探讨初中物理科学方法教育

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探讨初中物理科学方法教育



天津市宝坻区大钟庄中学　曹焕京

　　摘要：新一轮基础教育课程改革提出了三维课程目标，把“过程与方法”作为重要的课程维度，其中的科学方法更是新课标中的核心目标，科学方法教育已势在必然。本文首先对初中物理科学方法教育的提出进行了说明，然后分别分析了初中《物理课程标准》、人教版初中物理教材和初中物理学业考试（中考）中对于科学方法教育的呈现状况，并在此基础上提出了初中物理科学方法教育的“以旧唤新”──唤醒学生早已经掌握但又未明确的科学方法，审视、构建新知识；“新旧融合”──复习物理概念或规律时，启发学生运用新的思想诠释旧知识，发展学生的创新思维能力；“除旧布新”──改变物理问题的条件，转到不熟悉的领域或新情景中的三种教学策略，最后结合笔者多年的物理教学实践和具体案例强调了科学方法教育要“理论联系实际”、要“画龙点睛”、要设置在学生的“最近发展区”、要“循序渐进”等四点启示，以飨读者。


　　关键词：初中物理
科学方法教育
呈现状况
策略
启示


　　一、问题的提出


　　现代社会在科学技术的影响下变化迅猛，一个人终身享用在校习得的知识已不再可能，这促使教育工作者逐步认识到，科学教育应从原来的以知识为中心，转向在重视知识教学的同时应关注科学方法教育，因为科学方法比科学知识的适用性更广、持久性更长，也更具有生命力。


　　世界各国，特别是美国、俄罗斯、西德、日本、英国等发达国家十分重视科学方法的教育，早在上世纪50年代末，美国物理课程改革的“哈佛物理规划”中就明确指出，要让教师和学生“获得认识世界和进行科学探究的能力和方法”。1986年，我国国家教委制定的《全日制中学物理教学大纲》明确规定了中学物理教学“要重视科学态度和科学方法的教育”。我国教育部于2001年7月正式颁布的《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》（以下简称初中《物理课程标准》或《标准》）也明确指出[1]：义务教育阶段物理课程培养目标定位为提高全体学生的科学素质。初中学生不仅应学习物理知识和技能，还应经历一些科学探究过程，学习科学方法。可见，科学方法已作为新课程目标“过程与方法”中的核心目标。2010年8月，全国第三次物理科学方法教育学术研讨会的召开，更加明确了科学方法教育在我国基础教育课程改革深入发展过程中的重要地位及作用。


　　由此可见，在物理教学中对学生进行科学方法教育已是一种世界性的趋势，在初中物理教学中进行科学方法教育是深化初中物理新课程改革的迫切需要。


　　二、初中物理科学方法教育呈现状况分析


　　（一）初中《物理课程标准》中科学方法教育的呈现状况


　　初中《物理课程标准》中，义务教育阶段物理课程培养目标定位为“提高全体学生的科学素质”，课程标准设计的几点说明中指出“（3）《标准》特别将科学探究纳入内容标准，旨在加强对学生科学素质的培养。学生不仅应学习物理知识和技能，还应经历一些科学探究过程，学习科学方法，了解科学、技术、社会（STS），逐步树立科学的世界观。科学探究应渗透在教材和教学过程的各个部分。”[1]这里都明确提出科学方法教育是初中物理课程学习的一项重要内容。


　　新一轮基础教育物理课程改革提出了三维课程目标，这改变了传统教育只注重“知识”的课程理念，《标准》特别强调在科学探究中突出“过程与方法”维度的重要性。但是,《标准》中却没有对科学方法提出明确的目标。为了进一步探讨这个问题，我们可以分析《标准》中“过程与方法”课程目标[1]：


