浅析高中物理科学方法教育.DOC

1、浅析高中物理科学方法教育物理教学中实施素质教育的目标是培养具有较高的科学素养的人才，它主要体现在培养多方面的能力上，比如观察和操作能力，归纳和演绎、类比和推理的能力，使用工具、查阅资料的能力等，在诸多能力的培养中，创造能力是核心，而创造能力的培养关键是科学方法的教育。自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学，是关于自然知识的理论体系。因此，提示自然界各种客体的属性、运动机制、变化规律，以及构筑科学体系的各种途径、方式和手段，都是自然科学研究的方法。 科学方法的内容是很丰富的，按照方法的不同层次和普遍性程度的高低来划分,它包括既相互联系又相互区别的若干个层次，其中研究物质世界的

2、物理规律的构筑物理学体系的方 法就是物理方法。我们在这里研究的物理方法不是物理学的具体方法，诸如光谱分析方法、透镜成像作图法、受力分析法等，它们是与物理概念、规律一起作为教学内容进行教授的；也不是研究从物理学和其它自然各学科中概括出来的最通用的观察方法、抽象思维方法、 形象思维方法等，这些方法的研究主要是在物理课之外的选修课中进行。我们研究的是从物理科学中归纳出来的一般的方法。我们不是单纯地研究物理方法的理论体系，而是主要研究物理方法的教学，在物理教学中应用物理方法，指导学生掌握物理方法。一、以实验为基础 物理科学体系是由物理概念规律组成的，这些概念和规律都是建立在实验的基础上的。学生经过初中

3、阶段的学习，对物理实验的基础性地位是比较了解的，也知道物理实验在物理科学研究中的重要作用，但是他们对物理室验的本质了解还存在着一些模糊的观点。他们往往认为，物理实验最重要的是观察，没有观察就谈不上实验；也有人认为物理实验最重要的是动手做，不动手做就不是实验；产生这些想法当然也是有一定道理的，但是这些并不是实验的精通对客观世界进行科学研究。研究时会发现，影响物质运动规律的变量是非常多的，人们必须用简化情景的方法，通过控制变量，从简单的现象开始研究，才能使人们逐步地认识客观规律。人们通过实验现象归纳抽象出物理概念，探索出物理规律，这些规律还要接受实验的检验。这就是说物理科学理论是在实验的基础上建立

4、起来的。当然，在实验的过程中是要观察的，也是要动手的，但是观察什么，怎样观察，动手做什么，怎样做，这些都是在总的实验设计思想下进行的。从本质上说，实验是人为地创造一个环境，人为地控制物质变化的过程，在一个理想的环境下排除干扰，突出主要因素进行的操作。因此可以说，实验的精髓不在于观察，不在于动手做，实验的精髓在于“控制”、古希腊哲学家亚里士多德在天文学、逻辑学等领域均有建树，但是在物理学的领域中却犯于错误，他提出的在自由落体中重物体比轻物体下落得快，他还提出力是物体运动的原因，这些都是错误的。人们甚至发现，物理科学早期的进展都是在克服了亚里士多德的错误而取得的，为什么会发生这种情况呢? 这时就有

5、个研究物理科学的方法问题，亚里士多德用的是观察的方法，这种方法用于天文学是可以的(因为天文学是门以观察为基础的科学)，用于物理学就不够了。亚里士多德在提出以上这些命题的时候，他也动手做了并展示了一些生活现象，根据动手做的现象进行观察得到了生活经验。他的做法只能叫做动手做，这不是完整意义上的实验。实验是要控制变量进行分析研究的，但是他没有这样做，生活经验在科学上并不都可靠的。实验方法是由伽利略首先展示给我们的，伽利略研究斜面上物体的运动把一个铜球从蒙着羊皮的斜面下来，他用漏水的方法进行记时，经过控制斜面韵角度，铜球的质量等运动的比较，发现铜球在斜面上的运动都是匀变速运动，铜球运动的加强度与铜球质

6、量无关。他设想把斜面倾角取到 90 度时就是自由落体运动证明了自由落体运动是匀速变速直线运动。他还用重力不同的物体进行由落体运动比较， 证明了不同质量物体在空中自由下落时加速度是相同的。伽利略和亚里士多德在方法上不同，导致了他们的不同的结论。物理学作为一门科学，它的基础是实验。 二、以四个方法为主线 1、理想方法是物理科学研究中的基本、应用最广泛的方法 由于客观世界十分复杂，在研究问题的过程中就应该忽略次要因素、无关因素；它使我们得到理想化的型去代替客观模型，这就是理想想法。理想化方法使我们能够近似地理想的条件下较为方便地研究客观界，得到物理规律。 理想化方法的运用在物理科学是极其普遍的，学生

