观察

田成良　张宪魁

摘要：物理学是一门实验的科学，物理学的每一次重大发现和突破，都是以观察事实为基础的.物理学研究内容都直接或间接地来自于观察，始终离不开观察.在物理教学中培养学生良好的观察能力，能激发学生的观察兴趣，形成善于观察、勤于思考的习惯，是培养学生综合能力，发展核心素养的必备条件，同时也为探索物理世界的奥秘奠定了基础.

关键词：科学观察；探索规律；能力培养

作者简介：田成良（1974-），男，山东泗水人，本科，中学高级教师，特级教师，硕士生导师，物理教研员，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.

1什么是科学观察

观察就是研究者有目的、有计划地在自然条件下，通过感觉器官或借助科学仪器考察和描述自然发生的自然现象，感知客观事物，获取科学事实的一种科学研究方法.自然科学研究中的观察方法又称为科学观察，人类探索自然和改造自然的一切实践活动都离不开观察方法.

古代观察以纯感官为主，但也有一些定量化的仪器，如我国古代测天体方位的浑天仪、测地震方位的地动仪、测物体质量的天平等.丹麦天文学家第谷带领他的助手们对行星的位置进行了大量观测并做了准确的记录，用毕生精力积累了许多精确的行星运动的观测资料，开普勒的研究工作创造了条件.第谷创造性的建立了一套天象观测方法，成为近代天文学的奠基者，并为后来开普勒和牛顿的科学工作奠定了坚实的基础.

观察方法在物理学研究中占有重要地位.特别是对那些不易控制或改变其条件的物理过程更只有依靠观察.近年来，由于遥感技术和空间科学的发展，观察技术和观察手段正在发生质的变化，观察的广度、深度和精度大为提高，观察的作用日益增强，观察的范围日益扩大.如中国天眼FAST于2017年8月22日、25日首次新发现两颗脉冲星（如图1）.

2科学观察的特点

2.1目的性

科学观察总是与一定的研究课题相联系，为解决一定的科学问题而进行的.它有明确的观察目的、观察任务和观察对象，并采用一定的观察方法.例如，“镁条燃烧”实验时，如果缺乏观察的目的性，学生往往只注意“耀眼的白光”，而忽略了燃烧后生成的新物质.培养学生观察的“目的性”，才能获得准确的观察信息.

2.2理论性

科学观察要有明确的理论作指导，以便全面地观测和把握对象的各种属性.经典物理学中，一般是通过科学观察和实验，对所获得的资料进行归纳、整理及加工，从而总结出物理规律和物理理论.而在现代物理学中，更多的则是运用科学观察去检验某一假说、预言及理论的正确与否.科学观察发展中的一个显著特点是理论对观察的指导作用越来越强，可以说，现代物理学中的科学观察是离不开理论指导的.牛顿利用万有引力定律成功地预言并发现了海王星.热力学第二定律从理论上否定了第二类永动机.

2.3综合性

科学观察要综合运用各种感官或传感器的作用，要有思维的积极参与.科学观察不仅要通过眼睛看，而且要综合运用听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉器官.更重要的是有思维的积极参与，进行一定的分析、综合、比较、分类、判断和推理.没有思维的观察是无法进行、也是不存在的.伽利略用实验观察和理论分析否定了亚里士多德关于物体下落的速度由其重量决定的理论.

2.4规范性

科学观察需要有准确而周密的观察记录.要用规定的术语和约定的符号、标准的计量单位并借助绘图、摄影、计算机等手段，把观察结果详细地记录下来，作为分析整理的原始资料.例如，在温度计测量液体温度时要注意规范性（如图2）：一是温度计的玻璃泡要全部浸入被测液体中，不要碰到容器底或容器壁；二是温度计玻璃泡浸入被测液体后要待温度值稳定后再读数.

2.5工具性

科学观察要借助于先进的科学仪器、采用先进的观察技术来进行.从上述观察方法的历史发展中可以看到，古代观察主要是纯感官的观察.随着科学技术的不断发展，人们逐步采用观察工具来辅助进行观察.现代科学观察已离不开一定的观察工具，例如，哈勃空间望远镜作为天文史上最重要的仪器填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本上的问题，对天文物理有更多的认识.

3科学观察的步骤

科学观察的步骤如图3所示.

3.1观看

观看就是首先要学会观看生活中的物理现象.例如，太阳光穿过窗户射进教室里，由于屋内漂浮的灰尘，会发现光通过的路线是直的.也可以观察实验，看实验中呈现的现象.例如，在盛水的水杯中的筷子看上去是在水面处折断了，而取出筷子时筷子并没有折断.让一束光从空气斜射向水面，我们会看到，除了有—部分光反射回空气，改变了传播方向外，还有一部分光进入水中，也改变了传播方向.这比前面的觀察又进了—步.还可以观察图像，例如通过看课本上根据实验画出的图形，可以找出平面镜、凸透镜等光具成像的规律.

3.2寻找

寻找就是在反复观察大量的物理现象的基础上找规律.也就是寻找观察现象的共同点.例如，射进教室里的太阳光、穿过云隙的太阳光、黑夜里手电筒的光……，光的路径都是直的.因此，我们就可以总结出“光在空气里是沿直线传播的”这一规律.找规律是观察的主要目的之一.

3.3确定

确定就是确定条件.因为任何物理规律的成立都是有条件的.因此，总结规律时，一定要考虑它在什么条件下成立.例如，光在同一种物质中传播是沿直线进行的，如果光从一种物质（如空气）进入另一种物质（如水或玻璃），它的传播方向通常是要改变的.因此，光“在同一种物质里传播”就是“光直进”的条件.

