打造什么样的警队:初中物理科学方法教育途径研究

    1　问题的提出
    科学方法是指人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维、行为方式。物理方法是科学方法中的一类，是研究物理现象、描述物理现象、实施物理实验、总结物理规律、检验物理规律时所应用的各种手段与方法。物理科学方法是在物理学知识的获取和运用中产生的。
    以往对于科学方法教育途径的探讨，由于没有分清知识获得过程和知识应用过程中的科学方法，所以没有明确指出进行科学方法教育与训练科学方法的途径；由于缺少对确立教育途径依据的思考，常常将物理教学的课型中某些科学方法本身作为教育途径，更缺少对教学策略、实施框架的总结与提炼。为此，本文提出了确立物理科学方法教育途径的依据，并从方法与知识对应的角度，初步探索初中物理科学方法在知识获得过程中的实施途径及其顺序性、层次性和基本实施框架。
    2　初中物理科学方法教育的途径
    2.1　确立物理科学方法教育途径的依据
    2.1.1　科学方法教育的价值
    科学方法教育，如同物理教学中的其他基本问题一样，总是随着人们对其本质认识的深入而逐步发展的。作为物理认知活动的中介，它是连接物理现象与知识的纽带，物理知识（概念、规律等）只有通过科学方法的参与，才可能上升为知识形态，这就决定了物理科学方法教育与物理知识的教育过程不可分割。
    科学方法不仅是获取物理知识的途径和手段，还是理解物理知识的纲领和脉络。从知识结构形成的角度看，科学方法作为一种基本的研究方式，它纵横交错、贯穿于整个知识领域之中，把不同的知识相互联系起来从而形成知识结构。只有通过科学方法的参与，才能使客观存在的知识结构转化为学生头脑中的认知结构。这就决定了物理科学方法教育具有顺序性和层次性。
    科学方法还是一种智能。邢红军的“智力——技能——认知结构”理论[1]提出能力的组成结构：智力+技能+认知结构（知识+科学方法）→能力。科学方法作为一种认知结构，有其实施的基本框架，其实施过程也是知识向能力的转化过程。
    2.1.2　物理知识的方法论特点
    物理知识本身就具有方法的意义，因此弄清每个知识是怎样产生的、其基本内涵和外延是什么及如何应用的不仅非常重要，而且这一过程本身就蕴含着科学方法的教育。因此，物理科学方法教育的确立要结合物理概念、规律的建立过程和物理实验的实施环节。
    2.1.3　初中学生思维规律
    一切教的规律都应该服从于学的规律。初中学生思维规律的一个特点是处在由形象思维转向抽象思维的过程，是思维发展的转型期。第二个特点是以定向思维为主要形式[2]。学生思维规律的特点决定了初中学生学习物理的认知活动特点是从经验型概念到科学概念的转变，学生在学习一个新课题之前，总具有一些建立科学概念以前的经验直觉性观念，所以科学方法的教育就要从生活规律、自然现象、生产实践、物理实验等入手，实施途径要符合学生思维发展。
    2.2　初中物理科学方法教育的途径
    2.2.1　基本途径
    物理学是由实验和理论两部分组成。由此，物理教学也主要包括理论教学（物理概念和定律的教学）、实验教学、科学方法教学，由于科学方法并不直接由学科的知识内容来表达，而有它自己独特的表达方式，它往往隐藏在知识的背后，支配着知识的获取和应用，所以在初中物理进行科学方法的教育，必须结合实际问题进行。因此，概念、规律、实验的教学是实施物理科学方法教育的基本途径，概念、规律的形成过程和实验操作过程就是实施科学方法教育的具体途径。
    2.2.2　教学策略
    (1)物理科学方法与物理知识相对应
    科学方法和物理知识是密不可分的，抓住知识和方法的对应是通过知识教学渗透科学方法教育的关键。在教学中，应挖掘教材中的科学方法教育素材，以物理知识教学为背景，抓住知识和方法的结合点，渗透科学方法教育。科学方法的真正掌握，必须要在探索和发现之中进行，这正是科学方法与物理知识的不同之处。
    (2)获得不同物理科学方法的顺序
    从直观、操作性科学方法到具有数学特征的科学方法，再从具有数学特征的科学方法到抽象、间接的思维方法。
    (3)学习物理科学方法应循序渐进
    学习同一物理科学方法要具有层次性，从具体到抽象了解物理科学方法的基本内容；再从方法的基本内容到其理论本质，然后从理论本质到思维本质。
    2.2.3　实施途径的基本框架
    为了使学生掌握科学方法，在中学物理教学中，必须创设良好的认知情境，让学生主动地观察、思考、实验、讨论并对学生的探索进行指导，使学生沿着科学的思路与方法去探求，从而在不知不觉中掌握其中所运用的科学方法。因此物理科学方法教育实施途径的基本框架是：注意创设情境→引导学生发现问题→运用科学方法解决具体的物理问题→实现知识向能力的转化。
    3　初中物理科学方法教育的具体实施
    3.1　明确初中物理常用的科学方法
    初中物理常用的科学方法与教学内容、教学分类的对应关系[3]见表1。从表1可知，初中物理常用的物理方法主要有八种，即直接定义法、实验归纳法、比值定义法、控制变量法、乘积定义法、演绎推理法、等效法、理想化法。同一方法可能对应多个物理知识点，同一知识点也可能对应多种方法；另外，概念、规律、实验教学中应用的科学方法虽然相互交织，但每种教学各有侧重，各有突出应用的科学方法。
    表1　初中物理常用科学方法与教学内容、教学分类的对应表
    
