探讨初中物理科学方法教育

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、