《高中物理思维方法》课程的实践与探索

▶2.2　《高中物理思维方法》课程的实践与探索

方成亚

《中国青年报》曾在该报显著位置刊载了这么一段话：教育，是标示一个民族、一个国家未来的摇篮，每一个能够作用于这个摇篮的人，都应该想一想，怎样“摇”，才有民族的未来？作为中学理科教师的我们，必须思考这个严肃的问题。

后人掌握了科学方法，就能站在前人的肩膀上。从一定的意义上讲，学习方法比学习知识更为重要。学生了解前人或他人获取知识的方法，就能了解知识的来源，这就是不仅对知识能知其然，而且能知其所以然。使人类的认识不断深化、知识不断更新和增长。通过学习科学方法，学生还会认识科学发现不是凭空而来的，也绝不是瞎摸乱撞碰运气带来的，正确的方法是导致科学突破的真正途径。

物理科学思维方法既是物理知识发展的手段，又是物理知识发展的产物，物理知识和物理思维方法共同形成了物理学完整的知识体系。所以，在高中物理学习中，要学好物理学，必须学习物理思维方法。

一、开设《高中物理思维方法》课程的现实意义

1.帮助学生更好地理解知识

不论是物理方法、数学方法还是哲学方法，对于学生更好地理解知识都有很大帮助。比如类比法，它是人们所熟知几种逻辑推理中的一种，科学史上很多重大发现、发明，离不开类比，类比被誉为科学活动中的“伟大的引路人”。尽管类比不能代替论证，但可以为理解新知识、概念和规律提供依托。类比不但可以在物理知识系统内部进行，还可以将许多物理知识与其他知识，如数学知识、化学知识、哲学知识、生活常识等进行类比，常能起到点化疑难、开拓思路的作用。知识之间往往存在着一定的联系。将新、旧知识进行类比，给学生一些启示，学生不但易于掌握新知识，同时也巩固了旧知识。

如在学习静电场一节内容中，“电场”概念的建立是极为重要的，但由于此概念比较抽象，学生往往难以理解。可以用力学中所学的重力场与之类比：地球周围存在着重力场，地球上所有物体都处于重力场中，都受到了地球的作用——重力。同样，电荷的周围存在着电场，电场对处于其中的电荷有电场力的作用。再由物体在重力场中具有了与地球位置有关的重力势能，引导学生总结检验电荷在电场中也应具有与场源电荷位置有关的电势能。如此类比，相当于在新、旧知识间架起了一座桥梁，让学生能够从已掌握的旧知识中顺利地接受和理解新知识。

2.帮助学生快捷地解决问题

物理思维对加深物理知识的理解，简化解题思路和过程常常起到事半功倍的效果。例如：放在水平地面上静止的小箱子，自重为G，内有一只重为G＇的小蜜蜂，做匀速直线运动，求箱子对地面的压力？

分析：该题如果从受力平衡求出对小蜜蜂的作用力再分析箱子的受力情况（考虑蜜蜂飞的方向），求解很麻烦。若把两物体看成一个整体，系统处于平衡态，那么由受力平衡就很容易求得，不论小蜜蜂在哪个方向上做匀速直线运动，压力为G+ G＇。用整体法分析很容易。

又如：在南北方向上的甲、乙两地间飞行的飞机，无风天气时速度为v，飞机往返的时间为t，现在正好吹南风，风的速度v＇，则往返时间如何变化？（选“变大”、“变小”还是“不变”）

分析：本题可以利用速度公式，假设甲、乙距离为s，比较所需时间，用数学变换可以求解。更简单的办法是应用极端思维：假设风的速度非常大，远大于飞机的速度，那么逆风的时候飞机是飞不回来的，所以时间为无限大，就可以得出结论：时间变大了！用极端思维法分析很容易。

3.帮助学生提高创新能力

创新意识、创新能力的发展不仅依赖于学科知识的学习与积累，更依赖于科学思维方法和科学研究技能的学习与积累。

用理想化模型来研究物理问题是最基本的科学研究方法之一，它在物理学的研究、发展及教学过程中具有极其重要的地位和作用。纵观物理学发展史，许多重大的发现与结论，都是由于科学家经过大胆的猜想、构思、创建、验证理想化物理模型获得的。

伽利略让小球从V形斜槽一边的上端滚下，当斜槽充分光滑时，小球可沿另一边上升到初始高度，如果另一端斜槽末端越接近水平，小球为达到初始高度，将运动很远。如果末端完全水平，小球将一直运动下去，永不停止。正因为伽利略构建了光滑斜面这一理想化的模型，才有惯性定律的重大发现。

