掌握科学的方法是中学物理学习的重要内容

物理学习方法

物理学是与现实环境结合最为紧密的重要学科之一，中学阶段的物理学习，既是接受科学教育的重要组成部分，也是落实素质教育的重要环节。中学阶段，在注重知识学习的同时，必须加强科学方法的学习。掌握科学方法既是中学物理学习的重要内容，也是培养能力的重要途径。

1．科学方法的学习

科学方法是人们在认识客观世界并与之和谐相处的实践活动中总结出来的正确的思维、行为方式和有效工具。作为一种基本的研究途径、方式和方法，它与自然科学的概念、规律等知识是平行的，包含在自然科学的范畴之中。

在中学物理学习中掌握科学方法，其理论思路至关重要。这种理论思路，主要是指整个科学方法的理论出发点和基本路线。正确、充分而周密的理论构思和清晰的理论思路，能够把科学方法与中学物理的具体实际结合起来，从而更有效地解释、引导和把握物理学习过程，并从中总结出具有普遍意义的物理学习规律。忽视理论的指导，满足于经验式的学习，科学方法的学习就会囿于肤浅和局限。

一般认为，物理学科的基本结构包括物理学的基本概念、基本定律、基本方法以及它们之间的相互联系。有关学者曾提出物理学的三维结构模型：物理学任何一部分基本内容的结构及其发展都可以分解为三个因素，即实验（事实）、物理思想（逻辑、方法论等）、数学（表述形式或计量公式）。在这一观点的影响下，一种以知识为中心的物理学习理论逐渐形成，其表述形式为物理学知识能力结构，如图17－1所示。

图17－1包括实验、核心理论（中）、方法论、数学和延伸与应用五个区域，反映了物理学科所要求的知识和能力结构。这一理论对我国中学物理教学的影响首先反映在《物理课程标准》的制订上。《物理课程标准》在总目标中明确要求学生“学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”。但是，《物理课程标准》的内容部分却只涉及物理知识而没有科学方法。

图17－1　物理学知识能力结构

事实上，科学方法作为物理认识活动的中介，是连接物理现象与物理知识的纽带，在物理理论的发展中起着桥梁作用。也就是说，物理概念和规律只有通过科学方法的参与，才有可能上升为知识形态。同样，物理理论的应用需要科学方法的参与。因此，“与科学知识相比，科学方法具有更大的稳定性和更普遍的适用性。从这个意义上讲，学生掌握科学方法比掌握科学知识更重要。”“能力与方法是密切联系的。一般来说，人们完成某方面任务能力的强弱，是与人们掌握完成任务方法的自觉程度与熟练程度密切相关的。可以认为，方法是能力的‘核心’，是对能力起决定性作用的因素。”由此可以提出以科学方法为中心的物理学习理论，其表述形式为新的物理学知识能力结构图，如图17－2所示。

图17－2　新型物理学知识能力结构

以科学方法为中心的物理学知识能力结构分析方法，比以知识为中心的结构分析更能反映出物理学的特征，反映出知识、方法和能力的关系。事实上，每一学科的方法就是该学科的概念体系、逻辑规则或符号法则，这是将学科内事实与原则互相联系的手段和桥梁。各种方法综合起来，就形成了探讨某学科内涵有效手段的方法论。学习者如果掌握了某一领域的研究方法，则在该领域内的能力会按一定规律不断增长。对于物理学来说，其思想和方法就是其发展的灵魂。中学物理学习的效果，在很大程度上取决于学生是否学到了物理学的思想和方法。

2．科学方法的功能

把科学方法的学习作为中学物理学习的重要目标，原因在于科学方法具有独特的认知功能。

（1）获取功能 首先，掌握科学方法是获取物理知识的重要途径，只有掌握科学方法，才能更快捷地获取物理知识。图17－1把这种路径表示为：物理现象→科学方法→物理知识。比如，牛顿第一定律是通过实验法得出的，阿基米德定律是通过猜想验证法得出的，等等。

其次，学生要理解物理知识，同样离不开科学方法。图17－1把这种路径表示为：科学方法与物理知识。比如，中学物理教材中有十余个重要的物理量是通过比值法来定义的。

在中学物理课程中，学生对比值定义法的本质一直缺乏深入理解。例如，在包括中学物理教材在内的许多书籍中，普遍认为：“某两个（或几个）量在一定条件下成比值为常量的正比，这个常量恰好反映了事物的本质属性。因此，利用这个比值可以定义出描写事物本质属性的一类概念。”这一观点的逻辑缺陷在于，把结果当作原因来加以阐述，忽视了运用比值定义法的一个关键问题——为什么要用两个物理量相比来定义新的物理量。只回答是什么（比值是常量），而回避回答为什么（为什么要比），就不可能揭示出比值定义法的本质。

