高中物理教材中科学方法的显性研究&以比较法为例_高中物理论文

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      教科书不同于其他科学著作，不能简单地将知识点一一罗列。教材是为了让学生轻松地接受、理解并运用知识，因此，教材的编写也是一门学问。

      新课程要求学科教学要提升学生的科学素养、重现思维方法指导。加强科学方法教育也已经被明确写入中学各学科的课程标准。因此，高中物理教材编写者以中学物理课程标准为指导，在编写过程中进行了不同程度的尝试。笔者以上海科学技术出版社出版的高中物理教材（试用本）（以下简称高中物理教材）为例，对其中的科学方法——比较法，进行研究。

      一、高中物理教材中科学方法的显性化表征及意义

      1.高中物理教材编写中的科学方法

      科学方法是人类所有认识方法中比较高级、比较复杂的一种方法。高中物理教材中蕴含的科学方法，包括自然科学的一般方法，如获取事实的观察、实验、调查等经验方法，对事实进行加工的比较、分类、归纳、演绎等思维方法。主要的层次结构如图1所示。

      

      2.高中物理教材中科学方法的表征

      （1）显性表征

      显性表征就是教材明确地提出科学方法名称，介绍或解释这种方法的功能与作用，指导或要求学生运用这种方法。高中物理教材中以显性表征的科学方法并不多，主要有实验方法、模型方法、科学探究等。

      如高中物理教材第一章明确提出建立物理模型的方法、等效替代法。提出“质点”这一概念时，教材列举了生活中同一事物在不同研究条件下能否当作质点研究的例子，总结了所要研究物体可视为质点的条件，随即在教材“点击”栏目里介绍了用到的科学方法：建立物理模型。“等效替代法”是在学习“平均速度”时提出的，用匀速直线运动代替变速直线运动，使问题研究更容易。教材在本节的“点击”栏目介绍该科学方法，要求学生理解并掌握“等效替代法”，提醒后面的学习多有涉及。

      显性表征重在使学生有意识地掌握科学方法，并在学生学习有可能遇到困难的地方及时提供方法“脚手架”，根据学生学习需要适时明示有关科学方法的操作规则及注意事项，帮助学生在解决问题中模仿应用科学方法。

      （2）隐性表征

      所谓隐性表征，就是用反映科学认识基本过程的科学方法的一般形式去组织物理概念、规律等知识的编写，但没有明确的提示语言，不直接明示或解释某种科学方法，只是通过知识间的逻辑编排或概念表述自然体现，将科学方法隐含在教材编写思路之中。

      如高中物理教材第三章第2节“学生实验”栏目中，教材设计了“用DIS研究加速度与力的关系”和“用DIS研究加速度与质量的关系”两个实验，分别比较了在其他条件相同情况下改变小车受力或改变小车质量所测得的实验数据，通过实验探究得出牛顿第二定律，隐性表征了实验探究中常用的“控制变量法”。

      这样的设计一是让学生在潜移默化中自然习得科学方法，二是因为之前的学习中教材可能已对某一科学方法做了显性表征，没有必要重复。隐性表征是高中物理教材蕴含的科学方法的主要表征方式。

      3.高中物理教材中科学方法显性化的意义

      国内较为传统的观点认为，方法只能潜移默化地渗透，更多靠学生自己去领悟。因此，在我国传统物理教材中，通常对知识点的逻辑联系采用显性处理，而对物理科学方法采用隐性表征，让学生在学习过程中自己领悟。

      （1）物理学科特性要求科学方法显性化

      物理学是由一系列事实、概念、规律、原理按照一定逻辑顺序构成的学科体系。同时，物理学也是科学探究，它始于伽利略的开创性成就，成熟于牛顿集笛卡儿、开普勒等前人之大成，在长期的研究与发展过程中形成了自己特有的科学方法论体系。物理学除了其本身的自然科学知识外，科学方法才是这门学科的精髓。物理教材的编写如果长期显知识点而隐科学方法，会误导学生轻视科学方法的学习，知其然，而不知其所以然，变成“书呆子”，没有情境迁移和解决实际问题的能力。