1905年，爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，大胆建立了光子模型，并提出著名的爱因斯坦光电效应方程，圆满地解释了光电效应现象，为光的波粒二象性理论的建立作出了巨大贡献。

4.引领学生形成正确的世界观和方法论

科学观念和科学方法有较强的迁移性，它会自觉或不自觉地体现在人们对世界、事物的判断中。如能量守恒定律，本来只是一个物理规律，但它已被上升到许多领域都适用的重大的判断标准，只要是违背这一规律的，或者尚未能在这个层次上说清楚的发现，就不可能被科学界所承认，科学界还据此彻底排除了第一类永动机的可能性；又如热力学第二定律，也成为判断宇宙事件发展方向的基本规律，从而使科学界确信：只要系统发生了无序度减少的变化，则该系统就必定与外界有负熵交换，否则这种变化就不可能发生，并根据这一信念，排除了第二类永动机的可能性；再如场的概念、波的概念、粒子的概念等，都使人类对自然界的认识发生了深刻的变化。

在物理学习中经常要用到量变与质变、绝对与相对、原因与结果、对立与统一、现象与本质等思维方法，这些方法无不与哲学的世界观、方法论有关。

总之能力的高低，一定意义上表现为掌握思维方法的多少和运用思维方法的灵活和熟练程度，思维方法对能力起决定性作用。教给学生思维方法和应用科学思维方法解决具体问题的过程就是培养学生创新能力的过程。

二、《高中物理思维方法》课程实施方案

1.课程的主要内容

（1）初高中物理知识、学习方法的衔接问题：

①初高中物理知识的主要区别；

②高中学生应有的学习习惯、素质以及高中物理学习方法；

③学习高中物理所需要的数学预备知识。

（2）各知识单元最重要的物理思维方法和解题技巧：

①力和物体的平衡：力的分解法；力的合成法；整体法；隔离法；对称法；假设法；巧取转轴；代数法；几何法；三角法。

②直线运动：比例法；对称法；逆向法；图像法；巧用平均速度；代数法；三角法。

（3）高中物理主要的科学研究方法及科学思维方法

①科学研究的实践方法　人们有目的、有计划地对自然现象进行考察的方法称为观察法，科学观察是获得科学事实的基本方法。而人们根据研究的目的，利用科学仪器、设备，排除干扰，人为地控制（模拟）自然现象或社会现象，去研究自然规律或社会规律的方法称为实验，科学实验是科学发展的源泉和动力。科学研究的实践方法就是指观察法、实验法、实地调查法等。任何学说只有经得起科学实验的检验才能称得上科学理论。机遇往往是留给具有较强实验观察能力且具有锲而不舍精神的人。

②科学研究的逻辑方法　逻辑方法有比较与分类（如等效替代法、比值定义法、控制变量法），类比与假设（如类比法、科学假说法、迁移法），分析与综合（如整体与隔离法、微元法、对称法），科学抽象与概括（如理想实验法、理想模型法），模拟与论证（如物理模拟、数学模拟、功能模拟），守恒法（质量守恒、能量守恒、电量守恒），归纳与演绎法（如推理法、平衡法），逆向思维法等。

③科学研究的数学方法　数学方法有比值法、图像法、向量法、极限法、极值法、几何法、比例法、数学模型法等。运用数学工具解决各种实际问题的思考过程，就是数学思维。而在思考和解决问题中，找量与量之间、形与形之间的对应关系、函数关系，建立数学模型，然后通过演绎运算等严密的逻辑推理求出数学解，再对数学解进行必要的解释和评价，返回到现实中，从而获得该问题的解。这些方法就是数学思维方法。

④科学研究的哲学方法　现代自然科学的进步出现了既高度分化又高度综合的趋势，这就使自然科学与哲学出现了联系更加紧密的整体化趋势。例如，贯穿于各门技术科学的控制论、信息论，反映各个领域的整体结构的系统科学，成了最普遍的哲学同具体科学之间的中间层次，它们为哲学概括提供了新的源泉。现代哲学中不能没有系统、结构、控制、反馈、信息之类的概念，不能不从系统科学和控制论、信息论等综合性学科中汲取营养。同时这些综合性新兴学科中又必须有哲学的分析与概括。如果不能正确理解整体与部分、偶然性与确定性、有序和无序、现象与本质、原因与结果、量变与质变、必然与偶然、可能与现实、形式与内容、绝对与相对、对立与统一、肯定与否定等辩证关系，这些学科就难以存在和发展。

