初中物理科學(xué)方法教育途徑研究

1問題的提出科學(xué)方法是指人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的正確的思維、行為方式。物理方法是科學(xué)方法中的一類，是研究物理現(xiàn)象、描述物理現(xiàn)象、實施物理實驗、總結(jié)物理規(guī)律、檢驗物理規(guī)律時所應(yīng)用的各種手段與方法。物理科學(xué)方法是在物理學(xué)知識的獲取和運用中產(chǎn)生的。以往對于科學(xué)方法教育途徑的探討，由于沒有分清知識獲得過程和知識應(yīng)用過程中的科學(xué)方法，所以沒有明確指出進行科學(xué)方法教育與訓(xùn)練科學(xué)方法的途徑；由于缺少對確立教育途徑依據(jù)的思考，常常將物理教學(xué)的課型中某些科學(xué)方法本身作為教育途徑，更缺少對教學(xué)策略、實施框架的總結(jié)與提煉。為此，本文提出了確立物理科學(xué)方法教育途徑的依據(jù)，并從方法與知識對應(yīng)的角度，初步探索初中物理科學(xué)方法在知識獲得過程中的實施途徑及其順序性、層次性和基本實施框架。2初中物理科學(xué)方法教育的途徑2.1確立物理科學(xué)方法教育途徑的依據(jù)2.1.1科學(xué)方法教育的價值科學(xué)方法教育，如同物理教學(xué)中的其他基本問題一樣，總是隨著人們對其本質(zhì)認識的深入而逐步發(fā)展的。作為物理認知活動的中介，它是連接物理現(xiàn)象與知識的紐帶，物理知識（概念、規(guī)律等）只有通過科學(xué)方法的參與，才可能上升為知識形態(tài)，這就決定了物理科學(xué)方法教育與物理知識的教育過程不可分割?？茖W(xué)方法不僅是獲取物理知識的途徑和手段，還是理解物理知識的綱領(lǐng)和脈絡(luò)。從知識結(jié)構(gòu)形成的角度看，科學(xué)方法作為一種基本的研究方式，它縱橫交錯、貫穿于整個知識領(lǐng)域之中，把不同的知識相互聯(lián)系起來從而形成知識結(jié)構(gòu)。只有通過科學(xué)方法的參與，才能使客觀存在的知識結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為學(xué)生頭腦中的認知結(jié)構(gòu)。這就決定了物理科學(xué)方法教育具有順序性和層次性。科學(xué)方法還是一種智能。邢紅軍的“智力——技能——認知結(jié)構(gòu)”理論[1]提出能力的組成結(jié)構(gòu)：智力+技能+認知結(jié)構(gòu)（知識+科學(xué)方法）→能力?？茖W(xué)方法作為一種認知結(jié)構(gòu)，有其實施的基本框架，其實施過程也是知識向能力的轉(zhuǎn)化過程。2.1.2物理知識的方法論特點物理知識本身就具有方法的意義，因此弄清每個知識是怎樣產(chǎn)生的、其基本內(nèi)涵和外延是什么及如何應(yīng)用的不僅非常重要，而且這一過程本身就蘊含著科學(xué)方法的教育。因此，物理科學(xué)方法教育的確立要結(jié)合物理概念、規(guī)律的建立過程和物理實驗的實施環(huán)節(jié)。2.1.3初中學(xué)生思維規(guī)律一切教的規(guī)律都應(yīng)該服從于學(xué)的規(guī)律。初中學(xué)生思維規(guī)律的一個特點是處在由形象思維轉(zhuǎn)向抽象思維的過程，是思維發(fā)展的轉(zhuǎn)型期。第二個特點是以定向思維為主要形式[2]。學(xué)生思維規(guī)律的特點決定了初中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認知活動特點是從經(jīng)驗型概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，學(xué)生在學(xué)習(xí)一個新課題之前，總具有一些建立科學(xué)概念以前的經(jīng)驗直覺性觀念，所以科學(xué)方法的教育就要從生活規(guī)律、自然現(xiàn)象、生產(chǎn)實踐、物理實驗等入手，實施途徑要符合學(xué)生思維發(fā)展。