物理教學(xué)中的科學(xué)方法初探

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摘要:物理教學(xué)中蘊(yùn)含的大量的科學(xué)方法,我們必須給予足夠的重視,并且滲透到教學(xué)活動(dòng)中去,適時(shí)向?qū)W生介紹、點(diǎn)撥,學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中去體驗(yàn)、體會(huì)這些科學(xué)方法,逐步提高學(xué)科學(xué)探究能力,掌握一些科學(xué)方法,為學(xué)生的終生學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。
    關(guān)鍵詞:素質(zhì)教育 科學(xué)探究 科學(xué)方法
    在《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中,科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo),又是重要的教學(xué)方式之一。在探究科學(xué)規(guī)律的過程中,學(xué)生通過動(dòng)手動(dòng)腦,通過物理學(xué)知道“再發(fā)現(xiàn)”過程,體驗(yàn)到科學(xué)探究的樂趣,學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)探究方法,領(lǐng)悟科學(xué)的思想和精神,掌握科學(xué)學(xué)習(xí)的策略和科學(xué)的思維方法,從而提高他們的科學(xué)素質(zhì)。要想使物理教學(xué)達(dá)到新課程標(biāo)準(zhǔn)確定的目標(biāo),我們必須重視物理教學(xué)中蘊(yùn)含的大量的科學(xué)方法,把它們滲透到教學(xué)活動(dòng)中去,適時(shí)向?qū)W生介紹、點(diǎn)撥,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中去體驗(yàn)、體會(huì)科學(xué)方法,逐步提高學(xué)生科學(xué)探究能力,掌握一些科學(xué)方法,為學(xué)生的終生學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。下面就與大家一起來探討物理教學(xué)中常用的一些科學(xué)方法。
    一、猜想法
    在科學(xué)探究的學(xué)習(xí)過程中,猜想這一步驟有著舉足輕重的地位,它是物理智慧中活躍的成分,對(duì)學(xué)生猜想能力的培養(yǎng),也是物理探究過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),而且猜想決定了科學(xué)探究的方向,因此,在物理教學(xué)的過程中,引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)合理地猜想就顯得格外重要。
    首先,猜想要有一定經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)作為基礎(chǔ)。在進(jìn)行科學(xué)猜想能力方面的教學(xué)時(shí),可先針對(duì)問題讓學(xué)生展開想象的翅膀,鼓勵(lì)學(xué)生把所有可能的情況都大膽地說出來,然后讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)逐一進(jìn)行分析,想想生活中有哪些事實(shí)支持它,它和已有知識(shí)是否一致,排除那些與經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)相矛盾的想法,留下的就可能是科學(xué)的猜想了,沒有一定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),猜想恐怕只能是無本之木,無源之水。所以在教學(xué)中為了避免學(xué)生胡猜亂想,讓學(xué)生說出猜想的理由、事實(shí)依據(jù)是很有效的避免課堂混亂的手段,也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的方法之一。