高中物理主要的科学研究方法及科学思维方法介绍见附件1。

2.上课模式

（1）“讲授+讨论”型　在讲授的基础上教师提出课题，学生先讨论，教师在学生讨论的基础上进行指导。学生通过讨论常常提出一些“同中见异、异中见同、平中见奇”的问题，创新性思维得到发展。

（2）“收集+整理+交流+展示”型　即先让学生搜集整理相关材料，然后到课堂上进行交流评价。学生学习的积极性得到激发。

（3）“讲+练”结合型　在学习每知识单元最重要的物理思维方法和解题技巧时，边讲边练的形式最有效。通过“就事论事”、“就事论理”、“借题发挥”三个层次不断培养学生的思维能力。通过“就事论事”的讲解，帮助学生学好解决具体问题的方法。通过“就事论理”的讨论，帮助学生学会解决同一类问题的方法。通过“借题发挥”的学习，帮助学生学好知识迁移的方法。

各个章、节都渗透了物理学的思维方法，把握好思维方法教学，实质上既体现了教学目标中的“能力目标”，又培养了学生应用物理知识解决物理问题的能力。教师做好物理思维方法教学，就等于教给了学生一把开启物理世界大门的金钥匙。

附件2是高一学生学过第一章（力和物体的平衡）与第二章（直线运动）后的思维方法教案，采用的就是“讲授+讨论+应用练习”的教学方法：

3.教学原则

（1）阶段性原则　科学思维方法教育一般可分为下面几个阶段：

①隐性熏陶阶段——让学生积累感性认知的素材；

②显性指导阶段——讲明科学思维方法的内容、特点和操作过程等，并指导学生有意识地学习掌握科学的研究方法；

③模仿内化阶段——有意识地在解决问题中模仿应用科学方法进行思考、操作，并内化为所掌握的科学方法，形成自身的能力和素质。

（2）选择性原则　科学方法教育要因人而异，不同的学生采用不同的方式和内容。如对非理科生，可选择富有人文倾向的、隐性渗透的内容和方式，不强调其中结构的严谨、内容的精深。要尽量与“课程标准”的要求相一致，不加重过多课业负担，不过多扩充课外内容。把学习过的知识作为载体，讲科学思维方法，努力达到知识变厚，而内容变薄的目的。

（3）参与性原则　科学方法教育应该在学生积极主动地参与中进行，通过交流讨论、合作探究形成多维互动的教学氛围。

4.学习评价

本课程评价的着眼点，主要在于对学生的激励作用，因此在评价过程中，被评价者既是评价的对象，也是评价活动的参与者，是评价的主体。因此评价过程从一定意义上来说也就是评价者和被评价者“协商”进行的过程，这种多主体评价活动有利于促进学生对自我学习活动进行反思。教师亦可以根据学生的学能差异，进一步开展因材施教的教育教学活动。依据以上想法并结合《上海市中小学生综合素质评价方案》的要求，《高中物理思维方法》课程的评价方案（见附件3）。在评价过程中，要注意以下三点：

（1）注重评价的过程性　通过对学生发展过程的关注和引导，不断促进学生发展。评价过程中要搜集学生各方面的状况，再根据一定的标准对其发展状况进行描述和判断，并给学生积极的反馈和改进建议。

（2）注重评价的发展性　“二期课改”的根本目的是促进学生发展，如果评价过分地强调结论，反而有可能抑制学生的发展。因此，好的评价应该是教育动态过程的一部分或者是一个环节。关注学生现在的状况，更着眼学生未来的发展。

（3）注重评价的差异性　传统的评价似乎更注重先有一套固定的评价标准和评价模式，然后把所有的学生放到这样的模式中去套，符合的就是优秀的，不符合的就是差的。而这中间忽略了一个最重要的因素，即个体差异性的因素，每个学生都具有不同于他人的素质和生活环境，都有自己的爱好、长处和不足。学生的差异不仅指考试成绩的差异，还包括生理特点、心理特征、兴趣爱好等各个方面不同特点。这使得每一个学生发展的速度和轨迹不同，发展的目标也具有一定的个体性。评价要依据学生的不同背景和特点，正确地判断每个学生的不同特点及其发展潜力，为每一个学生提出适合其发展的具体的有针对性的建议。

