肖 驍 邢紅軍

(首都師范大學(xué)物理系,北京 100048)

1 科學(xué)方法教育的現(xiàn)狀

在新一輪高中物理課程改革中,科學(xué)方法教育被提高到與知識(shí)教育相提并論的高度.普通高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《課標(biāo)》)明確指出,高中物理課程的性質(zhì)之一,是讓學(xué)生“體驗(yàn)科學(xué)探究過程,了解科學(xué)研究方法”.這意味著學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí),還要受到科學(xué)方法的訓(xùn)練.

然而,雖然科學(xué)方法的教學(xué)效果有所改善,但是和《課標(biāo)》的要求還相距甚遠(yuǎn).這表現(xiàn)為:大多數(shù)教師不清楚高中物理涉及哪些科學(xué)方法,學(xué)生應(yīng)該對(duì)科學(xué)方法掌握到什么程度.其原因在于,目前沒有一本教材系統(tǒng)地介紹科學(xué)方法,甚至《課標(biāo)》中也沒有明確科學(xué)方法的教學(xué)內(nèi)容.

在科學(xué)方法教育內(nèi)容上,《課標(biāo)》只列出了知識(shí)點(diǎn)以及相應(yīng)的教學(xué)要求,但卻沒有明確指出科學(xué)方法的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求,只是使用諸如“體會(huì)其中用到的科學(xué)方法”等提法.這樣,教師不明晰教學(xué)中應(yīng)當(dāng)講授哪些科學(xué)方法,更無從把握科學(xué)方法的教學(xué)要求.

《課標(biāo)》對(duì)科學(xué)方法的教學(xué)總要求為:“通過物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)過程,了解物理學(xué)的研究方法”.顯然,“了解”層次只是能夠識(shí)別出科學(xué)方法.然而要使用物理知識(shí)解決物理問題,就不僅要求學(xué)生能夠識(shí)別科學(xué)方法,更需要學(xué)生能夠應(yīng)用科學(xué)方法.因此,《課標(biāo)》對(duì)于科學(xué)方法的教學(xué)要求,顯然不能滿足學(xué)生理解物理知識(shí)、運(yùn)用物理知識(shí)的需要.

這種教學(xué)中不明確提出科學(xué)方法的內(nèi)容、不明確解釋科學(xué)方法名稱和操作步驟的教育方式就是科學(xué)方法的“隱性教育”方式.我們認(rèn)為,作為物理教育的指導(dǎo)依據(jù),《課標(biāo)》應(yīng)當(dāng)將科學(xué)方法明確地表達(dá)出來,并根據(jù)學(xué)生及知識(shí)的特點(diǎn)確定科學(xué)方法教學(xué)要求.在此基礎(chǔ)上,教材也需要將科學(xué)方法明確表述出來,教師才能將科學(xué)方法融入知識(shí)的教學(xué)中,并指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)方法解決實(shí)際問題.這一整套的教育方式即是科學(xué)方法的“顯化教育”方式.

2 科學(xué)方法隱性教育的不足

目前,在物理教學(xué)中的科學(xué)方法教育問題上,普遍存在著一種觀點(diǎn):認(rèn)為科學(xué)方法不像科學(xué)知識(shí)那樣明了,直接講解會(huì)過于枯燥,不利于學(xué)生記憶和理解,科學(xué)方法就應(yīng)該進(jìn)行隱性的教育.通過讓學(xué)生多次接觸科學(xué)方法,自己去體會(huì)科學(xué)方法,進(jìn)而理解科學(xué)方法.這種科學(xué)方法教育方式,是典型的隱性教育方式.

還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,科學(xué)方法教育的顯化是必要的,但是應(yīng)該進(jìn)行隱性教育,然而再進(jìn)行顯性教育.對(duì)于有些方法,則應(yīng)該使用隱性教育方式.比如等效方法、比值定義法等,不一定必須在第一堂課就把這些方法明確的向?qū)W生說出來,而是讓學(xué)生自己去體會(huì)這個(gè)方法的巧妙之處.等學(xué)生再次接觸這種方法時(shí),根據(jù)情況再適當(dāng)?shù)恼f出這種方法叫什么,有什么用等等,再進(jìn)行顯化教育.這種科學(xué)方法的教育方式,是不徹底的隱性教育方式.

隱性教育方式表面上看,似乎是提供一個(gè)機(jī)會(huì)讓學(xué)生自己去品味科學(xué)方法的精華,但實(shí)際上存在諸多問題:一是學(xué)生的自覺性不同,有的學(xué)生可能會(huì)去思考,但更多的學(xué)生是滿足于目前的學(xué)習(xí)狀況.多年的學(xué)習(xí)已經(jīng)讓他們習(xí)慣于教師講什么就學(xué)什么,教師不講的,考試不考的就根本不會(huì)去思考;二是學(xué)生的思維水平不同,思維水平較高的學(xué)生,可以體會(huì)出科學(xué)方法的內(nèi)涵與本質(zhì),但更多的學(xué)生是不能夠體會(huì)出科學(xué)方法真諦的.