　　1．经历观察物理现象的过程，能简单描述所观察物理现象的主要特征。有初步的观察能力。


　　2．能在观察物理现象或物理学习过程中发现一些问题。有初步的提出问题的能力。


　　3．通过参与科学探究活动，学习拟订简单的科学探究计划和实验方案，能利用不同渠道收集信息。有初步的信息收集能力。


　　4．通过参与科学探究活动，初步认识科学研究方法的重要性，学习信息处理方法，有对信息的有效性作出判断的意识。有初步的信息处理能力。


　　5．学习从物理现象和实验中归纳简单的科学规律，尝试应用书籍的科学规律去解释某些具体问题。有初步的分析概括能力。


　　6．能书面或口头表述自己的观点，初步具有评估和听取反馈意见的意识。有初步的信息交流能力。


　　不难看出，“过程与方法”课程目标中的内容，只有知识点及其要求而无具体的科学方法。


　　我们再以《标准》中科学内容的二级主题“电和磁”的部分内容标准[1]为例：


　　（1）通过实验，探究通电螺线管外部磁场的方向。


　　（2）通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，力的方向与电流及磁场的方向都有关系。


　　（3）通过实验，探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。


　　如果我们把科学方法教育的目标加以明确，则内容标准中就应当既包括物理知识内容又包括科学方法教育内容。尝试修改如下：


　　（1）通过实验归纳法、类比法，探究通电螺线管外部磁场的方向。


　　（2）通过实验归纳法和控制变量法，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，力的方向与电流及磁场的方向都有关系。


　　（3）通过控制变量法和隔离法，探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。


　　初中《物理课程标准》是编写中学物理教材的指导性权威性文件。在制订中，除了要考虑物理知识以外，还应当把科学方法教育加以细化并作为中学物理教学目标的重要内容之一。这既是物理教学规律的必然要求，同时也是物理教学目标与教学内容相互对应的逻辑体现，更符合初中物理新课程改革的必然趋势。


　　（二）人教版初中物理教材中科学方法教育的呈现状况


　　人教版初中物理教材八年级上册《致同学们》中叙述了课本又名为《探索物理》，其中设置了探究、演示、想想做做、想想议议、动手动脑学物理等环节，这些都是由同学们自己动手，主动探究科学规律，体会科学研究的方法的重要载体，给老师的授课和学生的自学提供了感性材料。人教版教材中一些重要的概念和规律的得出都把科学探究视为知识的内核与脉落，按照科学方法展示的路子组织教学进程。知识教学的流程可以表示为：物理现象（观察法）→研究问题（实验法）→进行实验（主要为控制变量法）→分析实验数据（图像法）→获得物理知识（经验总结法）。这样的教学编排，充分而合理地体现了科学知识的认知过程，经历了这一过程，学生可以真正领略到科学方法和物理知识的内涵，能力得到提高。


　　目前的研究主要集中在获得知识的物理方法，应用知识的物理方法却很少涉及。已有的研究表明[2]，人教版教材中获得知识的物理方法主要包括以下8种。

物理方法	频次	物理方法	频次
直接定义法	30	实验归纳法	14
比值定义法	11	乘积定义法	5
控制变量法	5	等效法	2
演绎推理法	3	理想化方法	2

　　人教版八年级上册第83页有这样的一段文字：“图象可以用来表示一个物理量（如温度）随另一个物理量（如时间）变化的情况，很直观。所以各门科学都常用到它。”这里也明确指出图像法是初中物理获取知识的重要科学方法。


　　（三）初中物理学业考试（中考）中科学方法教育的呈现状况


　　以2009年天津市学业考试物理试卷中第27题为例说明：


　　27．（6分）物体只在重力作用下由静止开始下落的运动称为自由落体运动。小明对这种落体运动产生了探究的兴趣，提出如下两个问题。


　　问题一：物体下落的快慢是否与物体的质量有关？问题二：物体下落的高度与下落的时间存在着怎样的关系？于是他找来一些器材并在可忽略空气阻力情况下准备进行实验。


　　（1）请你帮助小明设计探究“问题一”的实验方案。


　　（2）小明探究“问题二”时，通过实验，测量出同一物体分别从最高点下落的高度为hl、h2、h3，并测量出每次下落的高度所对应的下落时间为tl、t2、t3。分析实验数据发现：“物体下落的高度与下落的时间不满足正比例关系”。他猜想“物体下落的高度与下落的时间平方成正比”，若要验证这一猜想，应如何处理分析实验数据？


