劉 冰

高中物理新課程改革提出的三維目標(biāo)中將“過程與方法”作為目標(biāo)予以凸顯。如何實(shí)現(xiàn)“過程與方法”目標(biāo)成為廣大物理教師思考與探索的重要話題，科學(xué)方法教育成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

科學(xué)方法教育的開展需要以知識(shí)為教學(xué)線索與基礎(chǔ)，教學(xué)需要以教科書作為藍(lán)本，因此，需要進(jìn)一步思考如何挖掘與利用好教科書中的科學(xué)方法素材。在中學(xué)物理教學(xué)一線，不少教師往往只停留在認(rèn)識(shí)到科學(xué)方法教育的重要性，但是對(duì)于怎樣從教科書中尋找相應(yīng)的科學(xué)方法并加以合理利用卻無從下手。筆者嘗試以《電場(chǎng)強(qiáng)度》(粵教版高中物理選修3-1)一節(jié)為例予以探討。

一、科學(xué)方法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

高中物理中涉及科學(xué)方法主要有：理想化方法、控制變量法、隔離法、等效變換法、對(duì)稱法、模擬法、轉(zhuǎn)化法、類比法、作圖法等。上述各種科學(xué)方法的定義參見相關(guān)的文獻(xiàn)，此處不再贅述。挖掘物理教科書中的科學(xué)方法，主要是通過細(xì)致閱讀教科書，依據(jù)各類科學(xué)方法的定義將內(nèi)隱的科學(xué)方法進(jìn)行顯化性地識(shí)別與判斷。下面以《電場(chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)為例，探討科學(xué)方法的挖掘與利用。

1.轉(zhuǎn)化法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

物理學(xué)中對(duì)于一些看不見、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測(cè)量的物理量，通常用一些較為直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)或用易測(cè)量的物理量間接測(cè)量，這種研究問題的方法稱為轉(zhuǎn)換法?！峨妶?chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)中利用試探電荷來描述電場(chǎng)的性質(zhì)，實(shí)際上就隱含了“轉(zhuǎn)化法”的思想。電場(chǎng)的性質(zhì)是抽象的，用來描述電場(chǎng)性質(zhì)的物理量—電場(chǎng)強(qiáng)度也是無法直接測(cè)量的。利用轉(zhuǎn)化法，通過放置試探電荷，其電場(chǎng)力及其電荷量都是可測(cè)量的，用這兩個(gè)可測(cè)的物理量的比值來表征電場(chǎng)的強(qiáng)弱，這里正是轉(zhuǎn)化法靈活應(yīng)用的體現(xiàn)。

筆者建議，教學(xué)時(shí)可以先拋出問題：電場(chǎng)看不見、摸不著，如何來研究電場(chǎng)？而后引入轉(zhuǎn)化法的觀念：物理學(xué)上有一種方法稱為轉(zhuǎn)化法，用一些較為直觀的或者易于測(cè)量的物理量，來間接地測(cè)量看不見、摸不著的現(xiàn)象或物理量，此處我們就引入一個(gè)試探電荷。接著進(jìn)一步拋出問題：大家想想，對(duì)于試探電荷，什么物理量是我們可以直接測(cè)量的？從而引導(dǎo)學(xué)生嘗試進(jìn)行猜想與研究。在完成探究得出電場(chǎng)強(qiáng)度的概念和公式后，再次拓展與升華這種轉(zhuǎn)化法的方法：此處我們用到的轉(zhuǎn)化法，在不少地方都會(huì)用到，比如速度的測(cè)量就轉(zhuǎn)化為測(cè)量位移和時(shí)間，再比如要證明抽象的大氣壓強(qiáng)的存在，就轉(zhuǎn)化為可視化的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)等，都是將不易測(cè)量的物理量或抽象的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的物理量或直觀的現(xiàn)象。由此幫助學(xué)生從不同的例子中領(lǐng)悟方法的普適性價(jià)值。