從科學(xué)方法的特點(diǎn)來看,隱性教育方式也是不妥的.科學(xué)方法本來就比物理知識(shí)抽象,更難于理解,對(duì)于物理知識(shí)的教學(xué),都需采取顯性教育方式.因此采取隱性教育方式進(jìn)行科學(xué)方法教育,只會(huì)增加學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法的難度.

我們認(rèn)為,只有像物理知識(shí)教育那樣,明確地向?qū)W生講解科學(xué)方法的內(nèi)容,才算得上真正的科學(xué)方法教育.只有在每次遇到科學(xué)方法時(shí)明確向?qū)W生指出方法的名稱是什么,操作步驟是什么,在什么情況下可以使用,學(xué)生對(duì)科學(xué)方法才不會(huì)感迷茫,才能夠掌握科學(xué)方法.

當(dāng)然,科學(xué)方法教育也不能一步到位.科學(xué)方法教育應(yīng)當(dāng)有遞進(jìn)關(guān)系.例如第一次講某種科學(xué)方法時(shí),可以先介紹這種方法叫什么,操作步驟大致是什么,是在什么情況下使用.再次遇到時(shí),強(qiáng)化學(xué)生對(duì)該方法的認(rèn)識(shí),加深他們對(duì)科學(xué)方法的理解.但是無論如何,顯化科學(xué)方法應(yīng)該是科學(xué)方法教育的必由之路.

3 顯化科學(xué)方法的思路

明確科學(xué)方法及其分類是顯化科學(xué)方法的前提.關(guān)于科學(xué)方法的體系與結(jié)構(gòu),國內(nèi)物理教育工作者已經(jīng)從不同角度進(jìn)行了研究與探討,例如浙江省物理教學(xué)分會(huì)提出了方法的4個(gè)方面:物理方法、數(shù)學(xué)方法、邏輯方法和哲學(xué)方法;上海市張民生先生建立了一個(gè)科學(xué)方法內(nèi)容框架;首都師大喬際平先生按照與物理知識(shí)相對(duì)應(yīng)的原則曾總結(jié)了5種規(guī)律方法:實(shí)驗(yàn)歸納法、物理圖像法、猜想法、理想實(shí)驗(yàn)法和逆向思維法.

雖然理論各有異同,但是有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是并不是所有科學(xué)方法都是同等的,它們之間是具有一定的層次關(guān)系的.有的科學(xué)方法只在思維層面上說明了方法的基本思路,而沒有給出具體的、可操作的步驟,稱思維方法.有的科學(xué)方法不僅在思維層次上給提供思路,更在操作層次上提供具體操作步驟,物理學(xué)中的這種方法稱為物理方法.例如“歸納與演繹”法只提供我們應(yīng)當(dāng)從各種特殊的事物中提取共性特征,或者反過來,透過事物的普遍性來看到不同的事物的個(gè)性特征,屬思維方法;而“演繹推理(或稱數(shù)學(xué)推理、邏輯推理)”則不僅有透過普遍性提取個(gè)性的思維過程,還有一個(gè)相對(duì)明確的操作過程,即根據(jù)數(shù)學(xué)的公理與定律,運(yùn)用邏輯學(xué)的基本范式,在理論上推演出結(jié)論,屬物理方法.根據(jù)科學(xué)方法的這種特點(diǎn)可以把物理學(xué)科中的科學(xué)方法就分為思維方法和物理方法兩類.值得提出的是,有的時(shí)候一種物理方法對(duì)應(yīng)多種思維方法的過程,而一種思維方法可以為多種物理方法提供思路,所以物理方法和思維方法并不具有簡單的上下層次關(guān)系.

由于物理方法的可操作性,使得它在教學(xué)中能夠明確地傳授給學(xué)生,學(xué)生亦能夠根據(jù)物理方法的操作過程具體解決問題.并且由于物理方法的外顯操作非常明確,所以可以很明確地確定物理方法的教學(xué)要求,這對(duì)于確定科學(xué)方法教學(xué)內(nèi)容是非常有利的.因此,在《課標(biāo)》中加入物理科學(xué)方法不僅是必要的,而且是可行的.由于思維方法只提示了解決問題中的一般思路,并沒有明確的操作過程,故而它有一種“只可意會(huì),難于言傳”的微妙,既不利于教師對(duì)方法的要求,又不利于學(xué)生通過教師的語言明確領(lǐng)會(huì),因此本文主要討論物理方法的顯化.

物理學(xué)的主要內(nèi)容有實(shí)驗(yàn)、概念、規(guī)律以及應(yīng)用等4個(gè)方面,每個(gè)方面都有一定的操作過程,不同的過程,操作上有很大區(qū)別,因此方法上的區(qū)別也很明顯.根據(jù)物理學(xué)的4個(gè)方面,我們可以劃分出方法的5個(gè)類別:一般物理學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)方法、概念定義方法、規(guī)律總結(jié)方法和規(guī)律應(yīng)用方法,其中一般物理學(xué)方法指在整個(gè)物理學(xué)中貫穿的物理學(xué)方法,一般以一定的物理學(xué)思想為基礎(chǔ),并貫穿于物理學(xué)的始終.例如理想化方法,它是以哲學(xué)中的個(gè)性與共性的理論為基礎(chǔ),排除大千世界各種物體的細(xì)小差異,抓住其主要方面進(jìn)行研究與規(guī)律的應(yīng)用.再如圖像法,即是反映了“數(shù)理結(jié)合”物理學(xué)研究思想.依據(jù)這樣的分類,我們將高中物理學(xué)中所應(yīng)用到的一些典型方法進(jìn)行歸類如下.