　　答案：（1）选用质量不同的物体，比较它们下落相同的高度所用的时间。（或选用质量不同的物体，比较它们在相同时间内下落的高度。）（3分）


　　（2）计算出下落的高度与对应下落的时间平方的比值，即，如果它们的比值在误差范围内可认为相等，说明以上猜想是正确的，否则猜想是错误的。（1分）


　　本题考查学生的科学方法为演绎推理法和比例法，这是日常教学中得出概念和规律最常用的科学方法，可是笔者调查的结果表明：学生得分率偏低。分析其原因在于平时教学只重视知识的本身，忽略了获得知识的过程与方法。初中物理学业考试是新课程改革方向的指挥棒，命题者通过中考试题的导向作用来引导初中物理教学必须加强物理科学方法教育，并已不断地将有关科学方法教育的题目列入考查范围，这符合新课程标准的要求，也明确把科学方法教育提高到一个显著的地位上。


　　三、初中物理科学方法教育的教学策略


　　物理是一门以观察和实验为基础的科学，同时又是一门容思想性、逻辑性、科学性和方法性很强的一门学科，从物理学学科特点来看，物理学能培养学生多种创造能力[3]。物理科学方法中的灵感、假说、归纳与演绎、类比推理等诸多方法无不包含着创造性成分。创新教育是素质教育的核心，正确的方法是科学之魂，不掌握科学方法，创新只能停留在高谈阔论上。因此，让学生将学习过的物理科学方法独立地迁移到学习新的知识中去，或者应用于解决自己遇到的新问题、新情景中去，就能激发并提升学生的创新潜能。


　　初中物理教材中蕴涵着丰富的科学方法教育内容，既包括显性的，也包括隐性的。这就要求物理教师在备课环节中灵活运用物理科学方法因素判定原理和分析教材中科学方法因素的方法[4]，去挖掘出初中物理教材中每一个知识点背后隐藏的科学方法，根据探究的内容进行巧妙的处理，彰显其中的科学的思想和方法，体现新课程的真正价值。


　　策略一：“以旧唤新”──唤醒学生早已经掌握但又未明确的科学方法，审视、构建新知识。


　　例如，学生为了区别不同物质种类，会主动运用比较的方法理解密度的概念和意义；还可以运用等效电路中分与合的方法、等效替换的方法理解二力平衡、力的合成等的实质。


　　策略二：“新旧融合”──复习物理概念或规律时，启发学生运用新的思想诠释旧知识，发展学生的创新思维能力。


　　例如，为提升复习《牛顿第一定律》的效能，可以变换新视角：首先从哲学的内、外因的辨证关系的角度重新启发学生思考物体运动状态变化的因果关系。其次，从正、反两个方面引导学生思考：物体不受力时，物体应该具有保持原来运动状态的原因在于内因──惯性；惯性不会去改变物体的运动状态。所以，汽车质量大、惯性大，保持的速度和质量小、惯性小的人的速度是一样的。再次，惯性大，物体保持原来运动状态的本领大，外力改变物体原来运动状态的时间长，顺势引导学生把“力和惯性”综合考虑，过渡到对牛顿第二定律的潜意识思考中，真正理解和掌握力和运动的关系。


　　策略三：“除旧布新”──改变物理问题的条件，转到不熟悉的领域或新情景中。


　　例如，在学习《牛顿第一定律》一课内容时，我们在实验中可以引导学生进行假设，即假设摩擦力为零, 迫使学生改变思路,运用归谬法推断出物体保持匀速直线运动状态。对于一个不愿冒险的学生或是经常用习惯性的方式来思考问题的学生，无疑会激发他们的思维、培养他们的想象力、发展他们的创新能力。


　　当然，在上述策略的运用过程中必须突出学生的主体性，在课堂教学中要千方百计让学生自己“动”起来，让他们的所有感官（眼、耳、口、脑、手）都充分发挥作用，综合运用“看、听、说、做、想、练”的学习方式，形成一个“全频道接收、多功能协调、立体化渗透、快节奏反馈”的学习网络，才能真正落实科学方法教育的有效性。


　　例如：如何让学生“看”？


　　物理学是一门实验科学，观察和实验是研究物理最基本的方法。在物理学的发展中，观察方法是最基本也最重要的，是在人们不对客观事物施加影响的情况下，对事物进行的研究方法。而观察本身是一种有目的、有计划、比较持久的知觉行为，是人们认识事物、获取知识的重要途径。科学家的研究表明：人们获取的信息有60%～80%来源于视觉。那么，如何让学生“看”？


　　笔者在课堂上要求学生这样做：一是看什么：明确观察的对象；二是怎样看：遵循一定的程序；三是为什么看：寻找因果关系。举例如下：


　　《探究阿基米德定律》中的“看”