7、在初中物理学中也常接触到理想化方法，但是由考虑到初中学生的接受能力，在初中物理教学中是不提出理想化方法的，而只是把客观世界的复杂事物进行简化后让他们研究，所以初中物理教学中出现的问题都是经过理想化处理的、极其简单的问题。在高中的物理教学中，就把客观世界的复杂问题提出来了要求学生能对复杂的问题进行理想化的处理。 一架飞机从宁波飞到杭州，由于飞机的大小和形状在与宁波到杭州的航程相比是微不足道的，在研究的问题中不起作用，所以可以把飞机看作是一个没有大小和形状的点。在物理学上我们把它叫做质点。 学生很难一下子掌握理想化方法，他们普遍会有这样的模糊认识，认为理想化方法就是“近似”。所以他们会对物体能否理

8、想化为质点的问题产生他自己的判断标准，那就是把质点等同于“小物体”。他们把小的物体可以看成质点，把大的物体就不可以看成质点；他们往往会犯这样的错误：个小球可以看成质点，一辆大客车就不能看成质点。 在高中物理力学中，把物体抽象成质点，是把物体的其它性质都忽略了，只剩下质量了。实际上，在运动学中，物体简直是个几何点，质量也被忽略了。只是在研究其动力学性质的时候才用到质量。随着研究问题的变化，这个点可以起变化，在光学中可以是点光源，在电学中可以是点电荷。 把公转中的地球、长途运行中的汽车等等，能够近似处理，看成很小很小，小到非常小，这仍然不是理想化模型，只有小到是一个点，小到体积为零，这才是理想化模

9、型的质点。理想化方法的本质不是“近似”，理想化方法的本质是“科学的抽象”，理想化模型是从客观原型中抽象出来的。这种抽象是有所得，也有所失，失去的是物体原来的许多性质，但得到的是物体在研究问题中的本质。经过科学的抽象得到的理想化模型在客观世界中是不存在的(指它的实体)，但却又是处处存在的(指它的应用)。2、等效方法是物理学研究中最普遍、表述最简洁的方法 物理科学研究是面对众多的物理量，在分析、处理和计算物理量的进修，特别要注意物理量之间的关联，这里经常要用到的一种重要的思想是等效。 学生在初中阶段已经学过串、并联电路，学过电路的计算。在电路中有两个电阻的连接方式是串联的，那么总电阻就是原来阻值之

10、和；如果原来两个电阻的连接方式是并联的，那么总电阻就是原来阻值倒数之和的倒数。在这里所谓的总电阻就是与原来的电阻是等效的，到高中阶段一开始就学习么两个互成角度的共点力，求它们的合力，实验证明这个力可以用平行四边形定则来得到，这个合力就是与原来两个共点力等效的。 由于学生学到的等效方法都是从具体的规律或公式来体验的，所以他们对于等效方法的认识是割裂的、分散的。他们往往有一种错误的观念，认为等效的两个物理现象应该具有相同的本质,这种认识上的错误，妨碍着他们对等效方法的普遍性的认识。 实际上，等效方法是不论性质的，这种思想方法的准则只有一条，那就是保持效果相等。不同性质的力可以合成，为的是得到一个等

11、效的力。做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，但它们的本质并不相同。有了等效的思想可以把一个有漏电的电容器等效为十个理想的电容器和一个电阻的并联，把一个有电阻的线圈等效为一个理想的线圈和一个电阻的串联 ；有了等效的思想，就会明确不仅有直流电路的等效变换，而且有交流三路的等效变换；不仅有力的等效，而且有运动的等效；不仅有状态的等效,而且有过程的等效。甚至在处理不同的物理问题时，还可以有具体方法上的等效，比如解决力学问题方法与几何光学方法的等效，电磁学量与力学量的等效等。还可以进一步懂得，从伽利略到牛顿，从牛顿到爱因斯坦，等效方法在物理学的历史上曾经起过重要的作用。3、对称方法是物理学中最深最能

12、体现科学美的方法,在客观世界复杂的事物中普遍存在着一类现象，那就是对称。这镜像对称、旋转对称、平移对称，使纷繁复杂的客观世界变得有了某种匀称和协调。对称现象是非常普遍的，每个同学都是从童年时候开始观察对称的，同学们升入高中的时候，已经感受大量的对称现象了。但是他们对对称的理解是不完整的。他们把对限在几何对称上，从轴对称和中对称上去理解对称。即便是在运用上，他们也是从物体的放置方式，物体运动的轨迹形状去观察对称，在他们的眼中是有形的、具体的。怎样正确、全面地，理解对称称方法在物理科学中的意义；对镜像对称，我们只要翻转 180的操作，就可以使对物体产生重合。同样地，对于旋称和平移对称，我们只要对它