所谓比值定义法，是用两个或多个物理量的比值来定义物理概念的方法。比较的关键是选取相同的标准，选取相同的标准，比较的结果才有意义。

因此，只有对不同科学方法的本质区别与联系以及使用条件有所了解，才能弄清物理知识的内涵以及不同层次知识之间的关系，进而形成知识网络并真正理解知识。

（2）建构功能 科学方法是物理知识的脉络，是物理知识的神经。它具有把物理知识联系起来并形成结构的功能。图17－2把这种路径表示为：科学方法与上、下、左、右4个邻区都发生联系。

从知识结构形成的角度看，科学方法作为一种基本的研究方式和方法，它纵横交错、贯穿于整个知识领域，是支撑着整个知识框架的基石之一。

从认知结构形成的角度看，只有科学方法参与其中，物理知识结构才能转化为学生头脑中的认知结构。学生通过对物理新知识的记忆、组织、加工、系统化重建、简化及应用等环节，已有的知识结构演变为更加清晰牢固的新认知结构。所以，如果没有学会通过科学方法把大量物理知识构建成层次清晰、逻辑严密的结构或网络，学习物理时就无法不断接收、消化新信息，也就无法完善自己的知识系统。

（3）培养功能 通过对科学方法的不断了解、积累和熟练运用，形成借助于科学方法获取物理知识的心理定式，学生就能够快捷地获取知识，深刻地领会和掌握知识，牢固地记住知识。还可以培养起对问题的敏锐反应，能够用科学方法迅速地抓住问题的要害，找出解决问题的途径。具有这样的心理定式，是学生能力的表现。掌握科学方法，不仅与获取知识的效率有关，也与能力的发展直接相关。

科学方法还是培养物理学习能力的桥梁。这种路径可以表示为：物理知识→科学方法→延伸与应用。物理概念和规律只有与科学方法相结合才有生命力，才能显示其内在的依据、作用和功能；只有把已学过的物理概念和规律与科学方法相结合，才能真正掌握知识并加以运用。通过适量的科学方法训练，在解决实际问题时就能迅速检索各种方法而无须对照过去，在处理前一个步骤时就能在大脑中预感下一个步骤。即使在进行创造性活动时，也能凭直觉而非经验探索正确的解决途径。因而，学习科学方法不仅能更好地掌握物理知识，也能很好地培养能力。

3．科学方法实践

针对中学物理课程中科学方法的学习，可提出如下观点。

（1）物理课程学习应把科学方法学习作为主要内容之一。中学物理课程除考虑物理知识外，还应当把科学方法作为中学物理学习的内容之一。这既是物理学习规律的必然要求，同时也是物理学习目的与学习内容相互对应的逻辑体现。

物理课程中的主要科学方法大多隐藏在物理知识内容中，要在学习中使其明朗化、显性化，就要积极地思考、分析、对比、总结，特别要注意总结一些共性的规律和方法，如演绎推理法、实验归纳法、理想化方法、假说方法、比值定义法、等效方法、控制变量法、乘积定义法等。

此外，从科学方法学习的层次性考虑，思维方法同样是科学方法学习的重要内容，它包括分析、综合、抽象、概括等。这就使科学方法与物理知识密切联系起来，使科学方法学习的内容在一定程度上达到相对统一。

（2）按照科学方法的规律主动学习。从被动接受知识的现行学习模式来考虑，虽然学生也可以获得一些科学方法，但学生对科学方法的理解不可能深入下去，常常显得表面化、肤浅、零散而不系统。

科学方法并不由学科的知识内容直接表达出来，往往隐藏在知识或行文逻辑之内，影响着知识的获取和运用。所以科学方法不易学习，更不易掌握。如果按照科学方法所展示的路子学习科学方法，即把科学方法的学习作为学习物理学知识的主要目标之一，情况就会有所改善。

例如，如果欧姆定律的学习是这样一个过程：研究问题（实验法）→实验（控制变量法）→分析实验数据（图象法）→得出定律的表达式（经验公式法）。显然，这样学习过欧姆定律以后，从训练中所获得的科学方法学习规律就可以成为后来学习其他知识的规范模式，从而可以把科学方法贯穿于整个学习过程。

这样的学习方式，把科学方法体现在知识的认知过程中，按照认知模式推进学习，学生通过对这一过程的了解，可以领略到科学方法和物理知识的内涵，学习能力也会得以提高。

（3）运用科学方法解决实际物理问题。科学方法的真正掌握必须在探索和发现中实现。所以，中学物理课程中科学方法的学习必须结合实际问题进行。这正是掌握（学习）科学方法与学习物理知识的不同之处。例如，当学生学习了光学成像的知识后，可以提出问题：通常防盗门上都装有“猫眼”，其特点是可以从室内向外观察而不能从室外向室内观察，怎样解释这一现象？这是一个看似简单其实并不容易回答的问题，它的解决不仅需要有物理知识，而且需要运用科学方法。

因此，在中学物理课堂内外，学生必须利用良好的认知情境，主动地观察、思考、实验、讨论，沿着科学的思路逐渐学习掌握其中的科学方法。