最超然的思想,也没有无线的翅膀【让学生插上科学思想方法的翅膀】

　　[摘 要] 高中物理教学不仅要重视知识的传授，更要关注知识形成过程中的科学方法，这比掌握具体的科学知识更有深远的可持续发展意义。本文结合高中物理新课程实践，从展开物理概念的建立过程，让学生体会从现象到本质的抽象思维方法；在探究物理规律中渗透物理学史，提炼研究物理科学的一般方法；引导学生在研究物理问题中深入理解科学思想方法的重要意义等方面阐述了物理“知识线”和“方法线”在教学中同时展开，并行前进，从而使物理科学方法教育在课堂教学中得以落实的问题。
　　[关键词] 物理教育 思想方法 途径策略
　　
　　物理学在长期发展过程中形成的科学思想方法，不仅对物理学的研究，而且对整个自然科学甚至社会科学的研究都有较大影响。“重结论，轻过程”的教学是目前高中物理教学中不容忽视的问题，这样的教学对应试固然有效，但很难培养出有创新意识、创新能力的人才。正如爱因斯坦所说：“结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前，读者体会不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的思维过程，也很难清楚地理解全部情况。”因此，高中物理新课程教学侧重改变物理概念来源于客观事物，是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映。对于物理概念的建立，要注重分析从现象到本质的过程，这其中必然蕴含者很多抽象思维方法。一般说来，在建立概念前学生头脑中已经具有相关的知识，教学中通过提供有关背景、事实和实验现象，学生也能获得初步的认识，但还没有触及新概念的思想内核。教学时要以学生已有的认识或知识作为新概念的“生长点”，引导学生运用起主要作用的抽象思维方法，来实现旧知识与新知识间的衔接，以及感性认识到理性认识的转化，最终达到对新概念的建立与理解。
　　如“直线运动”中的“瞬时速度”是较难理解的
　　概念。教学中要使学生从已有的认识逐步达到对概念科学的描述。首先利用已有的“平均速度”作为起点，使学生认识某点附近短位移（时间）内的平均速度能够更精确地反映该点快慢情况。然后教师使用遮光片做“实际的测量”，随着遮光片不断变窄，各平均速度值越接近于一个定值。这表明，在极短的位移（时间）内，仪器已检测不出速度的变化，可将其视作匀速运动，平均速度可作为该点的瞬时速度。最后，以此为契机，让学生超越眼前的实验仪器，设想一下，如果有绝对精密的仪器，可检测出任何微小的位移（时间），也就获得任何时刻的瞬时速度了。到此，学生获得了“无限逼近”的思想方法，真正从极限的思想高度上达到了对瞬时速度科学而严密的描述。
　　“加速度”也是一个难理解的概念，学生缺乏感性认识。为此，先列表给出汽车和火车启动阶段的有关数据，学生从中感受到两者速度都在变化，但速度变化的快慢不同。那么用什么量来描述速度变化的快慢呢？此时教师引导学生回忆位移变化快慢的表示方法以及相应的速度概念的由来，充分发挥类比的思维方法，得出可用速度变化量和所用时间的比值来表示，从而获得加速度的定义式。在此基础上，还可以进一步强化学生的方法意识，使学生领会某一物理量随时间变化的“快慢”，即“变化率”，可用该物理量的变化值与时间的比值来表示。这一思想对学生以后的学习有正迁移的作用。
　　二、在探究物理规律中渗透物理学史，提炼研究物理科学的一般方法
　　在科学方法的训练上，除了通常的逻辑方法以及来源于原理概念的基本方法外，注意介绍科学家独特的创造性的思维方法，使学生体会其创新思维，并从中悟出一点科学创新的“天机”，增长一点科学创新的“灵性”和“聪颖”。正如法国的物理学家拉普拉斯所说：“认识一位巨人的方法，对于科学的进步……并不比发现本身更少用处，科学研究的方法通常是极富兴趣的部分。”
