使中學生從物理課學到一些研究方法

1、.使中學生從物理課學到一些研究方法中學畢業(yè)生不但應有升學、就業(yè)所必需的根底知識和技能，還應該有探究未知事物的才能，不能什么都靠別人教。這就要求中學教學注意使學生掌握一些探究客觀世界的方法。自然科學各門學科的教學，應該把科學知識的傳授和自然科學一般研究方法的訓練很好結合起來。中學物理教學重視使學生理解、掌握一些自然科學研究方法，不只對學生畢業(yè)后的學習和創(chuàng)造性的工作有益，而且對學好中學知識也有好處。因為學生的學習方法，實際就是在老師指導下探究、研究客觀事物的方法。方法對，就學得好而快，方法不對，就要走彎路。在中學物理教學中涉及到的自然科學的一般研究方法，主要有觀察、實驗、抽象、理想化、比較、類比、

2、假說、模型、數(shù)學方法等等。本文僅就其中一些從教學、教材角度談些零星想法。一、觀察“觀察通常是指人們考察處于自然狀態(tài)下的事物，即在人們不對客觀事物施加影響的情況下，對事物進展研究，在物理學的開展中，觀察方法是很重要的，牛頓力學是從觀察天體運動中總結出來的。觀察宇宙射線仍是研究高能粒子的重要方法。在學習物理之前，學生在生活和學習中已經(jīng)有了觀察的經(jīng)歷和訓練，物理課應該使他們掌握得更好一些。應該重視培養(yǎng)學生觀察物理現(xiàn)象的興趣。很多孩子是懷著深切的期望開場學物理的，他們從日常觀察中積累了許多問題，期待在物理課中找到答案。能及時給學生滿意的解答，會有利于保持和開展學生的觀察興趣。但多數(shù)情況是限于知識準備缺

3、乏，不能及時解答。這時當然可以說要在學過什么知識以后才能解釋?？墒牵@樣的話，一個學生連聽幾次，觀察興趣就會降低。假如改變一些方法，鼓勵和指導學生繼續(xù)從哪些方面深化觀察，作好紀錄，同時說明所觀察的事物跟哪部分知識有關，如今的觀察對將來的學習有什么好處，效果可能好些，更可取的方法是老師爭取主動，給全班或個別喜歡觀察的學生布置觀察作業(yè)，觀察跟講到的知識有關的物理現(xiàn)象、技術設備以及人們的某些活動等等。課本在某些課題后面編了一些觀察性的題目，教學時可以根據(jù)情況提早布置給學生。學生的觀察興趣，最初是出于好奇，特別是年齡小的孩子，遇到新穎東西、新奇現(xiàn)象舍不得走，要看個終究，這種出于好奇的觀察興趣是不穩(wěn)定的

4、，只滿足于外表理解。物理課應該把出于好奇的觀察進步到有目的的觀察。所謂有目的的觀察，不只是有明確詳細的觀察對象和要求，更重要的是引導學生懂得觀察是人類研究客觀世界規(guī)律的和種根本方法，而在觀察中注意分析、比較，尋找各有關因素之間的聯(lián)絡。應該注意使學生養(yǎng)成良好的觀察素養(yǎng)。這首先是要求觀察的客觀性，對于觀察中感知的各種資料，實事求是地對待。其次，觀察要抓住主要的東西，抓住跟觀察目的有關的方面，要有步驟、有次序、盡可能細致?？茖W的觀察都要有詳細的記錄。物理教學中作為作業(yè)布置給學生的觀察，最好也要求記錄，培養(yǎng)記錄的習慣和才能。記錄要求真實、簡明、詳細，字數(shù)不要多，幾十個字、一百多字或者列個表格填上數(shù)據(jù)就

5、夠了。總之，應該培養(yǎng)學生成為樂于觀察、擅長觀察的有心人，防止形成漫不經(jīng)心、視而不見的粗率作風?！坝^察有它的局限性：不能排除干擾因素；不能隨意重復，而要等待現(xiàn)象的自然再現(xiàn)；不能由人控制現(xiàn)象發(fā)生的條件，而要深化研究卻往往需要作實驗?！皩嶒災敲礇]有這些缺點。但是實驗不能完全取代觀察很多現(xiàn)象，如天文現(xiàn)象，人們還只能等待他自然發(fā)生，而且在觀察中得到訓練是做好實驗不可缺少的。二、實驗“實驗是人們根據(jù)研究的目的，利用儀器、設備，人為地控制或模擬自然現(xiàn)象，排除干擾，突出主要因素，在有利的條件下研究自然規(guī)律?！皩嶒炘谖锢韺W的開展和物理教學中的根底作用，無需贅述。中學物理中的實驗，根據(jù)不同的分類標準可分為演示實驗

