田成良 祝常法

摘 要：國家課程標準及相關文件中明確提出了發(fā)展學生科學思維的要求，科學方法教育對發(fā)展學生的思維能力有著重要的促進作用，也是落實物理學科核心素養(yǎng)的重要手段.從上世紀八十年代以來，我們國家已對科學方法教育開展了深入、系統(tǒng)的研究，并取得了豐碩的成果.本文以新課改為背景，探索依托科學方法教育，促進學生素養(yǎng)發(fā)展的新路徑，論證科學方法教育的傳承與創(chuàng)新.

關鍵詞：素養(yǎng)時代;科學方法;傳承創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）18-0007-04

基金項目：北京市教育科學“十三五”規(guī)劃課題“過程教學導向下的思維發(fā)展型課堂建構”（項目編號：CDDB2020207）.

作者簡介：田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學高級教師，北京市特級教師，物理教研員，碩士生導師，研究方向：物理過程教學、物理科學方法教育、課堂教學藝術等;

祝常法（1974-），男，山東金鄉(xiāng)人，本科，中學高級教師，山東省特級教師，物理教研員，研究方向：課堂教學研究.

1 已有研究成就

1.1 厘清了科學方法與知識間的關系

對于“方法”這一概念，有不完全相同的理解和定義.通俗地講，所謂方法，就是為了解決某一個具體問題，從實踐或理論上所采取的各種手段或方式的總和.方法起源于人類的實踐活動，客觀存在的事物、過程本身是無方法可言的.

物理科學方法就是研究物理現象、描述物理現象、實施物理實驗、總結物理規(guī)律及檢驗物理規(guī)律時所應用的各種手段與方法.張憲魁先生在物理學方法論中指出“科學認識工具就是科學工作者從課題中獲取科學認識成果的手段，認識工具可分為兩種類型，物質形態(tài)的認識工具——科學儀器，以及思想形態(tài)的認識工具——科學方法”.邢紅軍教授結合近代物理學史，梳理了人們在建立物理概念和物理規(guī)律中科學方法所起到的重要作用，厘清了生活事實、物理規(guī)律、科學方法、數學等之間的內在關系，如圖1所示，為系統(tǒng)地認識客觀世界，改變認知方式，掌握科學方法奠定了基礎.

張憲魁教授在90年代就倡導以“弘揚科學思想，掌握科學方法，樹立科學態(tài)度”為內涵的“物理科學方法教育”，與“2011年版物理課程標準”提出的三維目標中的 “過程與方法”目標非常吻合.倡導在教學過程中顯化科學方法教育，是有效發(fā)展學生能力的重要途徑，在中學進行了多年的試驗研究，并從實踐中得到成功的驗證.

1.2 建立了系統(tǒng)的科學方法體系

對于科學方法的分類，不同學者有不同觀點.張憲魁教授認為科學方法包括常規(guī)方法：感性思維方法——觀察和實驗，理性思維方法——歸納和演繹、分析和綜合等邏輯思維的方法;非常規(guī)方法：直覺、靈感、想象、猜測和頓悟;另外物理學家的失誤以及物理學悖論，在物理學的發(fā)展中也具有方法論的作用和意義.由此，勾畫出了一套比較完整的、頗有新意的物理科學方法結構體系.首都師范大學邢紅軍教授認為，物理研究方法包括兩方面的內容，一是科學方法，二是思維方法.科學方法與物理學科本身聯系緊密，結合了數學物理基礎及對應的操作過程;而思維方法與物理學科本身的聯系相比科學方法來說并不緊密，它只在思維層面上說明了解決問題的基本思路.浙江義烏中學特級教師吳加澍，把科學方法分為物理方法、思維方法和數學方法，并按表1描繪了知識、方法、能力之間的關系，很有借鑒意義.