    另外,教師引導(dǎo)學(xué)生猜想要注意把握好方向性。在學(xué)生的自主探究過程中,教師的引導(dǎo)可以起到了畫龍點(diǎn)睛的作用,由于課堂教學(xué)的時(shí)間和器材以及學(xué)生的知識(shí)的限制,我們不可能將學(xué)生講的、說的一一進(jìn)行探究,必須進(jìn)行去粗取精、去偽存真,才能讓探究過程順利完成。
    例如在猜想動(dòng)能大小與哪些因素有關(guān)的時(shí)候,學(xué)生猜想到的因素可能有質(zhì)量、速度、重力、斜面坡度、高度等,特別應(yīng)該注意要讓學(xué)生說出猜想的理由和依據(jù),要能舉出相關(guān)的實(shí)例來證明。然后教師引導(dǎo)學(xué)生把其中類似的因素歸為一類,即質(zhì)量和重力可以歸為質(zhì)量這個(gè)因素,斜面坡度、高度、速度都可以歸為速度這個(gè)因素。這樣就把動(dòng)能大小歸納猜想為與質(zhì)量和速度這兩個(gè)因素有關(guān)。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前面學(xué)習(xí)過的牛頓第一定律實(shí)驗(yàn),可以知道要控制物體到達(dá)斜面上的速度相同,必須控制物體從斜面上滑下的高度相同。然后通過控制變量的研究方法,這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)就不難完成了。完成實(shí)驗(yàn)后,教師可以補(bǔ)充做一個(gè)實(shí)驗(yàn),即把質(zhì)量和速度分別增大一倍,觀察木塊被推動(dòng)的距離,來判斷質(zhì)量和速度這兩個(gè)因素中到底哪一個(gè)因素對(duì)動(dòng)能的影響更大,這樣為到高中的繼續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
    當(dāng)然,學(xué)生的猜想能力的培養(yǎng)并不是一朝一夕完成的,需要我們教師在教學(xué)過程中切實(shí)重視這一能力的培養(yǎng),時(shí)時(shí)注意引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理的猜想,以達(dá)到素質(zhì)教育的目的。
    二、控制變量法
    “控制變量法”是初中物理中常用的探究問題的科學(xué)方法。由于影響物理研究對(duì)象的因素在許多情況下并不是單一的,而是多種因素相互交錯(cuò)、共同起作用的。所以要想精確地把握研究對(duì)象的各種特性,弄清事物變化的原因和規(guī)律,必須人為的制造一些條件,便于問題的研究。例如當(dāng)一個(gè)物理量與幾個(gè)因素有關(guān)時(shí),我們一般是分別研究這個(gè)物理量與各個(gè)因素之間的關(guān)系,再進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論。這樣就必須在研究物理量同其中一個(gè)因素之間的關(guān)系時(shí),將另外幾個(gè)因素人為地控制起來,使它們保持不變,以便觀察和研究該物理量與這個(gè)因素之間的關(guān)系。這就是“控制變量”的方法。
    在初中物理教學(xué)中有許多概念或規(guī)律的探索過程,都要用到控制變量法。例如,在八年級(jí)剛接觸物理時(shí),有一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)是探究“聲音怎樣從發(fā)聲的物體傳到遠(yuǎn)處?”。讓一個(gè)學(xué)生在桌子一端敲擊桌面,另一個(gè)學(xué)生在另一端聽聲音,貼在桌面上聽,只是貼近桌面。發(fā)現(xiàn)兩次都可以聽到聲音,引導(dǎo)學(xué)生分析這兩次聲音分別是通過桌子和空氣傳來的,從而說明聲音要靠介質(zhì)傳播。同時(shí)讓學(xué)生比較兩次聽到的聲音大小,從而認(rèn)識(shí)到聲音在固體中比在空氣中傳播得快,即固體的傳聲能力強(qiáng)。在這里,老師一定要強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中需要控制的變量就是聽聲音的距離和敲擊桌面的力度要相同,使學(xué)生體驗(yàn)到控制變量的思想,為以后的探究實(shí)驗(yàn)作好方法上的準(zhǔn)備。