      （2）学生认知特点要求科学方法显性化

      科学方法与一般的科学知识不同，它所涉及的不是物质世界本身，而是高度抽象的人类认识物质世界的途径和方式。如果只是从传授知识的角度组织教材内容，学生也能从中学到一些科学方法，但印象较浅，无法真正掌握。根据皮亚杰的认知发展阶段理论，高中生的物理思维正处于具体运算阶段向形式运算阶段过渡的时期，抽象思维能力还不是很强，所以教材编写中仅将科学方法进行隐性处理是不够的。

      （3）隐性表征的缺陷要求科学方法显性化

      目前，有关国际权威机构对于科学思想方法的隐性教育研究得到的结论是：从隐含的印象中得出的认识将是混乱不清的和一堆零散的概念。隐性教育方式存在教学目标不明确、教学内容不确定、教学效果不显著的缺陷。研究表明，在中学物理中实施科学方法的显性化教育效果显著。规律是客观的，方法是主观的，方法不能只靠悟，而要经过传授、学习逐渐全面掌握。所以，物理科学思想方法必须坚持显性教育。

      另外，广大教师虽然对科学方法教育越来越重视，但往往对教材中显性表征的科学方法予以重视，对隐性表征的科学方法少有挖掘。教材是教师组织教学活动的重要依据，教材中科学方法的表征方式对教师的教学有很重要的引导作用。

      二、高中物理教材中比较法的显性化研究

      高中物理教育的主要目的不仅是让学生学习物理知识和科学方法，更重要的是培养学生的能力。在物理规律课的教授中，规律本身固然重要，但物理学家利用一系列科学方法总结出规律的思维过程更重要。在解决问题时，给学生提供一个科学方法比他们自己“创造”一个方法更有效率。

      已编的教材没能完整地做到科学方法的显性陈述和过程示范，而是蕴含在教材内容里，物理教师有必要将隐于教材中的科学方法显性化，为学生的学习提供有效的帮助。本文以上海科学技术出版社出版的高中物理教材为例，对蕴含其中的比较法进行显性化研究。

      1.高中物理教材中的比较法

      比较是确定有关事物之间共同点和差异点的一种科学方法，简单地说就是识同辨异法。比较的过程是先对有关事物进行分析，区分它们各方面的特征，再将有关事物按其特征进行对比，得出共同性和差异性，从而鉴别其异同。比较是概括的基础，通过抽象得出的属性要经过比较才能认识其共性与个性。

      各种物理现象和过程都可以通过比较确定它们的差异点和共同点。通过比较可以建立物理概念、总结物理规律，利用比较可以进行鉴别和测量。高中物理教材中比较法比比皆是，能帮助学生在比较中鉴别，在区分中避免混淆，在联系中掌握物理概念的相互关系和物理本质。教材中比较法的呈现及作用如图2所示。

      

      2.物理概念编写中的比较法及作用

      物理概念比较抽象，产生于感性认识，又高于感性认识，这是物理难学的一个重要原因。单个的物理概念或许可以通过识记、训练等方法掌握，但是在同一体系中，物理概念之间的逻辑关系较难把握。高中物理教材在编写物理概念时将比较法蕴含其中，既降低了学生理解的难度，又对相似的物理概念加以区分，有利于提高概念教学效率。

      （1）利用比较法引入概念

      有些物理概念之间有许多相似之处，通过已学的概念，用比较法引入新概念，搭建新旧知识之间的桥梁，便于学生理解和接受，能降低教学难度。

      例如，高中物理教材第一章引入“矢量”的定义时，为了帮助学生理解，降低难度，教材编排中先定义“标量”——只有大小没有方向的物理量，进一步列举温度、质量等属于标量，是初中物理学习过的物理量。在此基础上，用比较法定义“既有大小又有方向的物理量叫作矢量”，如力、速度、位移等物理量是矢量。

      （2）利用比较法深化概念

      新课知识点较分散，物理概念多为介绍类型，层次较浅。章节结束后，将一些有内在联系的知识串起来，帮助学生深化概念，形成整体认识。

      

      （3）利用比较法区分概念

      许多物理概念十分相似，学生在学习过程中往往因概念不清、意义不明等原因将其混淆。将这类物理概念进行比较，学生就能准确把握这些概念的本质特征，避免混淆。

      如“路程”是初中学习的物理量，“位移”为高中学习的物理量，这两个物理概念本身并不难，但都与物体运动的“长度”“距离”有关，学生往往因混淆不清而犯错。如图3（教材附图1-6）所示高中物理第一章第一节“位移和路程”，将两个概念编写在一起，比较定义“质点运动所经历的轨迹长度叫作路程”“质点的位置变化叫作位移”，更直观有效。

