高中物理科学方法教育的方式和实施途径

谢丽华 李卫东 王长江

物理学是一门理论和实验高度结合的学科，它特别强调正确有效的研究方法，严谨缜密的推理和归纳，科学方法是中学物理教学主要内容和任务之一，特别是新一轮基础教育课程改革以来，物理课程的三维目标中明确提出了“方法”目标，要求学生在物理学习中“了解物理学的研究方法”“尝试应用科学探究的的方法研究物理问题”.这就对物理教学提出了明确的教学目的，使得科学方法教育得到更广泛的认识和实施.传统的物理教学过分在学科知识积累与应试技能上做文章，忽视了科学素质、科学方法和学习体验，以至于高中生活成了“苦学”的代名词，使得原本可以“开阔视野、充实思想、愉悦精神”的学习生活变得枯燥无趣.极大的束缚了青少年学生的成长.这种教育的失衡也严重影响了我们国家的创新能力和国际综合竞争能力.因此，在当下新课程改革中深入思考科学方法教育具有十分重要的意义.

1 高中物理科学方法教育的两种基本方式

物理知识和物理科学方法构成物理学大厦.但是长期以来，物理科学方法教育是最不清楚的问题之一.造成这种现状的原因，一是没有纲要性或权威性的教学目标或课程标准来指导，二是从教材的编写体系来看，物理科学方法这条暗线更是“犹抱琵琶半遮面”，在庞大的物理知识中难见只言片语.这种情况就导致长期以来物理教学对物理知识采用显处理，而对科学方法采用隐处理.科学方法隐性教育就是在教学中隐蔽地发挥科学方法的导向作用，使学生在学习过程中受到潜移默化的熏陶，教学过程中不明确指出科学方法的名称，不说明科学方法的原理，不揭示科学方法的本质与操作过程.所谓科学方法显性教育，是指教师有意识地公开进行科学方法教育，学生有意识地学习科学方法，以达到理解知识、掌握方法和形成科学态度的目的.虽然科学方法隐性教育考虑到学生的知识基础，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方法，然而隐形教育不能让学生有意识地学习科学方法和获得对其理性认识，不能让学生自觉地以科学方法为指导来加深对知识的理解，容易使“过程与方法”维度虚化并导致科学方法教育的方式不甚明朗.在物理教学中进行科学方法显性教学，可以使科学方法教育有的放矢，有据可依，并为学生提供学习科学方法的条件.

在教学过程中，学生获得应用能力的关键就是科学方法的习得，一线教师所谓的学生不会“开生题”都是源于科学方法教育的缺失.然而科学方法有其独立于物理知识的表达体系，并往往隐藏在知识背后，且需要学科特色与心理学的结合.这就要求教师以理论思维的观点来规划物理教学过程，从而实现充分、 有力、简约的教学逻辑.科学方法教育，作为物理知识活动的中介，它是连接物理现象与知识的纽带，物理知识（概念、规律等）只有通过科学方法的参与，才可能上升为知识形态，这就决定了物理科学方法教育与物理知识的教育过程不可分割.换句话说.科学方法是“因”，而物理知识则是“果”，所以它们之间客观存在一种“对应”关系，正是基于这种“对应”，我们才可以把科学方法教育内容“显化”. 基于此，我们提出，物理科学方法的教育内容主要包括两个部分：思维方法、物理方法.思维方法是人的大脑的功能，是进行各种学习和探索的基础，在认知心理学中被化为弱认知方法的范畴，适用于解决各种普遍问题.物理方法是物理知识结构中特有的方法，如比值定义法、理想模型法等，这类方法具有较强的加工功能，是物理教学历来重视的内容.显化的科学方法不仅是教学的内容，而且是教学的依据，还是表达教学逻辑的载体.在教学中，物理科学方法是一种外化操作的时空次序，不仅由内部的思维方法伴随和操控，而且还要使学生感受到思维方法的心理体验.因此，这就需要物理方法与思维方法在显化基础上的融合，才能更加系统而有针对性地将科学方法传授给学生.物理科学方法的显性教育着眼于学生科学素养的形成，根植于方法教育内容的确定，落脚于学生科学方法的掌握.

2 高中物理科学方法教育的实施途径

2.1 以知识教学为载体，渗透物理科学方法

物理教材大体可分为概念性教材、 规律性教材、实验性教材和应用性教材四大类，在物理概念和规律的建立、发展和应用过程中，以及各知识点相互联系的地方往往蕴涵着丰富的科学方法. 物理概念与规律的建立和发展，一般会运用观察和实验、比较与分类、分析与综合、数学方法、归纳与演绎、猜想与假说以及理想化方法等物理科学方法中的一种或几种，在教学中，要使学生明确发现或建立某一概念或规律所采用的方法、途径和具体的依据，使学生对某一概念或规律的物理意义，适用范围和条件有清晰的认识.如在牛顿第二定律、电磁感应、楞次定律等规律的教学中，学生能充分感受到科学方法在发现规律中的作用；在将电势能与重力势能进行类比的教学中，学生更容易理解和接受电势能；由安培力演绎出洛伦兹力的概念教学中，学生能充分体会科学方法对学习知识的意义，可以激发学生自觉的学习运用科学方法解决实际问题.

