科学方法与物理教学

专题讲座 科学方法与物理教学 义务教育《物理课程标准》指出，“物理课程应改变过分强调知识传承的倾向，让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识。”“通过科学探究，使学生经历基本的科学探究过程，学习科学探究方法，发展初步的科学探究能力，形成尊重事实、探索真理的科学态度。”作为科学探究过程，无论是科学家探究物理世界还是学生学习物理知识，都必须运用科学方法与探究对象作用。在物理教学中，科学方法的学习与运用，对于学生知识的学习、能力的发展和情感－态度－价值观的教育，有着不可替代的作用。本课程在认识科学方法的基础上，研究科学方法与物理教学的关系，探讨加强科学方法教育的途经。

一、科学方法概述 （一）科学方法 拉普拉斯说 ：“认识一位天才的研究方法 ，对于科学的进步 ，并不比发现本身更少有用处 ”。“方法”一词起源于古希腊语，意为“沿着正确的道路前进”， 科学方法则是正确反映所研究对象的客观规律的主观手段，是探索知识、获取知识、运用知识的有效工具。科学方法有着具体的思考步骤和操作步骤，从而使人们能按一定的认识程序，按部就班，循序前进，顺利达到认识结果。人们认识物理世界，就是运用科学方法，与物理研究对象发生作用，从而建立概念，发现规律，并且运用科学方法，去分析、解决实际问题。 一个完整的科学认识过程，往往需要经历感性认识、理性认识及其复归实践等阶段。各个阶段都有科学方法的各种具体内容相对应。按认识过程的特点，科学方法大体上可以分为科学认识的感性方法，其中包括观察方法、实验方法、模拟方法等；科学方法的理性方法，其中包括假说方法、数学方法以及抽象与概括、分析与综合、归纳与演绎、比较与类比等逻辑方法。还有灵感、想像等直觉思维方法。系统论、信息论、控制论等“老三论”方法以及耗散理论、突变理论、协同学等“新三论”方法，是 20 世纪 40 年代以后迅速发展起来的横向学科，它们已成为推动现代科学技术迅猛发展的重要工具。

（二）科学方法与物理学的发展 纵观物理学的发展，作为反映物理对象、现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化规律的物理规律的建立，离不开物理经验事实和数学推理，更离不开科学方法，是三者结合的产物。 建立物理规律是一种创造性的劳动。需要有必要的物理知识作基础，需要丰富的事实依据，更需要科学方法。要通过抽象思维、形象思维和直觉思维共同作用，利用观察、实验、归纳、演绎、比较、类比、假说等方法，通过直觉的洞察、灵感的激发、想像的发挥、假说的试探，对观察实验结果和原有的理论进行综合的、全面的、深入地研究和探索。

物理规律的建立过程，可以总结为三种途径：实验归纳，理论分析，提出假说。 １．实验归纳 实验归纳是直接从实验结果中分析、归纳、概括而总结出物理规律的方法。具体过程是，首先要有丰富的感性认识和经验事实，然后对这些事物进行比较、分析，找出它们所具有的共同本质属性，再用归纳的方法，推知所有这类事物也具有这种本质属性。例如由一个物体，加在其上的外力变化几次，该物体的加速度也正比例的变化几次，推知所有物体的加速度与所受合外力成正比。经典物理学中建立的物理规律常用实验归纳法。这也是中学物理教学中应用最广的方法。例如，牛顿第二定律、欧姆定律、法拉弟电磁感应定律、玻－玛定律、盖·吕萨克定律、查理定律、光的折射定律、焦耳定律、光电效应实验定律、氢原子光谱的实验规律等等，都是实验归纳的结果。

２．理论分析 理论分析就是利用已有的物理概念和物理规律，通过逻辑推理或数学推导，得出新的物理规律的方法。常见的有理论归纳和理论演绎两种。

（１）理论归纳 理论归纳就是利用已有的物理概念和物理规律，经归纳推理，推导出更普遍的物理规律的思维方法。在物理学发展史中，如能的转化和守恒定律，就是在动能、势能、机械能和机械能守恒定律、热量、热力学第一定律、焦耳定律等概念和规律建立的基础上归纳总结建立起来的。

（２）理论演绎 理论演绎就是利用较一般的物理规律 , 经逻辑推理或数学推理，推导出特殊的物理规律的思维方法。如爱因斯坦在提出狭义相对性原理和光速不变原理后 , 经演绎推理 , 推导出时空变换关系 , 再由时空变换关系推出“运动的尺子长度缩短”、“运动的时钟变慢”这一同时的相对性以及新的速度合成法则，从而形成了新的时空观。麦克斯韦根据他所建立的电磁场方程，预言了电磁波的存在，并由此可推导出电磁波在两介质交界面上折射和反射的规律等。 ３．假说方法 假说是物理学发展的基本形式，也是物理学研究问题的一种重要方法。物理假说就是物理研究者在观察和实验的基础上，根据物理原理和事实，通过思维加工，对未知的物理现象或过程的本质、规律所做的一种假定性说明和解释。例如麦克斯韦的位移电流和涡旋电场假说、爱因斯坦的光量子假说、德布罗意实物粒子的波粒二象性的假说等等。