    初中物理還用到控制變量法的實(shí)驗(yàn)有:影響聲音的音調(diào)、響度等的因素有哪些?蒸發(fā)的快慢與哪些因素有關(guān)?導(dǎo)體的電阻大小與哪些因素有關(guān)?導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端電壓和導(dǎo)體的電阻的關(guān)系,電熱的大小與哪些因素有關(guān)?影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素有哪些?研究感應(yīng)電流方向與哪些因素有關(guān)?研究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力方向與哪些因素有關(guān)?力的作用效果與哪些因素有關(guān)?影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素有哪些?影響壓力作用效果的因素有哪些?研究液體的壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)?研究浮力的大小與哪些因素有關(guān)?研究動(dòng)能或勢(shì)能的大小與哪些因素有關(guān)?研究物體吸引熱量的多少與哪些因素有關(guān)等等。
    控制變量法是一種常用的、非常有效的探索客觀物理規(guī)律的科學(xué)方法。通過控制變量法,可以讓我們很方便的研究出某個(gè)物理量與多個(gè)因素之間的定性或定量關(guān)系,從而能得出普遍的規(guī)律。
    三、等效替代法
    有一個(gè)廣為人知的歷史故事──曹沖稱象。他運(yùn)用的就是一種等效替代的思想,他是用石頭替代了大象,巧妙地測(cè)出了大象的重力。當(dāng)然,這里還用到了“化整為零”的思想。
    很多偉人也經(jīng)常會(huì)用等效法來使研究問題簡(jiǎn)化,例如,愛迪生用圍成一圈的平面鏡的反射光等效多個(gè)太陽造成了無影燈,他的助手阿普頓在苦苦計(jì)算燈泡的容積時(shí),愛迪生卻告訴他只需要把燈泡裝滿水,測(cè)量水的體積即為燈泡的容積。還有阿基米德在洗澡時(shí)發(fā)現(xiàn)了鑒別王冠真假的方法,從而也導(dǎo)致了一個(gè)重要的原理──阿基米德原理的發(fā)現(xiàn)。
    這樣看來,當(dāng)測(cè)量器材無法直接測(cè)量某個(gè)物理量時(shí),就要設(shè)法用可以直接測(cè)量的物理量來取代不能直接測(cè)量的物理量,這就是“等效替代法”。采用此方法時(shí),要注意的是直接測(cè)量的與不能直接測(cè)量的物理量之間要有內(nèi)在的聯(lián)系,找到這種內(nèi)在的聯(lián)系,也就完成了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。
    可以說“等效替代”的思想是物理實(shí)驗(yàn)成功的根本、重要的思路,物理學(xué)中的相關(guān)定律、定理、公式、原理都是以替代思維成立的基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)的。例如,測(cè)量不規(guī)則固體的體積,就是利用物體浸沒在液體中時(shí),物體體積與物體排開的液體的體積相等的原理,將用替代。在有量筒或量杯時(shí),可采用“排液補(bǔ)差法”或叫“等量空間占據(jù)法”測(cè)量。沒有量筒或量杯時(shí),可用彈簧秤和水,通過測(cè)量浮力大小,結(jié)合阿基米德原理計(jì)算(全部浸沒),也可以用天平測(cè)排水的質(zhì)量(全部浸沒),再利用密度知識(shí)來計(jì)算。當(dāng)無法直接測(cè)物體的質(zhì)量時(shí),就可以用漂浮的方法利用的原理,測(cè)出也就知道了,物體的質(zhì)量也就可求了。這種質(zhì)量或體積的替代測(cè)量方法一般多見于測(cè)量物質(zhì)密度的方法中。還有許多物理量的測(cè)量都用到了等效替代法。
    等效替代法還可以用在一些器材的等效上,如果在研究某一個(gè)物理現(xiàn)象和規(guī)律中,因?qū)嶒?yàn)本身的特殊限制或因?qū)嶒?yàn)器材等限制,不可以或很難直接揭示物理本質(zhì),而采取與之相似或有共同特征的等效現(xiàn)象來替代,這樣不僅能順利得出結(jié)論,而且容易被學(xué)生接受和理解。
    例如,在探究平面鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中,用玻璃板替代了平面鏡,因兩者在成像特征上有共同之處,容易使學(xué)生接受,而玻璃板又是透明的,能通過它觀察到玻璃板后面的蠟燭,便于研究像的特點(diǎn),揭示出平面鏡成像的規(guī)律。