在学习透镜对光的作用时，让学生观察图4，并作出正确判断.如观察光线经过透镜前后光路的变化，比较出射光线和入射光线，并根据凸透镜对光线具有会聚作用、凹透镜对光线具有发散作用，从而得出图4（1）为凹透镜、图4（2）为凸透镜的正确结论.如果观察时只看到表面现象或者片面地看射出的光线，就可能会得出错误的结论.

进行观察时，除了以上的步骤，还要有一定的顺序，可以从上到下、从前到后、从左到右、由近及远、由简到繁、由表到里按顺序观察某一物体的外形特征.也可以先观察物体最明显的特征，而后再观察它的一般特征.如把一些比较复杂的物体分成几个部分，对各个部分逐一地进行细致观察，然后再把各个部分综合起来以了解其全貌.

4科学观察的方法

知道了观察的意义，还要掌握正确的观察方法，才能从似乎平常的事物和现象中找出有意义的信息，从偶然的事物和现象中找出规律.

4.1长期观察

自然事物或现象的发展变化微妙曲折、周期长短不一，所以，只有坚持长期观察，才能得出有价值的资料.例如，现代物理学中對“基本粒子”的研究，就是靠长期对宇宙射线的系统观察，从而发现许多新的基本粒子的.但是人生短暂，对有些现象无法进行长期完整的观察，此时，充分利用前人的观测资料就显得十分重要了.例如，天文学家哈雷收集前人有关彗星的记录，根据牛顿力学理论以及他人的实际观测，发现了他所关心的那颗彗星（后人称之为哈雷彗星，如图5），预言了它的再次出现，并被天文观测所证实.

4.2细致观察

事物的变化有时是细微的和偶然的，而细微的变化中往往又蕴藏着质的飞跃，偶然的变化中包含着必然性.所以，对偶然观察到的奇怪现象也不能轻易放过.许多重要发现虽然常常在特定的条件下带有偶然性，但在偶然性观察中也会发现必然的规律.

例如，伦琴发现x射线、贝克勒尔发现放射性、奥斯特发现电流的磁效应等，无一不是从观察到的某种偶然现象中开始的.又如卢瑟福通过基本粒子的轰击实验，在2500张41万个基本粒子的径迹照片中认出了6张没有出现α粒子的照片（如图6），从而找到了人工制造同位素和转变元素大门的“钥匙”.

观察贵在精确，既要注意事物状态的变化，又要注意事物量的变化，这样才能更有效地揭示物质的变化规律.例如，丁肇中与助手们花了两年时间制造出高分辨率的双臂质谱仪，提高了精确度，才使这个小组在1974年发现了j/ψ粒子.

4.3归纳观察

通过对个别现象的观察，得到一些个别的结论后，再归纳概括得出一般的规律.这种方法在物理教学中应用广泛，特别是分析实验数据，总结物理规律时，通常采用归纳观察法.例如，欧姆为了研究电流强度、电压和电阻三者的关系，先在确定电压不变的情况下，观察电流强度与电阻之间的关系；然后再确定电阻不变的情况下，观察电流强度与电压的关系；最后，通过归纳得出欧姆定律.再如，建立密度的概念时，先研究同种物质质量跟体积的关系，并用多种不同物质进行实验测量.最后对实验数据进行归纳观察，找出同种物质的质量与体积的比值不同，而不同物质这个比值并不相同，比值与物质的种类有关，为描述这一特性，用比值定义法引入了密度这一概念.

4.4对比观察

将两个事物或现象进行对比，或对某一现象发生变化的前后情况进行对比是人们研究物理世界的重要方法.对比观察，有利于发现事物或现象的本质区别，从而引发思考，激发学习的欲望，直至得出结论.

例如，观察液体沸腾这一物理现象时，对液体沸腾前和沸腾时的情况进行比较就会发现：沸腾前，液体内部形成气泡并在上升过程中逐渐变小，以至未达到液面就消失了；沸腾时，气泡在上升过程中逐渐变大，达到液面后破裂.通过对比观察得知：沸腾是在液体内部和表面同时进行的剧烈的汽化现象.再如，在学习《闭合电路欧姆定律》一节时，利用学生初中学习的欧姆定律知识，用一节电池、灯泡、开关及电压表组成一个电路.然后问学生，如果增加一节电池，灯泡和电压表有什么变化？学生认为，灯会变亮，电压表示数会变大.实验结果，恰恰相反，利用对比实验，引发了认识冲突，激发了学习兴趣.

4.5技术观察

受研究者观察能力的限制，有些物理现象或状态，持续时间短暂，变化不够明显，需要借助技术工具处理，才能进行有效的观察.

例如，研究平抛运动时，让两个物体分别做自由落体和平抛运动，验证同时落地，但由于物体下落的比较快，实验瞬间完成，眼睛的观察能力有限，运动的等时性并不容易观察到.课堂上，常采用多媒体技术，对实验进行录制，然后进行慢放，提高了观察的效果.再如，研究牛顿第三定律时，由于凭借手的的拉力，并不能准确地判断作用力和反作用的大小，常用传感器把拉力转化成图像进行分析，使观察变得直观明显，易于理解两力的关系.

无论采用什么观察方法，都应将观察与思考相结合，只观察不思考，总结不出规律来.观察是科学研究的起点和基础，教师应发挥主导作用，为学生提供更多的观察机会，并恰当而适时的指导，将会对学生的观察起到积极的引导和点拨作用，培养学生的观察能力.让观察成为学生开启探索世界的金钥匙.

参考文献：

[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：海洋大学出版社，2000.