挖掘教材 关注科学方法教育

雷行亮

物理是一门综合性很强的学科,能考察一个人的数理逻辑能力和计算能力,同时,还包含着记忆能力。大学理工科的许多专业课,都需要物理知识做基础,没有扎实的物理基础,会造成大学后续学习的困难。但学生对物理实在没有信心。物理概念会记,物理规律会背,听着全懂,做起来叹气,老师讲一道,学生只会一题。知识无法形成整体框架,内容全是零散的、局部的,导致学生认为物理难。其实归根结底,是因为学生没有掌握物理中的科学方法。

在物理教学过程中,有目的、有意识、有步骤的渗透和传授物理科学方法,把各种科学方法的名称、内容、特点和操作过程在物理教学过程中逐步传授给学生,让学生体验物理概念、物理规律得出的过程,使学生掌握并能够在今后的物理学习和研究过程中灵活地运用这些方法,使学生在逐步掌握科学方法的同时提高科学素养。

物理教材对科学方法的处理比较隐性,更注重科学方法的潜移默化的感受。因此教师必须做到:研读教材,并挖掘出其中的科学方法,并进行设计教学。其原则是:在知识点的建立、引申和扩展中,各知识点之间的连结处,一定存在物理科学方法因素。

以人教版初中物理光学部分为例:

一、归纳法

归纳法是一种由个别到一般的研究方法。它通过许多个别的事例,然后归纳出它们所共有的特性,从而得出一个一般性的结论。

1.光源的定义 课本上通过列举生活中的各类现象:“宇宙中的恒星都能够发光”、“许多动物也可以发光”、“萤火虫在发光”、“水母、灯笼鱼、斧头鱼等发出的光”,抽出这些现象共同的特征:“会发光”,最后进行总结归纳,把这个共同的特征上升到一般性的定义:“所有这些能够发光的物体都叫做光源”。

2.光的直线传播规律的得出 课本上先通过案例“看到透过树丛的光束是直的”、“从汽车前灯射出的光束是直的”、“电影放映机射向银幕的光束也是直的”,归纳总结得出“光在空气中是沿直线传播的”。

接着提出猜想:“光在空气中沿直线传播,那么在液体中是不是也沿直线传播呢?”然后设计实验来探究猜想,此时需要研究问题,就面临采取方法,课本此时采取的科学方法便是“实验法”,再探究在固体中的情况,最后归纳出“实验表明,光在水、玻璃中也是沿直线传播的。”进而得出“光在同种均匀介质中沿直线传播”。

教材中在结论处特别写明“实验表明”四个字,这里一定要向学生强调,这里的“实验”二字强调了“大量实验”,因为只有大量实验的基础上,才能得出普遍性规律。

教材此处编写的意图,也有引导学生观察生活中的现象,并大胆进行迁移、猜想,还可以设计实验进行探究。长期坚持这样的教学,会培养出有创新意识和创新能力的学生。

光学部分规律的得出,基本都是应用归纳法,如后面的光的反射定律也是在多次实验的基础上,多次观察入射光线和反射光线的位置关系,多次比较入射角和反射角的大小关系归纳而得到的,还有光的折射定律等等。

二、分类法

分类法是根据研究对象的共同点和差异点,将对象区分为不同各类的逻辑方法。

1.光源的分类 课本中列举了许多光源,教师在教学时,可以依据光能的来源,将光源分成热光源和冷光源,也可以将光源分成人造光源和自然光源。

2.透镜的分类 透镜中,课本引导学生观察生活中的眼镜,“发现镜片的中间和边缘的厚薄不一样。”,从而将透镜进行分类:“中间厚、边缘薄”的一类叫做凸透镜,“中间薄、边缘厚”的一类叫做凹透镜。

三、理想模型法

理想模型法,是指在原型(物理实体、物理系统、物理过程)的基础上,经过科学抽象而建立起来的一种研究客体。它忽略了原型中的次要因素,集中突出了原型中起主导作用的因素,摒弃了次要矛盾,突出了主要矛盾。所以理想模型是原型的简化和纯化,是原型的近似反映。

1.光线——实体理想模型 在光学中,存在着许多光路图,因此课本在第一节就需要定义出“光线”的定义:“为了表示光的传播情况,我们通常用一条带有箭头的直线表示光传播的径迹和方向。这样的直线叫做光线。”

2.光的折射——过程理想模型 在光的折射教学时,课本首先提出“光从一种介质进入另一种介质,例如光从空气进入水或玻璃时,情况会怎样呢?然后展示了图1,此图很明显地看出同时发生了光的反射和光的折射两种现象。但由于光的反射不是我们要研究的主要问题,因此,课本对光的反射进行了忽略,引导学生建立了图2模型。

四、为定义法

在经验事实或观察实验的基础上,由人们根据研究问题的需要确定概念的方法。

如:法线、入射角、反射角的定义

在光学部分,光路中存在许多要素,为了方便大家之间的沟通与交流,需要对一些名称做出定义,因此需要先定义出入射光线、反射光线、法线、入射角、反射角等。当然定义的时候,要满足需要、符合实验的前提下,还要尽量简单、并照顾人们的习惯。

透镜中焦点和焦距的定义等等也都是人为定义法的应用。

五、微分法

微分法是把事物分割为许多细小的部分的方法。在高中物理中也是很常用的一种方法。

如:漫反射的教学

“看上去很平的白纸,如果在显微镜下观察,可以看出实际是凹凸不平的”,这里就应用了微分法。然后再应用原来学过的反射定律,得出入射的平行光被凹凸不平的表面反射向四面八方。

六、图像法

图像法是利用图象这种特殊且形象的数学语言工具,来表达各种现象的过程和规律的科学方法。

1.小孔成像 在光的直线传播教学时,小孔成像是其一大应用,但如果用文字来说明为什么小孔成的像是倒立的?为什么可能变大,也可能变小?就相当麻烦了,而且总也感觉说不清楚。因此课本在定义了光线后,安排了一个“想想做做”实验,并引导学生“从烛焰的不同位置发出的光穿过小孔后是怎样传播的?试着在图中画一画,也许能帮助你解释为什么能成这样的像。”有了光路图,解释就简单、方便多了。

2.漫反射 漫反射教学时,学生经常与镜面反射相对比,然后认为镜面反射遵循光的反射定律,而漫反射不遵循光的反射定律。此时,教材中重点是引导学生画光路图,先画平行光射到光滑的镜面上,还是平行反射,接下来,再将平行光入射到凹凸不平的表面上,依照光的反射定律,让学生画出反射光线,从而认识到漫反射的根本原因在于反射面的凹凸不平,而不是不遵循光的反射定律。

总之,在教材中,许多地方都在展示物理科学方法,如课本“光的传播速度”部分,“我们总是先看到闪电,后听见雷声。”其中的“总是”就是归纳法的应用;“光比声音传播得快。”就是比较法的应用;“在通常情况下,真空中的光速可以近似取为”其中的“近似”就是近似法的应用。

隐藏在教材中的物理科学方法,需要教师去挖掘出来与学生分享,让学生去体会其中的巧妙,感悟其方法的应用,掌握并能够在今后的学习和研究过程中灵活地运用这些方法,让学生在形成知识的过程中经历探究过程,体验科学方法、感悟科学精神、形成科学态度,提高科学素养。