1.3 提出了科學方法判斷原理

2012年張憲魁教授提出了“物理科學方法存在的基本形式和判定原理”，為教師梳理、分析和開展科學方法教育提供了可借鑒的依據，得到了專家和物理學者的認可.“在物理學知識點的建立、引申和擴展中，知識點以及知識點與知識點之間的連結處，一定存在物理科學方法因素”.物理學的一些知識點，如“電流”“電阻”“電壓”等概念，以及“歐姆定律”等規(guī)律，它們是客觀存在的，是物理現象或過程的本質屬性或規(guī)律的反映，它們本身是無方法可言的.但是，當引入這些概念并加以定義時，或者在探索規(guī)律、總結規(guī)律時，必須由人們借助于一定的工具（如實驗儀器）、一定的手段（包括人的思維等），通過一定的操作去觀察、去發(fā)現，這就體現為“方法”.通過實驗總結規(guī)律時，實驗就是方法，知識點的引申或擴展也要運用一些方法.這一命題的確立，為廣大物理教育工作者分析任何教材或教學資料中的方法論因素提供了依據，進一步為開展物理科學方法教育奠定了基礎.

1.4 開展持久的理論和實踐研究

科學方法教育先行者張憲魁教授，歷經40年的實踐探索，不僅主編了《物理科學方法教育》等專著，2011年在張憲魁教授的領導下，全國240多位高校教師、研究生、中學教師、教研人員、大學生參與編制《物理科學方法教育視頻教程》等視頻資料，試圖以科學的內容、歷史的脈絡、文學藝術的形式、信息技術的手段呈現科學方法，達到解讀“物理科學方法教育”之目的，在全國引起了強烈的反響.張憲魁先生先后組織召開了十一次全國性的物理科學方法教育學術年會，自2010年開始每年一次，成為全國物理學術年會的品牌活動，是中國教育學會、物理教學專業(yè)委員會支持下的唯一的、全國性的專業(yè)學術性活動，這在全國有很大的影響.其倡導的“知法并行”教學模式已有全國24個省市879位教師主動報名參與，37個學校主動申請作為科學方法教育研究基地，數百個學校進行實踐，影響了全國一大批物理名師.

2 目前存在問題

2.1 科學方法教育碎片化，缺乏整合

經過幾十年的課程改革，科學方法教育有了一定的影響，上一輪課改中，“過程和方法”作為三維目標中重要的一個維度，引起了廣大教師的重視.但實際的物理課堂教學，大部分教師還是只重視知識的落實，科學方法教育只是碎片化地開展，心目中沒有一個完整的體系，不利于物理思想的形成.比如，在學習“聲音的產生”時，我們用轉換法證明發(fā)聲的音叉在振動，現象明顯，通俗易懂.但若只是碎片化地傳授轉換法，學生并不容易形成轉換思想，這需要在后續(xù)的學習中系統(tǒng)、有意識地滲透轉換法.只有在教師的心中形成科學方法體系，才能做到有的放矢，靈活地開展科學方法教育.

2.2 科學方法與知識割裂，融合不深

目前國家教育部門非常重視科學方法教育，出臺了相關政策和文件，特別是“2017年版高中物理新課標”和新教材中，科學方法教育得到了進一步的凸顯.教學中，大部分教師雖有知識和方法兩條線的意識，但是二者的融合并不深入，過于重視知識的傳授，方法的教育往往會被“短路”，以說教的方式進行講授，被貼上某某方法的標簽.這樣的科學方法教育，學生只是記住了方法的名字，沒有體現在解決問題的過程中，學生體會不到科學方法的智慧.

2.3 不會用方法解決問題，遷移不夠

對于科學方法的應用，一般體現在一個新的物理概念或規(guī)律的建立中，與課堂學習聯系比較密切，但是與生活聯系不夠緊密，缺少利用科學方法解決實際問題的意識和能力.注重知識的應用，忽視科學方法的遷移與應用，造成學生遇到生活問題時感覺無從下手、不知所措.解決問題的過程是綜合應用所學知識和科學方法的過程，知識和方法不是割裂的.例如我們在課堂中運用的轉換法，跟生活密切聯系，如“心電圖儀”“血壓計”以及各種“傳感器”，雖然它們應用的領域不同，但基本原理都是轉換的思想.加強科學方法的應用，不僅能拓展學科視域，還能形成良好思維方式.

3 實施策略

科學方法教育的關鍵，是讓學生經歷一個真實問題解決的過程，其解決問題的流程如圖2所示.在問題解決后，回顧或反思解決問題的方法，學生才會對方法有一個深入的理解.正如我國古代的兵法中的“三十六計”一樣，若只是去背誦和記憶三十六個計謀的名字，是沒有意義的，只有深入了解每一個計謀背后的故事，才能體會和感悟三十六計的智慧，為孫臏的謀略所折服.