2.2初中物理科學(xué)方法教育的途徑2.2.1基本途徑物理學(xué)是由實驗和理論兩部分組成。由此，物理教學(xué)也主要包括理論教學(xué)（物理概念和定律的教學(xué)）、實驗教學(xué)、科學(xué)方法教學(xué)，由于科學(xué)方法并不直接由學(xué)科的知識內(nèi)容來表達，而有它自己獨特的表達方式，它往往隱藏在知識的背后，支配著知識的獲取和應(yīng)用，所以在初中物理進行科學(xué)方法的教育，必須結(jié)合實際問題進行。因此，概念、規(guī)律、實驗的教學(xué)是實施物理科學(xué)方法教育的基本途徑，概念、規(guī)律的形成過程和實驗操作過程就是實施科學(xué)方法教育的具體途徑。2.2.2教學(xué)策略(1)物理科學(xué)方法與物理知識相對應(yīng)科學(xué)方法和物理知識是密不可分的，抓住知識和方法的對應(yīng)是通過知識教學(xué)滲透科學(xué)方法教育的關(guān)鍵。在教學(xué)中，應(yīng)挖掘教材中的科學(xué)方法教育素材，以物理知識教學(xué)為背景，抓住知識和方法的結(jié)合點，滲透科學(xué)方法教育?？茖W(xué)方法的真正掌握，必須要在探索和發(fā)現(xiàn)之中進行，這正是科學(xué)方法與物理知識的不同之處。(2)獲得不同物理科學(xué)方法的順序從直觀、操作性科學(xué)方法到具有數(shù)學(xué)特征的科學(xué)方法，再從具有數(shù)學(xué)特征的科學(xué)方法到抽象、間接的思維方法。(3)學(xué)習(xí)物理科學(xué)方法應(yīng)循序漸進學(xué)習(xí)同一物理科學(xué)方法要具有層次性，從具體到抽象了解物理科學(xué)方法的基本內(nèi)容；再從方法的基本內(nèi)容到其理論本質(zhì)，然后從理論本質(zhì)到思維本質(zhì)。2.2.3實施途徑的基本框架為了使學(xué)生掌握科學(xué)方法，在中學(xué)物理教學(xué)中，必須創(chuàng)設(shè)良好的認知情境，讓學(xué)生主動地觀察、思考、實驗、討論并對學(xué)生的探索進行指導(dǎo)，使學(xué)生沿著科學(xué)的思路與方法去探求，從而在不知不覺中掌握其中所運用的科學(xué)方法。因此物理科學(xué)方法教育實施途徑的基本框架是：注意創(chuàng)設(shè)情境→引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題→運用科學(xué)方法解決具體的物理問題→實現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化。3初中物理科學(xué)方法教育的具體實施3.1明確初中物理常用的科學(xué)方法初中物理常用的科學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)分類的對應(yīng)關(guān)系[3]見表1。從表1可知，初中物理常用的物理方法主要有八種，即直接定義法、實驗歸納法、比值定義法、控制變量法、乘積定義法、演繹推理法、等效法、理想化法。同一方法可能對應(yīng)多個物理知識點，同一知識點也可能對應(yīng)多種方法；另外，概念、規(guī)律、實驗教學(xué)中應(yīng)用的科學(xué)方法雖然相互交織，但每種教學(xué)各有側(cè)重，各有突出應(yīng)用的科學(xué)方法。