三、实施效果反馈以及自己的改进思路

1.教学反馈摘录

在物理问题中，一题多解，一题多问的情况很多。方老师通过“就事论事”、“就事论理”、“借题发挥”让我们开阔了视野、增长了见识、提高了解决问题的能力。

——高二（4）班黄云樵

我从方老师的《高中物理思维方法》课程中学到很多理解问题的方法，比如类比法，就是根据两个不同对象的部分特性相似而推出其他性质也可能相似的一种推理方法。类比在科学发展中发挥了巨大的作用，开普勒把类比称为自己“最好的老师”。

静电学中电场力的功、电势能、电势、电势差的相关规律理解起来比较难，但方老师把这些与重力做功、重力势能等规律相类比，我全明白了。

——高二（2）班王婷

物理公式有很多，有的是决定式，有的是定义式，有的是特种情况下的计算式，因此决不能有公式随意得出量与量之间的正比、反比关系。例如，用比值法来定义某个物理量，在物理中有很多，电阻就是用加在电阻两端的电压和电流之比来定义的R= U/I，而由此公式千万不能得出“电阻R与电压U成正比，与电流I成反比”的结论。这样定义物理量的例子还有很多，像密度ρ= m/V；加速度a=Δv/t；电场强度E= F/q的定义等，统统不能得出量与量之间的正比、反比关系。方老师所教的“归类”理解问题的方法还有很多，使我们受益匪浅。

——高二（6）班胡启盈

教育的根本是思维的训练，而训练过的思维是人类智慧的源泉。《高中物理思维方法》课程的开设，无疑是学生思维方法不断提高的阶梯。

——特级教师、市名师工作室导师庄起黎听课后的评语

2.对实践过程的反思及改进思路

（1）科学方法的形成要比知识的理解与掌握还难，它是一个逐步积累的过程。例如，牛顿第二定律教学，要应用到控制变量法、数据图像分析法和定量分析归纳法，实际应用时要用到受力分析法、正交分解法、矢量运算法。所有这些方法的教育不可能在牛顿第二定律的教学中一步到位。应当在了解学生的认知水平、学习能力、已有知识结构的基础上，选择适当的科学方法作为当前教学活动的主要内容。要尽量与基础课程同步，与学生的实际水平同步，达到“学以致用”、知识与方法同步发展的目的。

（2）成功的思维引导，必须坚持双向互动、活跃思维的准则。即要“启”在关键处、“拨”在疑难时、“引”在上升点、“导”在要害处。要精心备课有序地进行设疑、质疑、解疑，以求步步深化、细化、内化。对难点要精心设计思维阶梯，运用分散思维难点，降低思维陡度的方法逐步形成上升型的思维阶梯。“跳一跳能摘到”的思维阶梯是最佳的思维阶梯。

（3）教师在培养学生能力的同时，也要学会倾听学生的心声和发现课堂的活力，学会在物理教学中如何与学生合作，追求教学效果最优化，为每个学生的最好发展创造环境。

参考文献

［1］刘炎松.物理实验创新研究［M］.北京：冶金工业出版社，2009

［2］王力邦.创新教育的理论与实践［M］.北京：北京科学出版社，2009

［3］张越.物理思维方法［M］.上海：上海教育出版社，2004

［4］上海市教育委员会.普通高中物理课程标准［M］.上海：上海教育出版社，2003

附件一：与高中物理学相关的主要的科学研究及科学思维方法简介

一、实践方法

科学研究的实践方法有观察法、实验法、实地调查法等。人们有目的、有计划地对自然现象在自然发生的条件下进行考察的方法称为观察；而人们根据研究的目的，利用科学仪器、设备，排除干扰，突出主要因素，人为地控制（模拟）自然现象或社会现象，在有利的条件下去研究自然规律或社会规律的方法称为实验。

1.科学观察是获得科学事实的基本方法

人们要获得事物的各种直接知识，要为科学理论的发展提供可靠的科学事实，首先要学会观察。观察者直接用自己的眼、耳、鼻、舌、身等各种器官去感知事物的各种现象称直接观察；而利用科学仪器或其他手段去考察研究对象的称间接观察。判断外界事物的颜色、物态、冷热、粗细、大小等性质时，常用直接观察；而借助望远镜、显微镜、声呐、雷达、激光和红外技术以及其他综合性遥感技术考察人的感官难以测定的诸如宇宙天体、分子原子、细胞等，是间接观察。任何实验都离不开观察，只有实验操作中伴随观察才能获得各种科学事实。而对天体运行、地壳变迁等人们无法变革和控制的研究对象，观察方法更重要。