2.控制變量法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

控制變量法是初中和高中物理中最為常見的，也最為學(xué)生所熟悉的一種方法，即在研究多個(gè)物理量關(guān)系時(shí)，只改變其中一個(gè)而控制其他物理量不變，從而簡(jiǎn)化為研究多個(gè)單一物理量對(duì)某一個(gè)物理量影響的問題。在《電場(chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)中，探究電場(chǎng)力與試探電荷電量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)便是利用了控制變量法。在導(dǎo)體A的電場(chǎng)中，先控制位置不變，用不同的電荷量，比較受到的電場(chǎng)力大小。再控制電荷量不變，將同一試探電荷放在電場(chǎng)中的不同位置，比較所受到的電場(chǎng)力，從而總結(jié)歸納出相應(yīng)的規(guī)律。

關(guān)于控制變量法的應(yīng)用，由于初中考試中凡涉及實(shí)驗(yàn)方法的試題，基本上都填答控制變量法，學(xué)生已經(jīng)十分熟悉，一提到研究方法學(xué)生基本上異口同聲回答控制變量法，至于其他方法則不太了解，甚至部分學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為只有運(yùn)用了控制變量法才是真正的科學(xué)研究?；谏鲜霈F(xiàn)狀，筆者建議，在高中階段涉及控制變量法使用的實(shí)驗(yàn)中，除了點(diǎn)撥該方法外，也需要提醒學(xué)生：物理科學(xué)方法是多樣化的，控制變量法只是其中一種，其他方法比如理想化方法、轉(zhuǎn)化法等同樣重要，由此轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤的方法論認(rèn)識(shí)。

3.比值定義法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

比值定義法就是用兩個(gè)基本的物理量的“比”來定義一個(gè)新的物理量的方法。比值法定義的基本特點(diǎn)是被定義的物理量往往是反映物質(zhì)的最本質(zhì)屬性的，它不隨定義所用的物理量的大小取舍而改變，比如物質(zhì)密度、電阻、場(chǎng)強(qiáng)、磁通密度、電勢(shì)差等。

《電場(chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)在電場(chǎng)強(qiáng)度的定義旁邊，專門注釋了“比值定義法”五個(gè)字，并在本節(jié)末尾資料活頁(yè)中，具體闡釋了比值定義法，還列舉了初中學(xué)過的密度、電阻，進(jìn)而類比該節(jié)提到的新物理量電場(chǎng)強(qiáng)度。在適當(dāng)?shù)奈恢脤⒖茖W(xué)方法進(jìn)行闡釋是新課改各套教科書的創(chuàng)新之處，也體現(xiàn)了新課程“過程與方法”目標(biāo)的導(dǎo)向作用。教學(xué)中我們不必要求學(xué)生去記憶比值定義法的定義，也不能脫離具體的知識(shí)內(nèi)容純粹講科學(xué)方法，而應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過具體的例子來理解科學(xué)方法的價(jià)值，體味思想方法指導(dǎo)的魅力。

4.理想化方法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

理想化方法就是借助于邏輯思維和想象力，有意識(shí)地突出研究對(duì)象的主要條件，排除次要因素和無關(guān)因素的干擾，在大腦中形成理想化的研究客體或相互聯(lián)系。理想化方法一般有三種形式：對(duì)物理?xiàng)l件的理想化、建立理想模型和進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)。

《電場(chǎng)強(qiáng)度》教科書中應(yīng)用了理想化方法的內(nèi)容，是計(jì)算點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)隱含了點(diǎn)電荷本身是一種理想模型，當(dāng)帶電體之間的距離遠(yuǎn)大于帶電體本身的尺寸，以至于帶電體本身的大小和形狀對(duì)帶電體間的作用力影響可忽略不計(jì)時(shí)，帶電體就可以看成點(diǎn)電荷?；浗贪娼炭茣凇峨妶?chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)的討論與交流環(huán)節(jié)中，專門提出問題：公式E=F/q與公式E=kQ/r2都可以用來計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，它們有什么區(qū)別呢？實(shí)際教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述問題進(jìn)行思考，幫助學(xué)生回憶點(diǎn)電荷理想化模型，再次體會(huì)理想化方法的應(yīng)用。此處同樣可以進(jìn)行拓展，幫助學(xué)生回憶各種已經(jīng)學(xué)過的理想模型，如質(zhì)點(diǎn)、光滑平面、細(xì)繩、點(diǎn)光源、平面鏡等。