问 题	对 策
学生既没有仔细观察V排的大小，又想不到运用二力平衡的知识计算浮力，更不会主动把F浮和V排联系起来……	看什么： 物体浸没在水中的体积、小桶里的水的多少、弹簧测力计的读数。 　　怎样看： 同时观察小桶里的水的多少（V排）和物体浸没在水中的体积、记录弹簧测力计的读数。 为什么看： 请学生运用二力平衡的知识计算出浮力；把自己算出的浮力大小和小桶里的水的体积──V排的相联系，寻找因果关系，自己猜测出F浮∝V排，体现“真探究”的味儿。

　　四、初中物理科学方法教育的真案例准启示


　　（一）科学方法教育要“理论联系实际”


　　案例1《“空对空”，等于竹篮打水》：笔者在2010年暑期后接到一个相对较好的班级，于是雄心勃勃，决定在物理教学中进行系统的科学方法教育。每周一个专题，从阅读到图像、从实验操作到各种科学方法的专题讲座，准备了大量的资料，进行了“专题“的练习。结果半个学期下来，学生们原来什么样现在还是什么样，收效甚微。从学生那里了解得知，学生感到科学方法很空，像一个大空壳子，什么也没有留下。


　　启示：在案例1中，笔者将科学方法教育与物理知识和实践进行了脱离，想通过专题的形式、讲座的方式对学生进行科学方法教育。其出发点是好的，却是不科学的，所以最终注定是“竹篮打水一场空”。科学方法的产生离不开物理知识与实践活动，而物理知识与实践活动的顺利进行也离不开科学的方法指导。物理知识和实践是科学方法的载体，科学方法蕴涵于物理知识和实践之中，它们密不可分，共同形成了物理学完整的内容体系。因此，科学方法教育必须要理论联系实际。物理知识和实践活动是显性的，科学方法是隐性的，要让学生在学习实践过程中慢慢领悟科学方法的精妙。


　　（二）科学方法教育要“画龙点睛”


　　案例2《我有方法……》：笔者在《声现象》的教学中，向学生提问“如何证明声音是由振动产生的？”时，有学生回答“人说话时声带在振动，用手可以感觉。”有学生回答“蝉在发声时腹翅振动。”有学生回答“拉二胡时，弦在振动。”之后，笔者把正在发声的音叉接触水面，当学生观察到水花四溅时，学生情绪被调动了起来，感到很神奇，笔者也认为效果不错。但在之后的反馈练习中，笔者发现他们还是热衷于自己第一次的方法，教师提到的科学方法学生很少引用。


　　启示：科学方法是解决问题的有效途径，但解决问题的方法通常不止一种。只有当某一种方法被学生采用，并很好的解决了问题时，这种方法才会被学生所认可、掌握。在以后遇到类似的问题时，科学方法才会被唤醒，再次使用。案例2中，教师在学生有方法解决声现象问题时，给出了演示实验，实验中隐含着“转换放大法”的思想，收到的效果也不错。但这种效果只是感官上的刺激，是对现象的惊奇，而不是方法的震撼。这种情况下的方法只是锦上添花，而非雪中送炭。在学生有方法并且是有效的时候，学生对新方法的学习是低效的、不活跃的。当学生再次遇到类似的问题情景时，他唤起的依旧是自己的原有经验，说明新的方法没有内化成学生新的经验，自然也不会提高学生的能力。


　　同样的转换法和放大法，在弹性形变教学中的作用就更高一筹。教师要求学生观察玻璃瓶在压力下的形变，学生在面对微量的形变时，无计可施，怎么办？这时，放大实验现象成为学生自然的迫切的需求，当放大的思想出现在了脑海中，接下来只是技术层面的问题。当学生联想到“自制温度计”──液体在温度升高导致细小的玻璃管中的液面会上升时，会兴奋地动手设计，进行实践。当看到在手的压力下，细玻璃管柱液面上升时，全班响起了热烈的掌声。这里，放大法的出现不仅显得水到渠成，并起到“画龙点睛”的震撼力。同样，在观察桌面受到压力后的形变情况时，当学生看到经小玻璃片反射后的光线方向在压力的作用下改变了很多时，都非常惊讶。放大的方法，放大的技术慢慢在学生心中扎下了根。