2.科学实验是科学发展的源泉和动力

实验是从生产实践中分化出来的，是指在理性指导下的一种感性活动。由于它能根据研究目的，利用仪器设备人为地排除一些干扰，控制一些条件的变化，突出了主要因素，因此能够抓住事物一些本质特征。例如，1799年，英国物理学家亨弗利·戴维做了一个实验：他在真空中用一只钟表机件使两块冰互相摩擦，并把整个实验仪器都保持在水的冰点，这样就排除了实验物和周围环境的热交换，使实验在纯粹的摩擦条件下进行，结果冰融化了。证明融化冰所需的热量只来源于摩擦，从而给“物体中存在一种没有重量的热素，热素是引起物体温度变化的原因”以致命打击。为热的分子运动论发展扫除了障碍。这充分表明，用实验手段纯化对象，是导致科学发现的重要途径。又如，1931年范德格拉夫发明了静电加速器，接着又出现了回旋加速器，从而获得加速中子、氘核这些用以轰击原子核的“炮弹”，这就给实验创造了特殊条件，使人造元素的设想得以实现。为了强化研究对象，人们设法制造超高压、高真空、超低温、高能量等实验环境，从而获得在自然状态或生产过程不可能获得的许多重大发现。再如，1911年昂尼斯发现在接近热力学零度的水银失去电阻，从而引起了超导体及其性能的研究……事实表明，科学实验是建立科学规律的基本手段和最重要的方法。

3.经得起科学实验的检验学说，才能称得上科学理论

科学界坚持：科学发现虽然是通过科学实验获得的，但是若不能被其他人的实验重复证实，也不能得到公认。曾经在科学界盛行“以太说”，即宇宙空间充塞着物质“以太”，而美国科学家迈克耳孙和莫雷1887年通过实验否定了“以太”的存在，从此“以太说”也被否定。又如，“磁单极”有关理论可以使麦克斯韦的电磁波方程显得更对称，使现行的电磁学理论显得更完美，但由于“磁单极”迄今为止没有获得科学实验的证实。因此，尽管该理论多么诱人，仍未被科学界所接受。相反德国科学家哈恩公布了他的铀核裂变实验，美国的一批科学家在实验室中重复这方面的实验，在不到一个月的时间里，纷纷得出同样的实验结果，哈恩的核裂变发现得到公认。

4.机遇往往是留给具有较强实验观察能力且具有锲而不舍精神的人

在实验观察中可能有事先意想不到的另一种很有意义的规律被发现。这种意外的发现被人们称为机遇。例如，1895年，德国科学家伦琴在研究阴极射线管的放电现象时，偶然发现放在实验室内一包密封的照相底片被曝光了。这一意外的现象引起他的注意，他对其分析研究后发现，是实验中的某种射线的结果，他把这种射线称为X射线，并应用于其他方面的研究，为此他荣获了诺贝尔奖。而伦琴之前，不少人遇到过类似情况，像1879年英国的克鲁克斯、1890年美国的兹皮和詹宁斯、1892年勒纳德和德国的另外一些科学家，都曾先后发现在阴极射线管附近的密封照相底片被曝光了。他们中有的只埋怨自己不小心，有的对这种“干扰”感到气恼，有的认为与自己的研究课题无关而不去深究，结果都错过了发现X射线的机会。因此学理科的人，应当记住：机遇青睐的是具备丰富学识和熟练实验技能、敏锐的识别能力、敢于尝试新方法新步骤、坚持不懈锲而不舍精神的人。

二、逻辑方法

逻辑方法有比较与分类（如等效替代法、比值定义法、控制变量法），类比与假设（如类比法、科学假说法、迁移法），分析与综合（如整体与隔离法、微元法、对称法），科学抽象与概括（如理想实验法、理想模型法），模拟与论证（如物理模拟、数学模拟、功能模拟），守恒法（质量守恒、能量守恒、电量守恒），归纳与演绎法（如推理法、平衡法），逆向思维法等。

人们认识事物是从比较开始的，有比较才有鉴别。因此，这里以“比较法”为例，谈谈逻辑方法的作用。

人们在观察和实验的基础上，确定对象之间的共同点和差异点的逻辑方法，称为比较。在比较的基础上，根据共同点将事物归合为较大的类，根据差异点将事物划分为较小的类，从而将体态万千的事物区分成具有一定从属关系的不同等级层次的系统。这样的逻辑方法称为分类。