通过提出假说来建立物理规律的过程是首先对以往经验和事实进行分析、总结，然后提出假定性的理论，再通过观察实验和经验事实进行检验。为证实假说是否正确，必须按假说的内容、目的及所提供的线索和方向进行实验、观察，如果假说被证明是正确的，新的规律就建立了。如欧姆用类比法类比热流规律（傅里叶建立的），研究电现象提出假说：导线两点之间的电流大小也可能正比于这两点之间的某种驱动力。他把它称为驱电力，即现在说的电势差。随后欧姆用实验验证了他类比推理中得出的这个假说，建立了欧姆定律。

二、科学方法在物理学知识体系中的地位和作用 关于物理学科的特点及其基本因素的分析告诉我们 ，物理知识结构中，物理实验事实是基础，物理学的理论系统（含概念、规律、方法）是主干，数学则起着表述形式的作用。而其中的物理实验事实（含 物理现象）、物理概念、物理规律之间的逻辑联系，是通过科学方法实现的。科学方法是各知识之间联系的纽带和桥梁，是知识体系中的逻辑语言和逻辑符号。

知识的广义涵义就是理论知识、实践技能和方法的总称 。其中每一门学科的方法则是 “ 该学科的逻辑语言或符号规则，是使本学科各种事实动作起来的手段和桥梁。”科学方法作为物理学方法的主要内容，在物理学知识体系中占有重要地位 ，在物理知识的传承中 ( 包括教材中表述知识和教师讲授知识 ) 具有重要作用。

物理知识一般可分为“形成性知识”和“同化性知识”，形成性知识指直接从实践中总结出来的定律和基本原理，如牛顿运动定律 、气态方程 、欧姆定律等。 它们的获得，先要用观察 、实验方法取得感性认识，然后通过分析与综合、归纳与演绎，比较与类比等思维方法上升到理性认识，再到实践中检验形成理论 ；同化性知识， 如动量定理 ，则是从已有的前提 ( 如牛顿第二定律 ) 出发，经过逻辑推理或数学推理而得出的结论。知识的传承只能通过文字或语言的方式。对于物理知识，无论是“形成性知识”还是“同化性知识”，在教材表述中，在教师讲授中，都必须讲清物理规律是如伺用观察、实验等方法从经验事实中发现的；讲清科学家如何用科学思维方法建立物理理论；讲清物理概念 ，规律之间的逻辑关系。例如教材中探究“什么情况下磁可以生电”这一节，就是先通过观察、实验，用比较、分析的方法，研究磁场中的闭合电路，怎样才能产生电流。当我们几次发现导体切割磁感应线时有感应电流产生，便由这几个个别，归纳出“闭合导体切割磁感应线时有感应电流产生”这一普遍结论。当我们再做几个类似的实验，仍符合这个结论时，我们就可以确认，这个结论是正确的，并具有普遍意义。这样经过观察实验——科学思维——再到实践中验证 ．最后才得出“闭合导体切割磁感应线时有感应电流产生”的结论 。而“ 动量定理 ”则是同化性知识 。教材中由牛顿第二定律 F =ma 出发 ，经过演绎最后推出 ： Ft= m V — m V ′ Ft=P — P ′ ， 得出具体的结论即动量定理。总之，物理教学中，无论是同化性知识还是异化性知识 ，都必须运用科学方法讲清物理知识的来龙去脉，讲清物理知识的逻辑结构，从而 “ 使本学科的各种事实和原则互相联系起来，使本学科理论动作起来。”麦克斯韦说得好 “ 不仅要避免传授枯燥抽象的知识，而且应籍助于通往各类知识的门径的手段使科学原理与最初的感性认识融合起来 ，这种感性认识是形成思维的基础，使理论生动可信。 ”

三、科学方法与物理教学 ( 一 ) 科学方法与知识的学习 1 ．科学方法与知识的学习 物理知识的发现是物理学家运用科学方法通过观察实验 、科学思维等“动作”与物理世界相互作用的结果。这种知识的学习对学生来说，虽然已有预期的目标和结果，并且有教师指导 、使步骤、内容 、难度都大大简约 、轻易了 ，但作为人类认识活动的心理过程，也要运用科学方法经历类似前人的“动作”来完成。不仅明白 “ 这是什么”；还要明白“为什么是这样” ；甚至还要亲身实践一下“ 人们是怎样才认识到它是这样的”。例如牛顿第二定律的学习，按教材安排，学生首先通过一系列观察、实验，经比较、分析，归纳总结出对一定质量 m 的物体其加速度 a 与所受的力 F 成正比 ；与它的质量 m 成反比，在分析以上两个侧面的基础上，最后综合得出一般规律 ．即 F =ma 。可见，学生只有运用科学方法 ，参与物理发现的过程 ，才能真正理解 、掌握知识 。在生理上 ，实现知识理解过程中额叶对大脑各部分感知内容的整合与连接 ：在心理上，实现知识结构的扩充和认知结构的完善 。

2 ．科学方法与知识的运用 知识的运用也需要科学方法 。人们面临着实际问题 ，总要以方法的形态 ，表现出对问题的反应和解决问题的能力。观察 ，实验方法是探索物理世界的基本途径， 也是运用己有知识解决实际问题的基本手段。 仪器使用，排除故障，发明创造，都要用实验方法。分析与综合，归纳与演绎．猜想与类比等思维方法则是学习，科研和生产实际中分析解决问题最普遍 ，最基本的方法。仅以解决物理习题为例，面对物理习题 ，人们总要由分析已知条件入手 ，进一步综合 各种情况．用理想化模型方法确定研究对象所处的物理状态或过程 。 然后才能用数学方法选用相应公式 ，建立方程 ．解决问题。许多学生学物理只知道死记硬