6、和學生實驗，定性實驗和定量實驗，探究性實驗和驗證性實驗。目前我國中學物理教學中，數(shù)量最多的是由老師演示的探究性實驗。從培養(yǎng)學生掌握實驗方法的角度來看，老師的演示起著示范作用。時刻意識到這一點，在安裝調(diào)整儀器設備，進展實驗操作，觀測、記錄、處理數(shù)據(jù)，分析、概括得出結論，即在整個演示過程的每一步，都嚴肅認真，一絲不茍，必然會產(chǎn)生深化的教育作用。中學能做的探究性實驗，涉及的參數(shù)都不多，實驗時一般是依次改變其中之一來考察它的影響，最后概括出反映各參數(shù)關系的規(guī)律。演示時學生理解這樣的考察步驟，在觀察中他們的思維便會處于更積極的狀態(tài)，同時也懂得這種用實驗來研究問題的方法。物理學史上不少著名的實驗，如庫侖扭

7、稱實驗、盧瑟福 -粒子散射實驗、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實驗等，限于設備，目前一般中學不能演示，但在課本里還是寫上了。課本這樣做，除了考慮到它們是重要規(guī)律，理論根底，并且有助于開展思維，還考慮到可以使學生從這些詳細實例中領會物理實驗的一般方法。例如，每個實驗都包括提出實驗任務，確定實驗方法并研究如何實現(xiàn)，對得到的實驗資料進展邏輯加工得出結論等階段；實驗的每個階段都跟理論嚴密交織著，都要用已有的理論來指導；科學儀器能幫助人們抑制感覺器官的局限，使感性認識更加客觀、精細、準確，因此科學儀器的設計，使用對實驗的成功起重要有時甚至是決定性的作用。在學校里，為了確定一條物理規(guī)律，通常只提出一個實驗，因此能可能

8、使學生誤認為一個實驗就可以發(fā)現(xiàn)一條規(guī)律。應該向?qū)W生指出：任何一位實驗科學家，在得出他最后的科學結論之前，都是采用過多種方法，做過幾十次、幾百次的實驗，處理過浩繁的觀測資料，經(jīng)受過屢次的失敗和挫折；任何一項實驗發(fā)如今得到公認之前，至少要為另一位研究者所重復證實；而事實常常是一個題目同時有許多在獨立研究，相繼得到同樣結論，或是一項實驗發(fā)現(xiàn)一經(jīng)發(fā)表，立即有許多人重復這個實驗加以檢驗。結合物理學史上的詳細事例講清這些問題，有助于培養(yǎng)學生不畏險阻的攻關精神，懂得任何科學成就都是許多人辛勤勞動的共同結晶。老師的演示實驗和介紹一些著名實驗，還只能使學生對實驗方法有所理解，而要使學生真正掌握一些，必須也只能靠

9、他們自己去理論。目前國外盛行一種叫做“發(fā)現(xiàn)法的教學方法，讓學生親自實驗、觀察、經(jīng)過自己的感知和思索形成概念，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。例如，在英國的一套中學課本?Exploryng Physics?中譯本叫?探究物理知識?第一冊里，“液體壓強一節(jié)，隨即提出問題：“液體在其它各個方向上是否也有壓強呢？然后讓學生依次做三個實驗：1用釘子在白鐵罐側壁靠近底部同一個高度的不同地方打三、四個孔，灌滿水后觀察會怎樣從這些孔中噴出；2將其它小孔封住只留一個，再在罐的側壁靠近頂部和中部的地方各打一個小孔盡量使小孔的孔徑一樣，觀察水怎樣從這三個噴出，并且搜集在同一時間內(nèi)從每個孔噴出的水量；3將白鐵罐砸成歪歪扭扭的開狀，再觀察水

10、怎樣從孔中噴出，實驗后，讓學生就這樣兩個問題得出結論；1液體在哪些方向上產(chǎn)生壓強？2液體的深度對壓強大小有什么影響？最后讓學生解釋兩個現(xiàn)象：1水壩的底部為什么比頂部厚？2潛水艇、潛水員以及普通的魚潛水為什么不能超過一定的深度。對于“發(fā)現(xiàn)法我理解很少，從看到的材料來推測，培養(yǎng)出來的學生會掌握一些實驗研究方法，獨立獲取知識的才能會相當強；很值得深化理解，并且在有條件的學校或班級中進展試驗。我們課本中的學生實驗，如今還是按傳統(tǒng)的教學方法來安排的，探究性的很少，多數(shù)是驗證性的，內(nèi)容都比較簡單，數(shù)目也不多，初高中總共52個。在實驗訓練上不大可能到達“發(fā)現(xiàn)法所到達的程度。但是讓學生到達大綱要求掌握的技能和