比较方法在物理、化学、天文、地学、生物学上都被广泛应用。例如，在天文学研究中，恒星长期以来被人们看做恒定不动，1718年哈雷将自己在圣赫纳岛所作的观察，同1 000年前古希腊天文学家喜帕恰斯与托勒密所作的观察进行比较，发现毕宿五、天狼、大角、参宿四，这四颗恒星的位置有明显差异，从而发现了恒星不“恒”的规律。1609年开普勒在大量观测的基础上，设想行星运动可能采取的多种形式。然后将每一种行星运动形式同观测的事实材料进行比较。结果发现只有椭圆形轨道的行星运动同观测事实最符合，从而总结出：行星公转轨道为椭圆形，恒星位于椭圆形长轴的一个焦点上——行星运动第一定律。也因此否定了自古流行的行星沿正圆形轨道绕恒星运动的学说。为了鉴别两个形状、体积、颜色均不同的物体是否由相同的物质组成，通过称量它们的质量、测量它们的体积，然后计算它们的密度，比较其密度的大小来辨别它们的组成情况的，这是定量分析。通过比较已知化学元素的标准特征谱线与被测对象光谱线的相同点与不同点，判定对象的组成成分，这是定性分析。1859年，基尔霍夫正是运用了这种分析比较法，从而确证太阳上含有许多地球上常见的元素，证明太阳和地球同一性理论是正确的。而通过对谱线强度的比较，判定对象中各种元素的含量，既能定性鉴别又能定量分析。

中学理科教学中涉及的比较方法的地方很多，比如控制变量法、比值定义法以及等效替代法等。

1.控制变量法

控制变量法即在决定事物规律的多个因素中，先控制一些因素不变，只改变其中的一个因素，进行观察实验，通过多次实验，然后再综合出多个因素之间的关系的比较方法。例如，牛顿第二定律是用实验证明出来的。先保持物体的质量m不变，对物体施以大小不同的外力F，研究物体产生的加速度a变化情况，实验表明：当m一定时，a∝F；再保持对物体施加的外力F不变，改变物体的质量m，研究物体产生的加速度变化情况。实验表明：当F一定时，a∝1/m。于是综合两次实验结果，得出下述结论：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量m成反比，这就是牛顿第二定律。

中学物理中的欧姆定律、平行板电容器的电容公式、电阻定律等，都是用控制变量法总结出来的。

2.比值定义法

做直线运动的物体，当两个物体的位移相等、用时不同时，用时少的快；当两个物体用时相等、位移不同时，位移大的快。但是，当两个物体运动的位移和用时都不相等时，如何判断谁快谁慢呢？人们通过实践发现，只需找一个相同的标准：或者取单位时间，即看两物体在1秒内（或1分钟内，或1小时内），谁的位移大，谁就快，这就用到位移与通过该段位移所需时间的比值作为标准；或者取单位位移，即看两物体通过1 m（或1 km）的位移，谁的用时少，谁就快，这就用到时间与在该段时间内物体位移的比值作为标准。这两种标准中前者的比值更便捷地描述物体运动的快慢，于是便将物体运动的位移与通过这段位移所需时间的比值定义为描述物体运动快慢的物理量，称之为速度。这就是比值定义法。中学理科教学内容中，大量运用比值定义法。例如，密度是用物体的质量与体积的比值定义的；压强是用压力与受压面积的比值定义的；浓度是用溶质的质量与溶液的质量的比值定义的；电流是用通过导体横截面的电量与通电时间的比值定义的……用两个或多个量的比值来定义一个新的科学量，其原因是只有选取相同的标准，才能使比较的结果有意义，才能区别出众多事物的不同特征。

3.等效替代法

即在保证功能、效果相同的前提下，将相对较熟悉的、更为简单的事物与相对不熟悉的、较为复杂的事物进行比较，用已学过的知识与技能解决亟待解决的新问题。这就是等效替代法。高中物理中利用合力与分力、合速度与分速度、等效电源、等效电路等技巧去解决问题就是利用的等效替代法。

上述三种方法都属于比较。控制变量法是控制一些自变量恒定而改变剩余某一自变量，以比较不同情况下因变量的变化规律，从而找出规律；比值定义法是选择统一标准。通过比较不同事物特征，来建立新概念；等效替代法是对两种事物在功能上的相同或相似进行比较，从而实现替代。