5.模擬法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

模擬法是以相似性原理為基礎(chǔ)，研究物質(zhì)或事物物理屬性變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法。在探求物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和自然奧妙時(shí)，常常會(huì)遇到一些特殊的、難以對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行直接測(cè)量的情況，這時(shí)可人為地制造一個(gè)類似于被研究的對(duì)象或者運(yùn)動(dòng)過程的模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，被研究的對(duì)象非常龐大或非常微小(巨大的原子能反應(yīng)堆、同步輻射加速器、航天飛機(jī)、宇宙飛船、物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、原子和分子的運(yùn)動(dòng))、非常危險(xiǎn)(地震、火山爆發(fā)、發(fā)射原子彈或氫彈)，或者研究對(duì)象變化非常緩慢(天體的演變、地球的進(jìn)化)時(shí)，模擬法可以在這些研究中得到應(yīng)用。

具體到《電場(chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)，粵教版教科書在闡釋電場(chǎng)線時(shí)指出，電場(chǎng)線的形狀可以通過實(shí)驗(yàn)來模擬，把奎寧的針狀結(jié)晶或頭發(fā)屑懸浮在蓖麻油中，加上電場(chǎng)，微屑就會(huì)按照?qǐng)鰪?qiáng)的方向排列，顯示出電場(chǎng)線的分布情況。這種用其他可視化的物體來替代模擬與顯化較難觀察的現(xiàn)象與過程，正體現(xiàn)了“模擬法”使用的巧妙。教學(xué)中在展示了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，可以引導(dǎo)學(xué)生思考：我們看見的蓖麻油中的這些線，是不是就是真實(shí)的電場(chǎng)線？大家能否說說這里用了怎樣的研究方法？既提醒學(xué)生模擬現(xiàn)象不可替代真實(shí)現(xiàn)象，又促使學(xué)生思考現(xiàn)象背后所應(yīng)用的研究方法，提升學(xué)生的思維能力。

6.數(shù)學(xué)模型方法在《電場(chǎng)強(qiáng)度》中的挖掘與利用

數(shù)學(xué)模型方法是一種通過建立和研究物理對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來揭示對(duì)象的本質(zhì)特征和變化規(guī)律的方法，既包括公式模型，如萬有引力定律，也包括用幾何方法描述規(guī)律?！峨妶?chǎng)強(qiáng)度》一節(jié)中，電場(chǎng)的疊加，正是利用了矢量的平行四邊形法則這種幾何方法來研究電場(chǎng)合成的規(guī)律。

數(shù)學(xué)模型方法作為一種形式化的認(rèn)識(shí)手段和方法，在物理學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域可以說得到了充分的運(yùn)用與體現(xiàn)。在《電場(chǎng)強(qiáng)度》關(guān)于電場(chǎng)疊加的教學(xué)中，在講解完具體操作方法后，可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)利用數(shù)學(xué)幾何圖形快捷解決物理問題的優(yōu)勢(shì)，也可以提及中國(guó)古代由于缺乏數(shù)學(xué)符號(hào)而在一定程度上使得科技發(fā)展滯后的教訓(xùn)，并指出前沿理論物理研究中大量地應(yīng)用了數(shù)學(xué)工具進(jìn)行計(jì)算，提醒學(xué)生要打下扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

二、結(jié)束語(yǔ)

本文以《電場(chǎng)強(qiáng)度》(粵教版高中物理選修3-1)一節(jié)內(nèi)容為例，探討了教科書中涉及科學(xué)方法的挖掘與利用?？梢钥吹剑瑔渭兪且还?jié)內(nèi)容，便包括了轉(zhuǎn)化法、控制變量法、比值定義法、理想化方法、模擬法和數(shù)學(xué)模型方法等六種常見的科學(xué)方法，方法的點(diǎn)撥與適當(dāng)?shù)娘@化，能夠引導(dǎo)學(xué)生在理解與掌握相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)一步拓展與深化思維，從具體的知識(shí)層面上升到方法論層面，促進(jìn)學(xué)生思維的新飛躍?？茖W(xué)方法教育是一項(xiàng)值得不斷深入思考與探索的工程，有待我們所有教育者的共同努力，任重而道遠(yuǎn)。

[1]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島:中國(guó)海洋大學(xué)出版社,2000.

[2]邢紅軍.物理科學(xué)方法顯化教育的理論與實(shí)踐研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2011(24):73-74.