因此，教师在教学中应充分利用和挖掘教材中科学方法的教育因素，抓住知识和方法的结合点，以具体的教学内容为依据，采取不同的教学方法和手段，适时点拨， 学生才可以在获取知识的同时看到科学方法有什么特征、有什么作用，是怎样解决问题的，才能体会到掌握科学方法的意义，才能自觉地学习科学方法.

2.2 以物理学史为线索，理解物理科学方法

高中物理课程涉及很多物理学家，他们取得伟大成就的原因之一就在于他们在探究物理规律的过程中应用了正确的物理科学方法.物理学家的事迹为进行物理科学方法教育提供了很好的素材.物理学史体现了在一定社会文化背景下，人类认识和探索活动世界的现象、规律和本质的历程，其中包含了物理思想和观念的变革，包括了认识论和方法论的因素.伽利略创立的科学实验方法， 改变了从直观感觉推演出结论的思辨方法，强调对直观感觉材料要做理性分析. 为了证实重物下落不比轻物快的结论，他登上比萨斜塔做自由落体实验.伽利略还把实际的实验与理论思维紧密结合起来，形成一种新的方法─理想实验的方法，并用此法导致了惯性定律的发现.

教师应当通过多种渠道，主动搜集与教学内容相关的物理学史资料，并在课堂上结合教学内容为学生介绍众多物理学家在研究过程中使用过的科学方法.例如，在讲光速的大小时，教师可以结合教学内容给学生介绍法国物理学家斐索第一个不借助天文观察来测量光速的人，他采用了旋转齿轮的方法测定光速为342539.21 km/s；傅科采用了旋转平面镜的方法，测得光速2.98×108 m/s；迈克尔逊继承了傅科的实验思想，用旋转八面棱镜法测得了准确的光速值为 299796 km/s.这几位物理学家在测定光速时都使用了正确的科学方法，也最终取得了正确的测量结果.结合这些物理学史料，教师对学生进行光速大小的讲解，既在教学中实施了科学方法教育，又活跃了课堂气氛.如此教学，必然有助于激发学生的学习兴趣，加深学生对光速的记忆，从而取得事半功倍的教学效果.

2.3 以实验为基础，运用物理科学方法

物理学是一门以实验为基础的学科，观察和实验是科学认识的基本研究方法.一个完整的实验，大致包括提出问题、设计操作、数据分析和理论解释四个阶段.进行实验是为了验证或解决某些问题，提出的问题确定了实验的方向和目标，根据实验目标和思路设计实验，按设计的步骤进行操作和观察，然后对实验所得的资料和数据进行分析处理，并进行理论上的解释和概括，使实验上升到理论的高度.在整个过程中蕴含着丰富的科学方法，如比较、分类、分析、综合、归纳、演绎等等.因此实验是培养学生科学方法的有效途径.教学中要注重把教材上的演示实验、学生实验变为学生探索实验，引导学生通过亲身实践去领会科学家们研究问题的科学方法并内化为自己的思维和行为方式，培养他们用科学方法主动探求新知识、研究新问题的习惯和能力.如牛顿第二定律、玻意尔定律、楞次定律、电阻定律等规律的教学采用探索式教学，依次提出问题，学生猜想、实验、观察，分析、判断、综合、概括，得出规律，解决实际问题，使学生强烈地感受假设一实验一理论一应用的逻辑思维方法，体会数学方法、归纳演绎等科学方法在发现规律中的作用.

2.4 以原始物理问题为渠道，掌握物理科学方法

新课程要求实现生态化的物理教育，原始物理问题的引入就是一条重要渠道.原始物理教学让学生通过探索和应用物理知识来掌握科学方法，学生在反复运用科学方法解决物理问题的过程中，科学方法掌握了，运用物理知识解决实际问题的能力也就提高了.所谓原始物理问题是指自然界及社会生产、生活中客观存在的，能够反映物理概念、规律本质且未被加工的典型物理现象和物理事实.它和物理习题有着本质的区别，两者之间的关系如下图所示：

学生在解决原始问题时，首先需要明白是针对什么物理现象和事实，其次要把它转化为物理模型，最后解决问题.这个过程中就要用到理想化方法、等效方法、近似方法等具体科学方法，将一定的物理现象或物理情景转化为物理模型，又要用到分析、综合、概括、抽象等科学思维方法.可见，运用原始物理问题能将思维方法的训练和具体科学方法的掌握很好的结合起来，同时这与物理学家探究世界的过程很相似，两者都是从已知的知识出发探究未知的知识.由此可见，引入原始物理问题教学可以实现对科学方法的充分融合与显性的教育.