三、科学研究的数学方法

数学方法有比值法、图像法、向量法、极限法、极值法、几何法、比例法、数学模型法等。运用数学工具解决各种实际问题的思考过程，就是数学思维。而在思考和解决问题中，找量与量之间、形与形之间的对应关系、函数关系，建立数学模型，然后通过演绎运算等严密的逻辑推理求出数学解，再对数学解进行必要的解释评价，返回到现实中，从而获得该问题的解。这些方法就是数学思维方法。

科学研究中常常要对实验测得的数据除了进行列表分析、图线分析外，往往还要进行函数关系分析。而函数关系一般有两种情况：一是根据已有理论来导出或选择关联函数，而该函数最能逼近以表格或图线形式所给出的实验数据。二是尚无任何理论根据，但为了便于应用，往往也需要把这些变量用函数形式关联起来。其实人们根据不同问题，已总结出许多行之有效的数学建模方法。例如，振动现象、波动过程常用双曲线型偏微分方程描述；各种稳定过程用椭圆型偏微分方程来描述；对于不连续的突变现象，如力学中的桥梁断裂、热学中的相变等常用数学中的“突变论”的基本数学模型；对于偶然现象，如气体分子、核外电子等微观粒子分布等常用概率论与数理统计来描述；对于现实中的模糊现象，则用模糊集合理论来构造适当的数学模型……

四、科学研究的哲学方法

现代自然科学的进步出现了既高度分化又高度综合的趋势，这就使自然科学与哲学出现了联系更加紧密的整体化趋势。例如，贯穿于各门技术科学的控制论、信息论，反映各个领域的整体结构的系统科学，成了最普遍的哲学同具体科学之间的中间层次，它们为哲学概括提供了新的源泉。现代哲学中不能没有系统、结构、控制、反馈、信息之类的概念，不能不从系统科学和控制论、信息论等综合性学科中汲取营养。同时这些综合性新兴学科中又必须有哲学的分析与概括。如果不能正确理解整体与部分、偶然性与确定性、有序和无序、现象与本质、原因与结果、量变与质变、必然与偶然、可能与现实、形式与内容、绝对与相对、对立与统一、肯定与否定等辩证关系，这些学科就难以存在和发展。运用唯物辩证思维方法，在科研上取得不少成功的例子。

例如，日本物理学家坂田昌读了一些关于马克思主义哲学书籍，从中汲取了物质层次的思想。对当时把“基本粒子”当作物质始原的观点提出质疑，进而提出基本粒子不基本，建立基本粒子的“坂田复合模型”，对促进基本粒子内部结构的研究作出了贡献。我国研究人员在20世纪60年代也是运用唯物辩证方法，对基本粒子内部结构进行了研究。提出“层子模型”，认为强子由更深层次的实体粒子——层子组成，由于它也未必就是物质结构的最终单元，而只是物质结构许多层次中的一个层次，故名“层子”。它引进了相对论结构波函数来描写强子的内部结构和强子内层子的运动。这个波函数不仅考虑了层子的对称性质，考虑了强子整体高速运动的特点，而且还包含了层子动力学性质的某些信息。这无疑对基本粒子内部结构研究也作出了贡献。

又如，在函数值分布理论研究中，国际上对亏值和奇异方向曾分别孤立地进行研究，我国数学家杨乐、张广厚自觉运用唯物辩证思想，认为对立统一是事物的根本规律，亏值和奇异方向这两个概念之间也应该是一种对立关系。为此，他们不仅对这两个概念分别考察，而且还联系起来考察，终于揭示了两者的辩证关系，得出了新的数学表达式，使函数值分布理论研究取得了重大进展。

科学史实中也不乏脱离唯物辩证思维而受错误哲学思想支配，使科学研究误入歧途的例子：众所周知，牛顿在物理学研究上作出巨大贡献，但是在他还有精力作出更多贡献的时候，却转向从事论证上帝是否存在的研究上。在唯心主义哲学思想的影响下，他竟花了25年时间去考证“四角神兽的小角是否代表罗马教皇”的问题，致使他的后半生没有更大的科学创造。又如曾经对量子力学作出过重要贡献的德国科学家海森堡，在对反映微观粒子运动特性“测不准关系”作哲学概括时，由于受唯心主义哲学思想的影响，他竟得出“主体和客体不可分”、“独立于主体之外的客观自然界并不存在”的荒谬结论，结果误入了歧途。