科學方法教育也需要讓學生經歷一個個不同的 “學習故事”，才能感悟方法的巧妙，影響人的思維方式.科學方法的學習與內化往往伴隨在問題解決的過程中，如圖3所示，從生活中的情景發(fā)現問題，在教師搭建的思維認知臺階的引領下，在師生互動下，學生自主解決問題，建構知識，最終獲得思維能力，形成良好的科學態(tài)度和價值觀，促進素養(yǎng)的發(fā)展.

在實際的課堂教學中，不同的教學內容會涉及不同的科學方法，結合物理學科的特點，我們以發(fā)展學生的思維能力為目的，按照從學科知識到學科方法，再由學科方法到思維方法的邏輯，依據“2017年版物理課程標準”和“中國高考評價體系”的要求，著重培養(yǎng)分析、綜合、推理、論證和實驗觀察等方法.

3.1 以知識為載體，通過課堂教學滲透科學方法

有人用一棵大樹，比喻知識與方法的關系，把樹葉看作知識，樹干看作方法，樹根看作科學態(tài)度和科學精神.首先映入眼簾的是“樹葉”，大樹枝葉茂盛，這猶如學科知識，它們是顯性的，最容易讓學生接受;而樹葉的生長靠樹枝和樹干的支撐，以及輸送營養(yǎng)，方法對知識的重要性不言而喻.但是整個大樹是靠樹根吸取養(yǎng)分，才能成長為參天大樹，沒有正確的科學精神和嚴謹的態(tài)度，科學教育就會失去根基.

目前的教材編寫和課堂教學，大部分都是以知識為主線開展的，這比較符合學生的認知規(guī)律.教師授課應以知識線為基礎，顯性開展;以方法線為暗線，隱性開展.這也是張憲魁教授提出的“知法并行”的模式.關于科學方法教育采取“顯性”和“隱性”的問題，有著不同的觀點.筆者認為隱性教育是顯性教育的基礎，顯性教育是隱性教育的飛躍，二者需要密切配合，根據實際采取適當的形式開展科學方法教育，才能發(fā)揮其最大效果.

3.2 以實驗為基礎，從探尋證據中掌握科學方法

物理是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗的目的就是獲得數據，尋找自然界中的現象（概念），以及現象之間的關系（規(guī)律）.無論是演示實驗、驗證實驗還是探究實驗，都會涉及實驗觀察、實驗數據的分析、實驗結論的歸納總結.所以，以實驗為基礎是開展科學方法教育的重要渠道.教學中，教師不只是盯著物理知識，更要有思維方法目標，在不同的實驗教學中確定不同的科學方法教育目標，然后學生在實驗中獲得證據，在探尋證據中發(fā)展思維能力，感悟科學方法的巧妙.例如在學習“楞次定律”時，由于本實驗變量較多，學生理解起來比較困難，我們以科學方法為手段突破教學難點.見表2，讓學生利用觀察、對比和分析等方法進行歸納概括楞次定律，并設計問題引領學生的思維，搭建思維認知臺階，突破教學難點.

I感向與Φ原方向及Φ原增減有關，難以判斷I感向. 感應磁場與原磁場磁通量變化之間“阻礙”與“被阻礙”的關系，學生難以自己悟出來，需要逐步提煉出“增反減同”，如何進一步用一個更精煉的詞來描述B感與原磁通變化的關系呢？引導學生提到“阻礙”，需要反過來看感應電流磁場的方向與原磁通量Φ的變化情況，進而確定其中的關系.

3.3 以學史為線索，在知識來龍去脈中體會方法

學生學習物理的過程與物理學家發(fā)現知識的過程具有相似性，依據“教育重演律”，即在學生學習物理的過程中重演人類探索物理的過程.教學中，要按照歷史的順序，把科學家發(fā)現知識的原過程，經過必要的剪輯，讓學生重演知識的發(fā)生過程.需要強調的是，重演不能簡單地等同于科學家發(fā)現知識的重復過程，我們只需讓學生經歷關鍵的步子，特別是前人遇到了什么問題、運用什么方法解決問題，吸取前人的智慧.