13、进轴旋转操作和平移操作即可使对物体产生重合。可见，在对称的或它的各部分之间存在着某种有某种重复。如果对它们施行某种操作，使它从一种状态变换到另一种等状态(即重合)，我们就说这个物于这种操作是对称的，而这种操作叫做这个物体的一个“对称操作” 者说“对称变换”。可见，对称是经过某种中变换之后显示的重复性或不变性。 有了对称操作的思想，便可以认识物理规律对于空间和时间变换的对称性了。一条物理定律，比如是牛顿第二定律，它在欧洲的实验室里是成立的，现在对它进行空间平移变换，这条物理定律在亚洲仍然是成立的吗?它在某一个方向的时候显示是正确的，换了一个方向之后，即对它进行空间旋转变,这条定律仍然成立吗?我们

14、知道牛顿定律在 17 世纪是成立的，对它进行时间平移操作到 20 世纪末，这条定律仍然成立吗?实验证明，物理规律在改变了空间地点、空间方向、改变了时间之后，仍然是成立的。这就是说，物理规律对于空间的平移变换，空间的旋转变换，时间的平移变换等操作都是成立的；在物理科学中我们可以表述为：物理规律对于空间平移变换，空间旋转变换，时间平移变换都是对称的。进步还可以对物理规律进行空间的反演变换、时间反演变换，这就是说，把物理规律经过平面镜成像，在平面镜中的规律是否仍然成立，把物理规律经过时间的倒走，看物理规律是否仍然成立。研究表明，在没有介质阻力做功的情况下，物理规律对于时间反演变换是对称的，在有介质阻

15、力做功，即发生了机械能向内能转化的情况下，物理规律对于时间反演变换不对称，这就是发生了“破缺”。研究还表明，在宏观世界，物理规律对于空间反演变换是对称的在微观领域?有某些物理规律对于空间反演变换是不对称的。 物理规律对于时间和空间的变换的对称性有着深刻和涵义，每种时空变换的对称性都对应着一条守恒定律。在许多情况下，从根本上解决问题就要用对称方法。 4、微元法是物理学中最具有数学化又最能体现辩证思维的方法客观世界的物质是运动和变化着的，而这种变化往往是不均匀的，对不均匀的变化的研究是十分困难的，在这种情况下，我们可以从总体中分割出一个微元，也可以是从总体中取出一个微元过程，从分析这个微元达到分析

16、整体，这就是微元法。微元法对学生来说是比较生疏的，在初中物理的教学中，虽然很少提到微元，在高中阶段却要用微元的思想来处理问题，对学生未来说知识的跨度比较大，在应用的过程中又要用到其他数学方法，比如数列求和，函数求极限等，能力的要求比较高。学生会产生误解，认为微元法纯粹就是数学方法， 而忽略了它的物理思想。虽然微元法要用到较多的数学方法，但是它首先是物理方法。它是从极小部分着手来达到解决整体的目的。作用微元法首先要进行无限分割，把不均匀的整体分割成无限多的微元，在这每一个微元中可以看成是均匀的；把变化的运动过程分割成无限多个元过程，在这每一个元过程中可以看成是不变的，这就是物理上的无限分割。使用

17、微元法还要进行无限逼近，把每一个均匀的微元按一定的规律进行变化来逼近实际的整体：把每一个不变的元过程按一定的规律来进行变化来逼近实际的运动过程。这样就把一个本来是难以处理的复杂变化的问题化解为比较容易处理的问题了。 比如在变速运动，中瞬时速度问题。从匀速直线运动到变速直线运动就是一个飞跃，从平均速度到瞬时速度就是一个飞跃。因为平均速度是比较容易理解的，当我们把变速直线运动的过程取得越来越小，即时间越来越短，位移越来越小，平均速度就越来越接近某一个时刻的瞬时速度，当我们把过程取得无限小，时间间隔取到零，位移也为零，位移与时间的比值却是一个确定的值,这就是运动物体，在某时刻的瞬时速度。匀变速直线运

18、动的位移也可以用微元法来处理，把这个运动分割为无限多个极小的元过程，在每个元过程中看成是匀速直线运动，然后用匀速直线运动的公式来求整个运动过程的位移。另外还有圆周运动中的向速度问题、凸透镜的折射问题等,以用微元法进行分析解决。 微元法是在中学物理教学中难，以掌握的方法，是运用数学工较多的方法，但是，微元法不仅是个方法技巧，更是一个物理思想的辩证哲学的思想，对一二个物理实体或物理过程，对它取微行无限分割，我们在不均匀中看均匀，从变化中取出了不变。当对它进行无限逼近的时候，我们均匀中看到了不均匀，在不变中了变化。只有在物理思想上、逻辑上掌握了微元法，才可以掌握了微元法的本质。物理方法中还有许多别的方法但我们认为抓住了实验这个基础,抓住了这 4 个方法就是抓住了最重部分，就使我们的科学方法教育清晰，便于学生的学习，便于学步构建物理科学方法的框架，