表1初中物理常用科學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)分類的對應(yīng)表續(xù)表3.2在物理概念教學(xué)中獲得物理科學(xué)方法物理概念是反映物理現(xiàn)象、物理過程本質(zhì)屬性的一種抽象，是在大量觀察、實驗，獲得感覺、知覺，形成觀念的基礎(chǔ)上，通過分析、比較、綜合、歸納、想象，區(qū)別出個別與一般、現(xiàn)象與本質(zhì)，把一些事物的本質(zhì)的、共同的特征集中起來加以概括而建立的[4]。形成物理概念的途徑主要有四個：(1)對物理實驗、生產(chǎn)實踐、自然現(xiàn)象、生活經(jīng)歷直接感知、科學(xué)歸納；(2)對學(xué)生已有表象的科學(xué)歸納；(3)從已形成的概念演繹派生；(4)從已建立的物理規(guī)律演繹推出。形成概念的途徑也是實施科學(xué)方法教育的有效途徑。3.2.1科學(xué)概括例如：初中物理“力”概念的建立。教材中通過對圖示的情景如人推車、汽車拉拖車、手向上提箱子、人壓彈簧、磁鐵吸引鐵屑等的觀察與思考，找出它們的共同特征，即一個物體對另一個物體的作用，直接定義為“力”。有些概念和物理方法關(guān)系比較緊密，甚至本身就是物理方法，要抓住這些概念進行方法教育。例如：合力、電壓概念的建立都使用了等效的方法。在進行這些概念教學(xué)時，既要使學(xué)生明白等效的含義，又要讓學(xué)生知道運用等效的原因以及等效的過程，使學(xué)生不斷加深對等效方法的認識。這樣，學(xué)生既能加強對概念的理解又能受到科學(xué)方法的教育。3.2.2概念演繹用比值法定義速度，在s-t圖和v-t圖中，闡述速度在兩種圖像中的含義，涉及數(shù)學(xué)中的圖像法。在速度的基礎(chǔ)上，用近似方法，建立平均速度概念，再用圖像法找出s-t圖中平均速度的含義。由此可知，一個物理概念的建立，伴隨著多種科學(xué)方法的應(yīng)用。初中物理概念教學(xué)中獲得物理科學(xué)方法途徑的基本框架是：提出問題→觀察實驗→分析、比較、抽象、概括、演繹→形成物理概念。3.3在物理規(guī)律教學(xué)中獲得物理科學(xué)方法物理規(guī)律是自然界中物理客體本質(zhì)屬性的內(nèi)在聯(lián)系，是事物發(fā)展和變化的反映。同物理概念相比，物理規(guī)律是人們對物理客體的高層次認識，是理性認識階段的產(chǎn)物，是物理概念發(fā)展的必然結(jié)果，物理概念是物理規(guī)律建立的基礎(chǔ)和前提。在物理教學(xué)中，總結(jié)規(guī)律主要運用的科學(xué)方法有邏輯推理法、理想實驗法、圖像法、假說法以及實驗歸納法等，其中，又以實驗歸納法最為普遍。形成規(guī)律的途徑主要有三個：提出問題→觀察實驗→歸納、演繹→物理規(guī)律；已有概念和規(guī)律→建立假說→實驗驗證→物理規(guī)律；已有概念和規(guī)律→數(shù)學(xué)和邏輯推理→物理規(guī)律。形成規(guī)律的途徑也是實施科學(xué)方法教育的有效途徑[4]。3.3.1實驗歸納物理學(xué)中運用歸納法的基礎(chǔ)主要是實驗，因為實驗不但能夠重復(fù)進行，更重要的是它可以準(zhǔn)確地反映事物各個部分或物理過程各個階段的相互聯(lián)系，而且運用實驗最容易引起學(xué)生的興趣。運用實驗歸納法時，常常借助于圖像，即把實驗所得的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進行描點、連線，從分析圖線中總結(jié)規(guī)律。由于客觀事物所遵循的規(guī)律往往涉及許多因素，運用實驗方法總結(jié)規(guī)律時，如果一開始就把所有的因素都考慮進去，勢必造成實驗的困難，于是人們常常采用控制變量法：先固定一些因素不變，只改變其中的一個因素，進行觀察實驗，如此多次反復(fù)，然后再綜合出多個因素之間的關(guān)系。