在探求物质的运动规律和自然奥妙时，常常会遇到一些特殊的、难以对研究对象进行直接测量的情况，这时可人为地制造一个类似于被研究的对象或者运动过程的模型来进行实验。例如，被研究的对象非常庞大或非常微小(巨大的原子能反应堆、同步辐射加速器、航天飞机、宇宙飞船、物质的微观结构、原子和分子的运动)、非常危险(地震、火山爆发、发射原子弹或氢弹)，或者研究对象变化非常缓慢(天体的演变、地球的进化)时，模拟法可以在这些研究中得到应用。

具体到《电场强度》一节，粤教版教科书在阐释电场线时指出，电场线的形状可以通过实验来模拟，把奎宁的针状结晶或头发屑悬浮在蓖麻油中，加上电场，微屑就会按照场强的方向排列，显示出电场线的分布情况。这种用其他可视化的物体来替代模拟与显化较难观察的现象与过程，正体现了“模拟法”使用的巧妙。教学中在展示了相应的模拟实验现象后，可以引导学生思考：我们看见的蓖麻油中的这些线，是不是就是真实的电场线？大家能否说说这里用了怎样的研究方法？既提醒学生模拟现象不可替代真实现象，又促使学生思考现象背后所应用的研究方法，提升学生的思维能力。

6.数学模型方法在《电场强度》中的挖掘与利用

数学模型方法是一种通过建立和研究物理对象的数学模型来揭示对象的本质特征和变化规律的方法，既包括公式模型，如万有引力定律，也包括用几何方法描述规律。《电场强度》一节中，电场的叠加，正是利用了矢量的平行四边形法则这种几何方法来研究电场合成的规律。

数学模型方法作为一种形式化的认识手段和方法，在物理学研究的各个领域可以说得到了充分的运用与体现。在《电场强度》关于电场叠加的教学中，在讲解完具体操作方法后，可以进一步引导学生体会利用数学几何图形快捷解决物理问题的优势，也可以提及中国古代由于缺乏数学符号而在一定程度上使得科技发展滞后的教训，并指出前沿理论物理研究中大量地应用了数学工具进行计算，提醒学生要打下扎实的数学基础。

二、结束语

本文以《电场强度》(粤教版高中物理选修3-1)一节内容为例，探讨了教科书中涉及科学方法的挖掘与利用。可以看到，单纯是一节内容，便包括了转化法、控制变量法、比值定义法、理想化方法、模拟法和数学模型方法等六种常见的科学方法，方法的点拨与适当的显化，能够引导学生在理解与掌握相关知识的同时，进一步拓展与深化思维，从具体的知识层面上升到方法论层面，促进学生思维的新飞跃。科学方法教育是一项值得不断深入思考与探索的工程，有待我们所有教育者的共同努力，任重而道远。

[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛:中国海洋大学出版社,2000.

[2]邢红军.物理科学方法显化教育的理论与实践研究[J].中国现代教育装备,2011(24):73-74.