所以，物理學史中蘊含了豐富的教育智慧，一些經典實驗中蘊含著前人的智慧，我們不僅要厘清物理學史中的知識脈絡，更要挖掘其中的思想方法，以史為鑒才能明智.例如在學習“托里拆利實驗”時，不能僅僅講清實驗的裝置，讓學生記住大氣壓的值，更要讓學生經歷用水銀液柱的壓強替代大氣壓的過程，讓學生明白這種轉換法的巧妙，遵循物理學史開展教學，設計學習活動，不僅能落實學科方法教育，還能有效開展科學態(tài)度和科學精神的教育.

3.4 以實踐為渠道，在解決實際問題中運用方法

新課標強調“從生活走向物理，從物理走向世界”，我們強調知識與生活的聯系，體現學以致用的理念.但是，上述做法只是強調了知識的應用，沒有考慮到方法的應用.北大教師趙凱華先生說過“物理科學方法用到什么領域，什么就是物理”，這足以說明科學方法遷移運用的重要性.例如在新冠疫情中，利用科學方法有效防控疫情的實例，其中的防控措施值得借鑒.例如：

（1）如何辨別一個人是否感染新冠病毒？

常規(guī)鑒別：看其是否咳嗽發(fā)熱？ 專業(yè)的鑒別方式是開展核酸、CT、血清等檢查.這里采用對比法，同中求異，能確定是否感染新冠病毒.

（2）談談有哪些措施可以控制疫情傳播？

首先可以管理傳染源，如采取隔離、治愈病人等方法;其次，切斷傳播途徑，如戴口罩、勤洗手、不聚集等措施;再次，保護易感染人群：如打疫苗、提高免疫力等.以上措施采用控制變量的思路，進行逐條因素分析，綜合治理，能做到精準防控的效果.

（3）在人數感染較多時會采取什么措施？

當散發(fā)病例較多時，采用小區(qū)或社區(qū)全員核酸檢驗的辦法，進行新冠排查;當一個地區(qū)感染人數更多時，則采取全區(qū)（市）核酸檢驗，進行排查.這種排查方式則是采用了整體的思想方法理念.這種用科學方法解決現實問題的思路，值得借鑒.

由此可以看到，科學方法的遷移能拓寬學科視野，還能有效解決生活中的實際問題.

3.5 以復習為抓手，在鞏固提升中梳理科學方法

在習題復習中適時開展科學方法教育，不僅能鞏固學科知識，還能促進學生運用科學方法解決實際問題，促進思維能力提升.在習題復習中開展科學方法教育，可以采取顯性化處理，首先明確解題的思路，或者采用什么方法，引領學生尋找解決問題的思路，更容易讓學生感悟到科學方法的巧妙.當某一個方法用的多了，就會改變人們的思維方法，形成物理思想，比如我們經常使用轉換法設計實驗，使用較多時，學生就會形成轉換的思想.

例題 中歐班列在歐亞大陸開辟了“生命之路”，為國際抗疫貢獻了中國力量.某運送防疫物資的班列由40節(jié)質量相等的車廂組成，在車頭牽引下，列車沿平直軌道勻加速行駛時，第2節(jié)對第3節(jié)車廂的牽引力為F.若每節(jié)車廂所受摩擦力、空氣阻力均相等，則倒數第3節(jié)對倒數第2節(jié)車廂的牽引力為

A.F B.19F20 C.F19 D.F20

解析：答案選C，根據題意可知第2節(jié)車廂對第3節(jié)車廂的牽引力為F，因為每節(jié)車廂質量相等，阻力相同，故第2節(jié)對第3節(jié)車廂根據牛頓第二定律有F-38f=38ma，設倒數第3節(jié)車廂對倒數第2節(jié)車廂的牽引力為F1，則根據牛頓第二定律有F1-2f=2ma，聯立解得F1=F19.本題的解答就是根據實際的問題，建立物理模型，在應用牛頓第二定律分析求解時，采用整體與隔離的方法，針對研究的對象進行受力分析.

4 結束語

新時代，科學方法教育的責任與使命就是發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)新時代的創(chuàng)新人才，在核心素養(yǎng)下的新課改中，要發(fā)展人的思維能力，就必須開展科學方法教育，讓學生親歷知識的形成過程，感受知識發(fā)生的前提或原因，再現知識的來龍去脈，才能揭示知識的本質，真正促進思維能力和思維品質的發(fā)展，有效落實核心素養(yǎng).

參考文獻：

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（收稿日期：2021-06-29）