11、實驗修養(yǎng)會使用根本儀器、會記錄、整理數(shù)據(jù)，會得出適當?shù)慕Y論，還是辦得到的。例如，初中要求學生會正確使用安培表，初中物理課本就安排了四個要用安培表的實驗。課文里講了安培表的使用方法，習題里編排了在實物圖上練習接安培表和讀數(shù)的題目，假如再實驗使用四次，學生是能根本掌握安培表正確用法的，印象也會比較深。初中要求學生掌握連結電路的技能，初中課本就在電學第一個實驗讓學生按照實物路圖接線，畫出電路圖，第二、三、四、五個實驗讓學生按照電路圖接線，到第六個學生實驗那么只提出測量要求，讓學生根據(jù)要求去設計電路，這樣由易而難，循序慚進，學生是能學會連接簡單電路的。在記錄處理數(shù)據(jù)，寫簡單的實驗報告等方面，課文中也是

12、逐步進步難度的。因此，為了讓學生實在掌握一些實驗技能，加強實驗修養(yǎng)，希望不要對為數(shù)不多的學生實驗再刪減合并了，認為課文中的實驗不適宜或是缺乏設備作不了，可以用其它實驗來代替。在科學研究中，實驗的每一步都離不開理論的指導雖然從總體來看，實驗是理論的根底，在中學的學生實驗中也應該注意引導學生手腦并用，把實驗跟理論嚴密結合起來。這不只要求學生明確實驗目的和結果跟所學理論的關系，懂得實驗設計所論據(jù)的物理原理，而且實驗過程中的每一項操作都應該聯(lián)絡已有知識考慮應該怎樣作，而不是不動腦子機械地照書上寫的去做，或者盲目地去試。對于高年級學生還可以引導他們運用已有的知識分析考慮誤差的來源和減小方法。為了防止學生

13、只動后不動腦，課本從初中第一冊后半本起，學生實驗中學再詳細列出實驗步驟1、2、3而把實驗目的、原理、器材、步驟綜合起來表達。希望教學中要求學生預習，自己安排實驗步驟。三、抽象和理想化中學物理要學習力、質(zhì)量、功、能等概念。一切科學概念都是抽象的成果。所以物理課有條件讓學生在學習這些物理概念的過程中，領會什么叫抽象和怎樣抽象，反過來，懂得了抽象是怎么回事，也有利于概念的形成。中學物理課中最常遇到的抽象類型主要有：分析概括一類事物共同的本質(zhì)特征；把物質(zhì)、運動的某種性質(zhì)隔離出來；理想化也是常見的一類抽象形式。初中講動能、勢能的時候，列舉飛行的子彈、流動的河水、舉高的重錘、壓縮的彈簧等等都能做功，引導學

14、生分析、比較、綜合、概括形成功能、熱能的概念，就是抽象事物共同的本質(zhì)特征。小孩子形成“人、“房子等概念時就運用了這種類型的抽象方法。所不同的是，形成那些概念時，事物的共同特征比較直觀、容易琢磨，而物理課里要抽象的共同特征 不那么容易琢磨，需要更加注意通過分析、比較，認識所列舉的同一類的各個事物的共同特征，以及容易混淆的兩類事物之間的根本差異，才能形成比較明晰的概念。講電阻、加速度、電場強度等概念時，是引導學生把物質(zhì)、運動的某種性質(zhì)隔離出來，得到表征物質(zhì)或運動性質(zhì)的物理量。這種類型的同象，特別是用兩個物理量的比值來表達新抽象出來的物理量，學生常感到困難，往往忘記它的物理意義，當作數(shù)學上的比例系數(shù)

15、對待。例如，有相當多的學生認為：一個既定導體的R值隨它兩端V成正比彎化，隨通過 的I成反比變化。這可能跟講R時沒有演示一個導體有確定的阻值有關。如今的新教材注意到這一點，采用了先講I、V，再講R、歐姆定律的方法，講R時還用了高中常用的引入和定義物理量的方法，即先演示任一導體都有確定的值，再演示不同導體的的值不同，然后說明這個比值反映了導體對電流的障礙作用，叫做電阻。這樣處理，一方面希望學生把電阻這個概念掌握好一些，同時也打算在初中，在電阻這個比較容易琢磨的概念上，對學生的抽象才能給一些訓練，將來可能比較容易適應高中的教學。這樣處理也有缺點，一是講電阻時實際已經(jīng)講了歐姆定律；二是初中學生對用比值

16、定義物理量感到困難。怎樣處理更好，還值得試驗，討論。理想化的方法，是科學抽象的一種形式。在中學物理中可以使學生認識的理想化方法，主要有兩種：一種是把物體本身理想化或者把物體所處的條件理想化；另一種是理想實驗。由于這些理想化方法在物理教學中經(jīng)常用到，所以有必要使學生認識它們的本質(zhì)、必要性和局限性。質(zhì)點、剛體等，是把物體本身理想化也就是抓住物體在所討論的現(xiàn)象中起主要作用的性質(zhì)，暫時舍去次要作用的性質(zhì)。無磨擦的外表、絕熱的容器等，是把物體所處的條件理想化即抓住起主要作用的條件，暫時舍去起次要作用的條件。這種理想化方法的好處：第一、可以使問題的處理大為簡化而又不會發(fā)生大的偏向；第二，對理想化的事物進展