　　按照人教版物理教科书的安排，“自由落体”这节课的教学逻辑是：首先提问并演示金属片和纸片在有空气和无空气中的下落快慢，在此基础上给出自由落体的定义，随后通过研究自由落体运动的频闪照片分析得到自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动（附带的指出这是伽利略研究后的结论）。此后讲述的是自由落体加速度的概念意义和计算方法。这种体例安排代表着现在普遍的教学处理方法。从结构上讲，从提问题到现象演示到理论分析再到计算应用，可谓逻辑严密；从内容上讲，自由落体的含义和计算方法都已讲到，可谓重点突出；从方法上讲，有实验观察，有理论分析，符合学科要求。但是，细细地从学生的角度想想就会发现，我们的设问真能勾起学生的好奇了吗？学生为什么要学这个司空见惯而又极其简单的运动现象呢，目的何在？为什么非要用那个学生陌生的频闪照片来分析，难道非其不可吗？纵然知道了下落物体做的是自由落体运动又能怎样？等等。这些问题直接决定着学生学习本节课的动机、学习价值和学习热情。如果这些问题得不到有效的解决，那么学生的学将会被架空，即学生的学习只是我们需要他们那样做或告诉他们如何做的被动过程，即使采用最新的科技手段也无济于事。就拿教材中的设问来说，实际上现在的学生在小学的时候就已经知道了轻重物体下落不一样快是因为所受空气阻力不同的原因，所以我们所谓的精心设问，只有提问的空壳，对学生来说并没有起到设疑起兴的作用。
　　笔者认为，要解决上面的问题，行之有效的方法是站在历史的高度去诠释落体运动的过程、方法和意义。首先，用大屏幕打出西方的一句谚语“对运动的无知，就是对大自然的无知”以及哲学结论“运动是一切物质的本质属性之一”，由此展现研究运动的重要性以及论题的古典性，以此揭开对最简单落体运动的研究序幕――历史探寻。师生一起研读亚里士多德以万物都由四种元素――水、火、土和空气组成的理论所建立的落体理论，以及伽利略在《两门科学的对话》中所做的理论分析。在此基础上，讨论谁的结论更为可靠。主要从论据的可靠性、论证逻辑的科学性以及现象观察（牛顿管）展开。最终得出在单因素作用下――即只受重力作用时，物体下落的快慢与物体重力的大小无关的结论，并分析亚里士多德的错误原因――理论基础的错误，对现象观察的不全面归纳以及没有很好地区分单因素（重力）作用和双因素（重力和阻力）作用的异同。
　　其次，设问“物体自由下落运动是一种什么运动？”这是学习的关键。以伽利略的一份口述信开始，“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质，然后加以论证”，体现前人的研究逻辑。给出伽利略对此事的思考：伽利略否定了亚里士多德把运动分为自然运动和受迫运动，而是从运动的基本特征量――加速度和速度出发，把运动分为匀速运动和变速运动。他选择了最简单的运动来表示落体运动，即匀加速运动。他的解释是“在自然加速运动的研究中，自然界就像在所有不同的过程中一样亲手指引我们，按照它自己的习俗，运用最一般、最简单和最容易的手段……所以当我观察原先处于静止状态的一块石头从高处落下，并不断获得新的速度增量时，为什么我不应该相信这样的增加是以极其简单的对任何人都很明显的方式进行的呢？”
　　正是在这个信念的促使下，伽利略对匀加速运动给出了两种假设定义：一是速度与下落的距离成正比；一是速度与运动时间成正比。此过程一方面体现了伽利略对权威的不盲从，另一方面展现了伽利略的自然观及创新逻辑。在此基础上，引导学生应有逻辑分析地判断伽利略两种假设的正确性，从逻辑分析上排除第一种定义，于是由第二种定义推导可能成立的相关关系式：速度与时间(v∝t)、位移与时间的关系(s∝ )，等时间间隔的位移比是1：3：5……(奇数比)，为实验论证做准备。
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　　最后，以伽利略的话结束：“我探讨物体从静止开始下落的速度随时间均匀增加的运动本质……我证明这样一个物体经过的空间（距离）与时间的平方成正比……我从假定入手对此定义的运动进行论证；因此即使结果可能与重物下落的自然运动不符，对我也无关紧要。但是，幸运的是一项项都与我所证明的性质相符。”总结伽利略开创的科学研究方法：现象观察――提出问题――提出假设――逻辑推证或实验检验――形成理论。