(1)一般物理學(xué)方法:理想化方法(理想化模型、理想化實(shí)驗(yàn))、圖像法、等效方法、對(duì)稱性方法;

(2)實(shí)驗(yàn)方法:控制變量法、補(bǔ)償法、觀察法;

(3)概念定義方法:乘積定義法、比值定義法、類分法、比例系數(shù)法;

(4)規(guī)律總結(jié)方法:實(shí)驗(yàn)歸納法、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法、演繹推理法、類比法;

(5)規(guī)律應(yīng)用方法:整體法、近似估算法、極限法.

這樣,將高中物理學(xué)中的科學(xué)方法區(qū)分開并建立關(guān)于方法的體系結(jié)構(gòu),如圖1所示,其中虛線表示該種類的方法不作主要討論.

圖1

確定科學(xué)方法顯化方式是顯化科學(xué)方法的關(guān)鍵.物理規(guī)律的得出是依賴于物理方法的,不同于思維方法,物理知識(shí)之間的聯(lián)系很明確,因此所利用的物理方法相對(duì)比較穩(wěn)定.也就是說,對(duì)于每一個(gè)知識(shí)點(diǎn),都有一種或多種相應(yīng)的物理方法與之相對(duì)應(yīng).因此,我們使用對(duì)應(yīng)的方法來找出《課標(biāo)》中所蘊(yùn)含的物理方法.倘若我們對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)做一次對(duì)應(yīng)的話,理論上可以發(fā)現(xiàn)得出該知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的概念或規(guī)律所對(duì)應(yīng)的科學(xué)方法,因此也就可以將《課標(biāo)》中所隱含的所有科學(xué)方法顯化出來.

例如,要對(duì)“牛頓第二定律”中的科學(xué)方法進(jìn)行顯化,則我們需要對(duì)這部分內(nèi)容的前后知識(shí)結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系進(jìn)行回顧.從牛頓第一定律出發(fā),物體產(chǎn)生加速度的條件是物體所受合外力不為零,因此我們可以猜想加速度a與物體所受合外力F以及物體的內(nèi)稟屬性質(zhì)量m有關(guān),然后我們需要設(shè)計(jì)一些定量的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證這些猜想,這是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法.在實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理量,因此需要先控制住質(zhì)量m研究加速度a與合外力F之間的關(guān)系,再控制住合外力F研究加速度a與質(zhì)量m之間的關(guān)系,這是控制變量法.實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理才能驗(yàn)證猜想,最簡單、最直觀的方法是圖像法,通過作出兩個(gè)物理量之間的變化圖像得出函數(shù)的變化趨勢,其中又利用了曲線改直的方法將非線性的加速度a與質(zhì)量m之間的函數(shù)圖像改成線性的加速度a與質(zhì)量之間的函數(shù)圖像.以上可以得a∝F和a的結(jié)論.將兩者綜合起來,得出F=kma的關(guān)系式,并在國際單位制中取k=1,最終得出了F=ma的表達(dá)式,這就應(yīng)用了比例系數(shù)法.可見這一部分中主要使用的方法有5種:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法、控制變量法、圖像法、曲線改直法和比例系數(shù)法.因此我們確定“牛頓第二定律”與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法、控制變量法、圖像法、曲線改直法和比例系數(shù)法相對(duì)應(yīng).

只有這樣將科學(xué)方法顯化之后,科學(xué)方法就可以像科學(xué)知識(shí)那樣,從《課標(biāo)》到教師,從教師到學(xué)生,使學(xué)生接受顯性科學(xué)方法教育.只有這樣,我們的物理教育才不會(huì)事倍功半,才不會(huì)存在科學(xué)方法教育的缺失問題.

1 中華人民共和國教育部.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn).北京:人民教育出版社,2003.

2 趙凱華.定性與半定量物理學(xué).北京:高等教育出版社,2008.

3 陳清梅.物理教學(xué)中科學(xué)方法教育的研究(學(xué)位論文).北京:首都師范大學(xué),2003.

4 陳清梅,邢紅軍.物理教學(xué)中主要科學(xué)方法教育內(nèi)容的研究.中學(xué)物理教學(xué)參考,2006(7).2-4

5 邢紅軍,陳清梅.論中學(xué)物理教學(xué)中的科學(xué)方法教育.中國教育學(xué)刊,2005(8):33-36

6 浙江省教育學(xué)會(huì)中學(xué)物理教學(xué)分會(huì).高中物理方法教育研究.杭州:浙江教育出版社,1995.

7 張民生.中學(xué)物理教育學(xué).上海:上海教育出版社,1999.

8 喬際平等.實(shí)踐物理教材的選擇與分析.北京:高等教育出版社,1993.