如阿基米德定律、液體內(nèi)部壓強規(guī)律、歐姆定律、光的反射和折射定律等。如物態(tài)變化中熔化與凝固的規(guī)律，就是利用實驗歸納法，通過海波和蜂蠟的熔化和凝固的過程中溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)記錄，并結(jié)合圖像法得出了規(guī)律。運用小磁針研究磁場特點，運用蠟燭、凸透鏡、光屏等研究光的成像規(guī)律等，都體現(xiàn)了實驗歸納法與其他方法相結(jié)合，得出物理規(guī)律的方法，也是研究物理學(xué)的重要方法之一。3.3.2演繹推理演繹推理就是在已有的定律或?qū)嶒灮A(chǔ)上結(jié)合一些概念，運用數(shù)學(xué)知識推證而得出結(jié)論的過程，其本身也是一種科學(xué)方法。如液體內(nèi)部壓強規(guī)律，在液體內(nèi)部選取理想液柱作為研究對象，結(jié)合平衡力的概念（液柱底面所受壓力與液柱所受重力大小相等，F(xiàn)=G），運用公式展開、推理(pS=ρghS)，得出深度為h處液體產(chǎn)生壓強的計算公式為p=ρgh，這個公式定量地給出了液體內(nèi)部壓強規(guī)律，并與用壓強計研究不同位置壓強情況的定性實驗相一致，科學(xué)性得到驗證。其他如串并聯(lián)電路電壓、電流、電阻的特點等都運用了數(shù)學(xué)知識推理、實驗驗證得出物理規(guī)律。初中物理規(guī)律教學(xué)中獲得物理科學(xué)方法途徑的基本框架是：提出問題→觀察實驗→歸納或演繹推理→實驗驗證→形成物理規(guī)律。3.4在物理實驗中獲得物理科學(xué)方法物理實驗根據(jù)其在物理研究中的作用不同可分為探索性實驗、驗證性實驗、測量性實驗等。實驗的基本程序可分為三個階段：實驗的設(shè)計階段、操作階段、整理階段[4]。實驗方法的教育應(yīng)從物理實驗的基本程序入手，程序的每個環(huán)節(jié)就是進行物理科學(xué)方法教育的有效途徑?！翱刂谱兞糠ā痹诔踔形锢韺嶒炛袘?yīng)用最為廣泛，但很多學(xué)生對這種方法的掌握有一定的難度。下面以初中“浮力的影響因素”的探究性實驗教學(xué)為例，說明控制變量法在實驗教學(xué)中進行教育的途徑。(1)實驗設(shè)計階段：結(jié)合生活實際和物理現(xiàn)象對可能的影響因素進行有根據(jù)的猜想，浮力的影響因素可能有液體的密度、排液體積、物體的密度、物體的體積、浸入的深度等；再對每一個因素是否有關(guān)進行實驗步驟設(shè)計。設(shè)計過程中突出運用的是控制變量的方法，所謂控制變量法，就是在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規(guī)律的因素和條件加以人為控制，只改變某個變量的大小，而保證其他的變量不變，最終解決所研究的問題。如在探究進入深度對浮力的影響時，要人為控制其他因素相同，即使用同一個物塊，逐漸浸到一種液體中，改變浸入的深度，測量并計算出浮力的大小進行比較。(2)操作階段：根據(jù)實驗設(shè)計和原理，即利用實驗室測量浮力的方法，選取實驗器材：一個圓柱體、細線、燒杯、適量的水、彈簧測力計；再依據(jù)實驗步驟進行操作：用細線將圓柱體掛在彈簧測力計下，記錄彈簧測力計的示數(shù)為F；將圓柱體浸在水中某一深度，不與燒杯接觸，記錄彈簧測力計的示數(shù)為；改變圓柱體浸在水中的深度，記錄不同深度h處彈簧測力計的示數(shù)。表2不同深度h處彈簧測力計的示數(shù)。(3)整理階段：利用數(shù)形結(jié)合的方法，將實驗數(shù)據(jù)用EXCEL繪制成曲線，描述彈簧測力計的示數(shù)隨圓柱體浸入水中的深度變化的圖形（見圖1）。圖1彈簧測力計示數(shù)隨圓柱體浸入水中的深度變化圖由圖1可以很清楚地得出實驗結(jié)論：物體浸沒在液體之前，浸入