    续表
    
    3.2　在物理概念教学中获得物理科学方法
    物理概念是反映物理现象、物理过程本质属性的一种抽象，是在大量观察、实验，获得感觉、知觉，形成观念的基础上，通过分析、比较、综合、归纳、想象，区别出个别与一般、现象与本质，把一些事物的本质的、共同的特征集中起来加以概括而建立的[4]。
    形成物理概念的途径主要有四个：(1)对物理实验、生产实践、自然现象、生活经历直接感知、科学归纳；(2)对学生已有表象的科学归纳；(3)从已形成的概念演绎派生；(4)从已建立的物理规律演绎推出。形成概念的途径也是实施科学方法教育的有效途径。
    3.2.1　科学概括
    例如：初中物理“力”概念的建立。教材中通过对图示的情景如人推车、汽车拉拖车、手向上提箱子、人压弹簧、磁铁吸引铁屑等的观察与思考，找出它们的共同特征，即一个物体对另一个物体的作用，直接定义为“力”。
    有些概念和物理方法关系比较紧密，甚至本身就是物理方法，要抓住这些概念进行方法教育。例如：合力、电压概念的建立都使用了等效的方法。在进行这些概念教学时，既要使学生明白等效的含义，又要让学生知道运用等效的原因以及等效的过程，使学生不断加深对等效方法的认识。这样，学生既能加强对概念的理解又能受到科学方法的教育。
    3.2.2　概念演绎
    用比值法定义速度，在s-t图和v-t图中，阐述速度在两种图像中的含义，涉及数学中的图像法。在速度的基础上，用近似方法，建立平均速度概念，再用图像法找出s-t图中平均速度的含义。由此可知，一个物理概念的建立，伴随着多种科学方法的应用。初中物理概念教学中获得物理科学方法途径的基本框架是：提出问题→观察实验→分析、比较、抽象、概括、演绎→形成物理概念。
    3.3　在物理规律教学中获得物理科学方法
    物理规律是自然界中物理客体本质属性的内在联系，是事物发展和变化的反映。同物理概念相比，物理规律是人们对物理客体的高层次认识，是理性认识阶段的产物，是物理概念发展的必然结果，物理概念是物理规律建立的基础和前提。在物理教学中，总结规律主要运用的科学方法有逻辑推理法、理想实验法、图像法、假说法以及实验归纳法等，其中，又以实验归纳法最为普遍。形成规律的途径主要有三个：提出问题→观察实验→归纳、演绎→物理规律；已有概念和规律→建立假说→实验验证→物理规律；已有概念和规律→数学和逻辑推理→物理规律。形成规律的途径也是实施科学方法教育的有效途径[4]。
    3.3.1　实验归纳
    物理学中运用归纳法的基础主要是实验，因为实验不但能够重复进行，更重要的是它可以准确地反映事物各个部分或物理过程各个阶段的相互联系，而且运用实验最容易引起学生的兴趣。运用实验归纳法时，常常借助于图像，即把实验所得的数据在坐标系中进行描点、连线，从分析图线中总结规律。
    由于客观事物所遵循的规律往往涉及许多因素，运用实验方法总结规律时，如果一开始就把所有的因素都考虑进去，势必造成实验的困难，于是人们常常采用控制变量法：先固定一些因素不变，只改变其中的一个因素，进行观察实验，如此多次反复，然后再综合出多个因素之间的关系。如阿基米德定律、液体内部压强规律、欧姆定律、光的反射和折射定律等。
    如物态变化中熔化与凝固的规律，就是利用实验归纳法，通过海波和蜂蜡的熔化和凝固的过程中温度随时间变化的数据记录，并结合图像法得出了规律。运用小磁针研究磁场特点，运用蜡烛、凸透镜、光屏等研究光的成像规律等，都体现了实验归纳法与其他方法相结合，得出物理规律的方法，也是研究物理学的重要方法之一。