可以，唯物辩证法的指导作用将贯穿于我们从事科研活动的全过程。首先在如何选择科研课题、确定研究方向的问题上。有了唯物辩证法，就容易从平常的事物或现象中发现不平常的情况，通过唯物地、辩证地分析未知的事物，从而寻找和确定出有创见、能出成果的研究方向和课题。在设计实验、分析实验结果的问题上，运用唯物辩证法，就可以注意到继承和创新的辩证关系、注意到区分主要矛盾和次要矛盾，设计出切实可行的实验来。就可以注意到自然界乃至社会上的各种事物都是质和量的对立统一，求出某些因素之间的量的关系，分析出质与量互变的外因与内因，从而对实验结果作出正确的判断。在提出新假设、建立新理论的问题上，有唯物辩证法，就可以排除各种毫无事实根据的主观臆断和迷信，把假说建立在一定实验事实和经验材料的基础上。就可以勇于让假说回到实践中去验证，使之在反复实践验证中得以完善而上升为理论。就可以使建立起来的理论做到客观、全面、系统和逻辑严密。就可以正确认识各种科学理论的内在联系和真理相对性的辩证关系，从而把科学研究引向深入。

附件二：高中物理方法集锦之一

——与高中物理第一章运动学和第二章静力学相关的物理方法

第一课时

一、教学目标

1.知识与技能

（1）知道运动学和静力学中包含有实验现象放大显示法、物理模型、理想实验等许多方法和技巧；

（2）理解物理模型、控制变量法、等效替代法等方法的作用。

2.过程与方法

（1）通过分析物理方法的应用过程，感受物理方法的应用方法；

（2）通过对所学物理方法作用的分析，能运用这些知识解决一些简单实际问题。

3.情感态度与价值观

（1）通过学习，体验到知识是方法的载体，方法是知识的源泉，学会方法比掌握知识具有更重要的意义；

（2）通过学习，感悟物理思维方法与物理发展的密切联系，激发学习物理思维方法的兴趣。

二、教学重点

回顾所学的物理方法以及在何处用到它们是本课的重点。

三、教学难点

理想实验、建立物理模型法的含义及作用是本课的难点。

四、教学方法

引导法、讨论法、总结法。

五、教学流程

1.教学流程如图3-1所示。

图3-1

2.教学流程说明

（1）第一环节：创设情景，引出课题　“千里送鹅毛，礼轻情意重。我这里有一片漂亮羽毛，想送给在座的某个学生，以表达我的满意之情，因为从开学到现在，我们相处和合作都很好，大家的学习也很好。不过在送羽毛之前，我有一个小小要求，你们要告诉我：我手中的羽毛到底有多轻？如何测量才能知道？”——这是笔者上“运动学、静力学中的物理思维方法”一课时的开场白，学生被小小的羽毛所吸引，兴趣盎然地开始了“物理思维方法”的总结与回顾。

教师通过一片羽毛引出话题：让学生感受到“物理实验是有技巧和方法的”，学会方法比学会知识更具有重要意义。

（2）第二环节：回顾物理方法　通过教师引领，学生总结，得出高一第一章运动学、第二章静力学中涉及的物理方法。并在黑板上记录下主要物理实验方法和物理研究方法：

（3）第三环节：对重要实验方法、物理研究方法进行分析总结。

图3-2

主要总结：何处用了该方法，有何意义等。例如：由话题：什么是“理想实验法”？何处用了“理想实验法”？调动学生思考讨论，最终明确：伽利略的发现以及他所应用的科学推理（理想实验）方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开始。而理想实验最大的特点是：依靠可靠的事实为基础，突出主要因素、忽略次要因素，通过抽象思维获得揭示自然规律的规律，如图3-2所示。

又如：由话题求“平均速度”用到什么思想方法？通过讨论让学生理解：任何一个变速直线运动的快慢都可以找到一个与它等效的匀速直线运动来粗略地描述它。所用的是等效替代，如图3-3所示。

图3-3

再如：由话题“初速为零的匀加速直线运动的位移s= 1₂ at²是如何得到的？”引导学生回忆微元积分法，了解微元积分法的应用思路，学会应用方法，如图3-4所示。

图3-4

（4）第四环节：运用方法解决简单问题　例如，运用“建立物理模型”解决山体的极限高度问题：

地球上的高山不能无限地增高，其原因是山越高，山体的重力越大，山底受到的压强就越大，在很大的压强下，坚硬的岩石会熔化为流体，所以山的高度是有极限的。岩石的种类很多，以主要成分为二氧化硅的“石英岩”为例，已知石英岩的密度为ρ= 2.7 X 10³ kg/m³，所能承受的最大压强为：p= 2.8 X 10⁸Pa。那么山体的极限高度是多少？

附件三：《高中物理思维方法》课程学习成绩评价表