　　（三）科学方法教育要设置在学生的“最近发展区”


　　案例3《我从未见过“永不停”的物体》：在探究阻力对物体运动的影响的实验中，让小车从斜面的同一高度滑下，改变接触面的粗糙程度，我们发现，阻力越小，那么小车的速度减小的就越慢，小车前进的距离就越大。这是通过实验观察到得现象。也就是小车的水平运动受到了阻力的作用，进一步分析如果小车受到的阻力越来越小，小车前进的距离就会越来越大，进而推理，如果小车受到的阻力为零，这小车将以恒定不变的速度永远运动下去。

　　启示：笔者在演示了上述实验后，调查全班35人中，只有8人认为：物体在不受阻力时会永远运动下去的推理是正确的，12人认为：物体最终还是会停下，15人不知如何回答。为什么在这里学生会遇到如此大的困难呢？笔者认为，除了学生的抽象思维发展还不完善外，重要的一点是生活中的经历对他们的影响。在与学生的交流中，很多学生告诉我：“从来只有会停下的物体，哪里会有永远滚动下去的小车？”相信大多数教师遇到案例3中情景时，会抱怨学生，责备学生思维跟不上，学习物理有困难。其实，困境就在于对学生的了解不够，没有找准“最近发展区”。因为发展心理学的观点告诉我们，少年期（主要是初中生）和青年初期（主要是高中生）的思维是不同的，在少年期的思维中，抽象逻辑思维虽然开始占优势，可是在很大程度上还属于经验型，他们的逻辑思维需要感性经验的直接支持。笔者在之后的教学中采用多媒体辅助教学，在实验的基础上增加了视频演示，让学生有更多的感性认识，为“理想化推理”思维提供支架，取得了很好的效果。因此，教师不仅仅要备教材，还要备学生，了事学生的认知特点、已有经验、思维品质等，让学生在有效的“最近发展区”内学习，让科学方法的学习与思维的发展共成长。


　　（四）科学方法教育要“循序渐进”


　　光线教学是最早接触模型法了，但学生并没有形成充分的理解和印象。因为对学生来说，光线用带箭头的直线来代替是很正常也再合理不过的。这里，教师不要过多的去介绍模型法，只要让学生知道可以用带箭头的直线代替光线、描述光线就可以了。


　　而在学习原子结构模型时，学生有了进一步的认识。因为，原子是无法用肉眼、放大镜、光学显微镜观察的，要在电子显微镜下观察，而多半教师也没有用过电子显微镜，怎么理解原子的结构呢？可以用太阳系的图景来模拟原子的结构，形象的说明。这里，学生已经能体会模型法的妙处。


　　同样，在磁场的学习中，磁场无色无味，看不见摸不着，但小磁针在磁体周围发生了偏转，受到了力的作用，说明磁场是存在的。怎么来认识它，又怎样来描述它呢？当学生惊讶于条形磁体周围小铁屑的美丽形状时，自然有一种将它描述下来的冲动。这时，模型法在不知不觉中被学生运用了。


　　教育是漫长的艺术，学习是渐进的过程。从儿童认知发展理论和儿童发展阶段理论出发，皮亚杰认为，儿童所获得的某些巨大成就主要不是由教师传授，而是出自儿童本身，是儿童主动发现、自发学习的结果。教师除了为儿童提供主动、自发地学习的机会之外，还可选择一定的材料，激发儿童的学习兴趣，促进儿童的发展。也就是说，教育必须遵循儿童的发展规律，不要把超越儿童发展阶段的知识教给儿童，不要强迫儿童学习心理发展还没有准备好的材料，否则将出现欲速则不达的情况。科学方法的教育自然也要遵循儿童的发展规律，在不断的实践中积累，循序渐进地发展。


　　参考文献：


　　[1]中华人民共和国教育部制定．全日制义务教育物理课程标准（实验稿）．北京：北京师范大学出版社，2001：3－4，7，25－26．


　　[2]乔通，邢红军．初中物理教学中应用物理知识的科学方法教育内容研究[J]．物理教师．2011，32（1）：18－21．


　　[3]孙维强．浅谈物理科学方法与创造能力的培养[J]．中学物理．2011，29（6）：57－58．


　　[4]张宪魁．物理科学方法教育[M]．青岛：青岛海洋大学出版社． 2000：28－30，121－128．