　　这样适当渗透物理学史的教学，增加了教学的人文特征，使客观知识富有了主观精神的灵动，同时让学生领略重大发现背后的研究思想和方法创新。首先，从历史的角度设计本节课的教学，充分考虑到学生原有的认识水平，使学生对轻重物体下落运动的初步认识有了历史的新意。这样，一方面能提高学生的学习兴趣，另一方面让学生真实地体验到物理学的曲折发展过程。其次，凸现了物理研究、学习中的方法论。本课集中展现了伽利略科学的研究方法和过程，这样一方面打破了学生对科学研究的神秘感，另一方面通过科学家们原汁原味的思维呈现，可以激发学生的创造意识，给学生树立鲜活的学习典范，并且通过方法的潜移默化的学习可以培养学生的创造意识和创新能力。这就使概念原理的学习变得形象、生动、富有情趣，不再是枯燥的说教，不再是机械的模仿。
　　三、引导学生在研究物理问题中深入理解科学思想方法的重要意义
　　不少学生认为，学习物理关键是记公式，列出方程解题。实际上，规律的价值在于一般意义上的普遍性。如果以规律作指导，通过科学的思维方法就可以获得更多的体验和发现。比如，上高一物理习题课，我曾给学生解析了这样一道题：在桌面上，将一个打磨得很平滑的长木板的一端垫高，做成一个倾角θ1的斜面，使物体P刚好能沿斜面匀速下滑。若把长木板一端继续垫高，使斜面的倾角增为θ2。则同一物体沿该斜面下滑的加速度为：
　　A．a=g(COSθ2一sinθ2tanθ1)
　　B．a=g(COSθ2一sinθ2 COSθ1)
　　C．a=g(sinθ2一COSθ2tanθ1)
　　D．a=g(sinθ2一sinθ2 cotθ1)
　　1.按常规思维进行解析
　　物块沿斜面下滑时，受力如下图：
　　由题意，当θ=θ1时，
　　有：mgcosθ1=N1 ，mgsinθ1= 。解得 。
　　当θ=θ2时，
　　有:mg=sinθ2一 =ma，N2=mgcosθ2。
　　解得a=g(sinθ2一COSθ2 tanθ1)，选C。
　　2.更换思维方式，用极限思维、假设思维和本题设定的物理情景解析
　　若θ2=θ1，必有a=0，由此A、D两个选项是错误的；若θ2=90°，应有a=g，进一步判断可知选项B错，C正确。
　　通过以上分析判断，直接得出答案的方法，打破了学生常规的思维定势，拓宽了其思维思路，也培养了学生的科学思维方法。
　　在物理教学中，我们可以引入“理想模型”、“等效代换”、“控制变量”等方法对所研究的问题进行讨论分析。如“质点”和“点电荷”的含义、“光滑”的概念、“理想气体”的理解等问题，我采取引导学
　　生对问题进行抽象思维，让学生头脑中形成“模型”的概念，掌握在研究问题过程中抓住主要矛盾，忽略与研究无关或影响甚微的客观因素，达到解决物理问题的目的。如：研究矢量的合成与分解、加速度跟力、加速度跟质量的关系等问题讨论中，要求学生建立“等效”的概念，掌握“控制变量”的方法，引导学生对研究的问题进行逻辑思维，把复杂问题变为简单问题来处理，把多重关系化成单一关系来分析，找出规律，找寻出解决物理问题的方法。
　　总之，新课程理念不仅要求学生掌握知识，更重要的是经历知识的形成过程，从中学习科学方法，提升科学素养。而科学思想方法教育离不开知识教学，实施方法教育也要从教材入手。新课程物理教材对于科学方法没有处处点明，却时时蕴含在一个个重要概念、规律的探究过程中，渗透在物理学发展的进程中，贯穿在有价值的实际问题解决过程之中。可以说，新课程为我们进行科学思维方法教育搭建了广阔的舞台，也为我们开展方法教育指明了方向。这就要求我们首先要充分分析和挖掘新教材，把握住起主要作用或有特色的方法，在此基础上，将知识的发展过程及其所运用的科学方法整理出线索，使“知识线”和“方法线”在教学中同时展开，并行前进，从而使物理科学方法教育在课堂教学中得以落实。
　　
　　[参考文献]
　　1.梁 旭《中学物理教学艺术研究》[M]（浙江大学出版社 2005）
　　2.阎金铎 田世昆《中学物理教学概论》[M]（高等教育出版社 2006）
　　3.郭奕玲 沈慧君《近代物理著名实验简介》[M]（山东教育出版社 2001）
　　4.胡卫平《高中生物理抽象思维能力的发展》[J]（《心理发展与教育》2004.2）
　　5.朱选云《谈物理探究式教学的基本方法》[J]（《中学物理》2008.10）
　　
　　(作者单位：浙江台州温岭市第二中学)
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