    有了這些科學(xué)方法的啟發(fā),學(xué)生在以后遇到有關(guān)問題時(shí)就可能運(yùn)用自如了。比如在學(xué)習(xí)伏安法測(cè)電阻之后,要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),在缺少電壓表或電流表,但另給一個(gè)定值電阻的情況下,要求測(cè)出未知電阻的阻值,應(yīng)該怎么辦?學(xué)生就可以用等效替代的思想來進(jìn)行設(shè)計(jì)了,即讓電流表與定值電阻串聯(lián)來與電壓表等效,或者讓電壓表與定值電阻并聯(lián)來與電流表等效,每當(dāng)學(xué)生自我解決了一個(gè)問題后,他們絕對(duì)會(huì)有一種“柳暗花明又一村”的感覺,對(duì)物理的興趣也自然而然的增加了不少。
    四、轉(zhuǎn)換法
    所謂“轉(zhuǎn)換法”,主要是指在保證效果相同的前提下,將不可見、不易見的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成可見、易見的現(xiàn)象;將陌生、復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)換成熟悉、簡(jiǎn)單的問題;將難以測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量轉(zhuǎn)換為能夠測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量的方法。
    例如,在研究電熱的功率與電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中,電流通過阻值不等的兩根電阻絲產(chǎn)生的熱量無法直接觀測(cè)和比較,而我們通過轉(zhuǎn)換為讓煤油吸熱,觀察煤油溫度變化情況,從而推導(dǎo)出哪個(gè)電阻放熱多。進(jìn)而再問該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癫挥妹河投挠闷渌绞絹碛^察電阻通電后的發(fā)熱情況?這樣促使學(xué)生思維得以發(fā)散,轉(zhuǎn)換的思維方法得到訓(xùn)練,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力也隨著提高了。
    彈簧測(cè)力計(jì)的原理也隱含了一個(gè)間接測(cè)量原則。即用可直接量度的量去間接表現(xiàn)那些不便直接觀察不便直接測(cè)量的量。在這里,彈簧的長度變化是可以直接觀察直接測(cè)量的,而力的大小是看不到摸不著的,但是力的大小卻和彈簧長度的變化有關(guān)系,所以我們就可以用彈簧的伸長量來量度力的大小。不僅測(cè)力計(jì)是這樣的,溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)、氣壓表(高度計(jì))、電流表、電壓表、時(shí)鐘速度表都是如此,看見的是長度、角度的變化,反映的是溫度、液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)(高度)、電流、電壓、時(shí)間、速度的變化。
    初中物理中有很多地方都用到了轉(zhuǎn)換法的原理。研究物體升溫吸熱的多少與哪些因素有關(guān)時(shí),可通過觀察放入其中的相同電熱器加熱時(shí)間的長短來判斷吸熱多少。利用擴(kuò)散現(xiàn)象來研究分子的運(yùn)動(dòng)及分子運(yùn)動(dòng)的快慢。研究動(dòng)能或勢(shì)能大小時(shí)通過觀察運(yùn)動(dòng)的小球推動(dòng)紙盒移動(dòng)距離的大小或是木樁被打入地下的深度,來推斷動(dòng)能和勢(shì)能的大小。研究力、電流、磁場(chǎng)時(shí),由于它們都是看不見摸不著的東西,我們可以利用力所產(chǎn)生的效果、電流產(chǎn)生的各種效應(yīng)、磁場(chǎng)的基本性質(zhì)來研究它們。比如可以通過泡沫塑料凹陷的程度來知道壓力的作用效果大小,用燈光的亮度來感知電流的大小、用電磁鐵吸引大頭針的個(gè)數(shù)來判斷其磁性強(qiáng)弱。將光在透明空氣中的傳播轉(zhuǎn)換為在煙或水霧中的傳播來觀察光的傳播方向。
    再如,把發(fā)聲體的微小振動(dòng)用泡沫塑料球的振動(dòng)來進(jìn)行放大,把物體熱脹冷縮的微小變化用細(xì)管中液柱的高度變化來放大,把物體受力后的微小形變用平面鏡反射光線的偏轉(zhuǎn)角度來進(jìn)行放大等等都是利用了轉(zhuǎn)換法。