17、研究的結果，加以適當修正，即可用于實際事物。例如，分子沒有體積、分子之間沒有互相作用力的理想氣體，實際上不存在，但是對于高溫、低壓下不易液化的氣體氫、氧、氮、氦以及空氣等當作理想氣體來處理，用理想氣體狀態(tài)方程來計算，誤差很小而非常簡單。低溫、高壓下的氣體特別是那些容易液化的氣體，不符合理想氣體狀態(tài)方程，但是當人們從分子占有體積和分子間有互相作用力兩方面對理想氣體狀態(tài)方程加以修正，用來處理真實氣體，就能跟實驗符合得相當好?？茖W的理想化不同于無根據(jù)的夢想，有它的客觀根據(jù)。客觀存在的復雜事物具有多方面的特性，處于多種條件下。但是在一定的現(xiàn)象中并不是所有性質(zhì)、所有條件都起同樣重要的作用，而是只有一種或

18、少數(shù)幾種起主要作用，其余的或者不起作用，或者作用很小。理想化就是突出起主要作用的性質(zhì)或條件，而完全忽略其它性質(zhì)或條件。例如研究電子在電場中的運動時，可以把電子所處的條件理想化為不存在重力場，即完全不考慮重力的作用，因為跟電力相比，重力太弱了。它的作用實際覺察不到。但是當研究帶電液滴在電場中的運動時卻不能不考慮重力，因為它可以跟電力相比。通過詳細事例相比，使學生認識理想要有客觀根據(jù)，對培養(yǎng)學生掌握理想化方法是必要的。還應該讓學生認識：在一定理想化條件下得出的規(guī)律，只在或者非常接近這些條件下適用。理想實驗是人們在思想中塑造的理想過程，而實際上是做不到的。理想實驗在物理學的理論研究中有重要的作用。伽

19、里略論證慣性定律所設想的實驗在無磨擦情況下，從斜槽滾下的小球?qū)⒁院愣ǖ乃俣仍跓o限長的程度面上永遠不停地運動下去，就是物理學史上著名的理想實驗。正如科學的理想化有它的客觀根據(jù)，理想實驗也有它的理論根底。理想實驗是在真實的科學實驗的根底上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯法那么，對過程作進一步的分析、推理。伽里略就是在從斜槽滾下的小球滾上另一斜槽，后者坡度越小。小球滾得越遠的實驗根底上，提出他的理想實驗的。理想實驗在中學物理教學中也常用到。例如，研究電場強度時，設想在電場中放置不會引起電場改變的點電荷，考察它在各點的F/q的值；講電勢時考察點電荷在各點的W/q的值，都是理想實驗。許多物理概念是

20、利用這類理想實驗建立的，所以應該讓學生熟悉這種方法。四、類比、假說、模型“類比是根據(jù)兩個事物在某些方面的一樣，推論它們在其它方面也可能一樣?！邦惐扰c“比喻不同。“比喻是用某些有類似點的事物來比較想要說的某一事物，它是一種重要的修辭方法，目的在于使人們對所要說的事物獲得生動鮮明而深化的印象?！邦惐仁且环N重要的邏輯推理方法，目的在于使人們認識新的事物。人們總是在已有知識的根底上去認識新事物，即把新事物與熟悉的事物加以比較，當發(fā)現(xiàn)新事物的某些屬性跟熟悉的某事物的某些屬性楨或相似，就往往用類比的方法，推測它們的另外某些屬性也一樣或相似。惠更斯根據(jù)光也象聲波那樣能發(fā)生反射、折射，而推論光也是一種波動，提

21、出了光的波動論。德布羅意根據(jù)光的波粒二象性而推論微觀粒子也具有波動性，提出了物質(zhì)波的概念。這些都是物理學史上應用類比方法提出假說的實例。在物理課中，把電場拿來跟重力場類比，把電流拿來跟水流類比是常用的教學方法。應該讓學生知道類比的局限性，由類比所得的結論有對有錯，必須經(jīng)過理論檢驗。在用類比方法講述物理知識時，當然要注意相類比的事物之間的相似處這是類比的根底，但是更需要注意事物之間的差異，因為差異限制了類比的結論，無視這一方面會造成知識混亂?；谶@些考慮，課本在比照著電場講磁場，比照著直流電講交流電時，都注意了強調(diào)差異。假說是自然科學研究的一種廣泛應用的方法。它是根據(jù)的科學原理和科學事實，對未知的事物所做的假定性的說法