    3.3.2　演绎推理
    演绎推理就是在已有的定律或实验基础上结合一些概念，运用数学知识推证而得出结论的过程，其本身也是一种科学方法。如液体内部压强规律，在液体内部选取理想液柱作为研究对象，结合平衡力的概念（液柱底面所受压力与液柱所受重力大小相等，F=G），运用公式展开、推理(pS=ρghS)，得出深度为h处液体产生压强的计算公式为p=ρgh，这个公式定量地给出了液体内部压强规律，并与用压强计研究不同位置压强情况的定性实验相一致，科学性得到验证。其他如串并联电路电压、电流、电阻的特点等都运用了数学知识推理、实验验证得出物理规律。
    初中物理规律教学中获得物理科学方法途径的基本框架是：提出问题→观察实验→归纳或演绎推理→实验验证→形成物理规律。
    3.4　在物理实验中获得物理科学方法
    物理实验根据其在物理研究中的作用不同可分为探索性实验、验证性实验、测量性实验等。实验的基本程序可分为三个阶段：实验的设计阶段、操作阶段、整理阶段[4]。实验方法的教育应从物理实验的基本程序入手，程序的每个环节就是进行物理科学方法教育的有效途径。
    “控制变量法”在初中物理实验中应用最为广泛，但很多学生对这种方法的掌握有一定的难度。下面以初中“浮力的影响因素”的探究性实验教学为例，说明控制变量法在实验教学中进行教育的途径。
    (1)实验设计阶段：结合生活实际和物理现象对可能的影响因素进行有根据的猜想，浮力的影响因素可能有液体的密度、排液体积、物体的密度、物体的体积、浸入的深度等；再对每一个因素是否有关进行实验步骤设计。设计过程中突出运用的是控制变量的方法，所谓控制变量法，就是在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的因素和条件加以人为控制，只改变某个变量的大小，而保证其他的变量不变，最终解决所研究的问题。如在探究进入深度对浮力的影响时，要人为控制其他因素相同，即使用同一个物块，逐渐浸到一种液体中，改变浸入的深度，测量并计算出浮力的大小进行比较。
    (2)操作阶段：根据实验设计和原理，即利用实验室测量浮力的方法，选取实验器材：一个圆柱体、细线、烧杯、适量的水、弹簧测力计；再依据实验步骤进行操作：用细线将圆柱体挂在弹簧测力计下，记录弹簧测力计的示数为F；将圆柱体浸在水中某一深度，不与烧杯接触，记录弹簧测力计的示数为；改变圆柱体浸在水中的深度，记录不同深度h处弹簧测力计的示数。
    表2　不同深度h处弹簧测力计的示数。
    
    (3)整理阶段：利用数形结合的方法，将实验数据用EXCEL绘制成曲线，描述弹簧测力计的示数随圆柱体浸入水中的深度变化的图形（见图1）。
    
    图1　弹簧测力计示数随圆柱体浸入水中的深度变化图
    由图1可以很清楚地得出实验结论：物体浸没在液体之前，浸入液体的深度越深（即排液体积越大），受到的浮力越大；当完全浸没到液体中时，浮力大小与浸没深度无关。
    4　结语
    在课堂教学中，教师的重点是把握科学方法这条主线。不论是概念教学、规律教学、实验教学，都要牢牢抓住科学方法这条主线组织教学，引导知识的发展过程。通过这样的科学方法教育，不仅使学生掌握了知识，而且知道所学的知识是用了什么样的方法得出来的，从而让学生感觉到科学方法教育的真实性和实在性，使知识的呈现过程成为学生学习科学方法的途径，这样既能加深对物理知识的把握，又能落实科学方法教育。