    轉(zhuǎn)換法可以通過轉(zhuǎn)換研究對(duì)象、空間角度、物理規(guī)律、物理模型、思維角度、物理過程、物理狀態(tài)、時(shí)間角度等達(dá)到化繁為簡(jiǎn),化難為易,間接地解決問題。這對(duì)于學(xué)生的想象設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)造性思維品質(zhì)的培養(yǎng)是大有益處的。
    五、理想化方法
    縱觀物理學(xué)發(fā)展史,許多重大的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論,都是由于科學(xué)家們經(jīng)過大膽的猜想構(gòu)思,創(chuàng)建出科學(xué)的理想化的物理模型,并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或?qū)嵺`驗(yàn)證,在模型與事實(shí)基礎(chǔ)很好吻合的前堤下獲得的。伽里略和牛頓構(gòu)建了光滑這一理想化的模型,才有慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。法拉第在1852年,對(duì)帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì),設(shè)想出電場(chǎng)線、磁場(chǎng)線一類力線的模型,并用鐵粉顯示了磁鐵周圍的磁力線分布形狀,從而建立了場(chǎng)的概念,對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)觀念是一個(gè)重大的突破。盧瑟福也在1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。
    用理想化模型代替客觀原型的研究方法就是“理想化方法”。它又分為“理想實(shí)驗(yàn)法”和“理想模型法”。
    例如,我們?cè)谘芯空婵漳芊駛髀暤臅r(shí)候,將一只小電鈴放在密閉的玻璃罩內(nèi),接通電路,可清楚的聽到鈴聲,用抽氣機(jī)逐漸抽去玻璃罩內(nèi)的空氣,聽到鈴聲越來越弱,這說明空氣越稀薄,空氣的傳聲能力越弱。實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到絕對(duì)的真空,但可以通過鈴聲的變化趨勢(shì),推測(cè)出真空不能傳聲,這與牛頓第一定律的建立過程是非常類似的。這屬于理想實(shí)驗(yàn)法。如果教師在教學(xué)中注意很好地滲透這一方法,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。
    在初中教材中,我們熟悉的理想化模型有:杠桿(只要能繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體都可以看作是杠桿)、斜面(像盤山公路這樣起點(diǎn)為低終點(diǎn)高的彎曲面可以看作是斜面)、輪軸(如門把手、汽車方向盤、腳踏板、扳手這樣在使用中某部分轉(zhuǎn)動(dòng)形成的軌跡是一個(gè)圓的機(jī)械都可以看作輪軸)、連通器(上端開口、底部連通的容器都可以看作是連通器)、薄透鏡、光線、磁感線等等。正是引入了這些理想化的物理模型,才得以使我們面對(duì)許多復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題,通過簡(jiǎn)化處理能夠比較順利地予以解決。我們也常常運(yùn)用理想化方法,對(duì)于某些問題可以通過尋找和建立合適的理想化模型來處理,即將研究對(duì)象、條件等理想化,以達(dá)到化繁為簡(jiǎn)的目的。
    另外常用的科學(xué)方法還有類比法、圖像法、歸納法、比較法、演繹法、推理法、想象法、逆向思維法、宏觀與微觀結(jié)合法、累積法,以及微分法等等,這里就不一一獒述了。
    總之,在初中物理教學(xué)中,蘊(yùn)含著許多科學(xué)方法,我們既不能視而不見的忽視它,又不能唯方法講方法,要時(shí)時(shí)做有心人,把握時(shí)機(jī),把科學(xué)方法滲透到教學(xué)活動(dòng)中,恰當(dāng)點(diǎn)撥,就能不斷提高學(xué)生的科學(xué)探究能力,讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì),培養(yǎng)他們的科學(xué)思想以及創(chuàng)新思維,提高他們的科學(xué)素質(zhì)。