      

      3.物理规律编写中的比较法及作用

      物理规律是物理现象及物理过程本质的、内在的联系在人们头脑中的反映。由于一系列物理规律的发现，人们获得物理现象和过程在一定条件下发生、发展和变化的必然结果，也知道了诸概念之间的联系。教材用比较的方法对物理规律进行编写，以旧带新，能带动学生的思维从形象到抽象，把陌生的、未知的物理现象与熟悉的、已知的知识进行比较。

      （1）利用比较法降低理解难度

      学生往往觉得物理规律很抽象，难以理解或接受。高中物理教材往往以学生初中阶段已学知识规律为基础，用比较法降低理解难度。

      如教材“机械功”章节，首先带学生回顾“在初中阶段我们已经知道功的计算公式是W=Fs”并指出“这个计算公式只适用于力和位移方向一致的情况”。大多数情况下，力的方向和位移并不在一条直线上，很显然，原来的计算公式已不能适用，在比较的基础上推导出新的计算式W=Fscosθ。学生通过比较新旧公式，能自发认识到初中学的是新公式中的特殊情况。如此编排，增强了新旧知识的关联性，降低了对新知识的理解难度。

      （2）利用比较法加深认知程度

      学生学习物理规律，不仅要知道规律的内容，更要对规律的含义、特点、要求和适用性有比较深刻的理解，才能将其内化到自身的知识体系中，真正掌握所学规律。物理知识体系逻辑严密，同一物理规律可能有多种表述，一些物理规律之间也有其内在联系，而教材将它们编写在一起进行比较，可以加深学生对物理规律的认识程度。

      如拓展型课程Ⅰ第十章中的“闭合电路欧姆定律”，在DIS实验探究的基础上，结合学过的部分电路欧姆定律，得出闭合电路欧姆定律的数学表达式

。随即“大家谈”栏目要求学生比较初中学习的部分电路欧姆定律与现在的闭合电路欧姆定律有何区别。通过这一比较性思考，学生了解到不同阶段学习的欧姆定律没有对错之别，更没有对立的关系，认识到闭合电路欧姆定律不再将电路中的电源看作理想电源（电阻为零），而是在计算时考虑其内阻影响，电源内阻与外电路共同分得电源电动势，无论是部分电路还是闭合电路，它们所遵循的欧姆定律的本质规律是相同的。这样的教学，可以加深学生对物理规律的本质理解和整体把握。

      拓展型课程Ⅰ第五章“匀速圆周运动”中关于“车辆过桥”给出两种模型：凸型桥、凹型桥，如图4甲、乙所示，并对两种情形下汽车的向心力进行分析与比较。虽然都是过桥问题，结果却大相径庭，故具体问题需具体分析。让学生真正认识到提供物体匀速圆周运动的向心力是合外力，其方向沿半径指向圆心，从而掌握匀速圆周运动的本质特点。

      

      （3）利用比较法区分易混淆错误

      物理规律反映了运动变化的各因素间的本质联系，揭露了事物本质属性间的内在关系。物理规律包括物理原理、定律、定理和定则，学生普遍反映这些物理规律很容易混淆。

      如高中物理教材第六章在“温度（热力学温标）”的基础上，学习了“玻意耳定律”和“查理定律”，但由于日常生活中使用的是摄氏温标，学生常常混淆，故教材编写“热力学温标与摄氏温标的关系”为T=t+273，用比较法帮助学生认清二者的关系。

      第十章“磁场”第一节给出“判定电流的磁场方向——右手螺旋定则”，用此方法判定电流的磁效应，工具就是人的右手，简单方便且易于记忆和操作，学生很容易掌握；在判定通电导线在磁场中的受力方向时，教材运用了“左手定则”；第十一章磁场中感应电流方向又由“右手定则”判定。左手定则和右手定则本身难度不大，但学生经常用错。因此，教师引导学生将其进行比较区分就很有必要，总结得出：判定力，即通电导线在磁场中的受力用左手；判断磁场或电流方向用右手。

      拓展型课程Ⅰ第六章“简谐振动与机械波”中，由于振动图象和波动图象都是正弦（或余弦）曲线，看上去十分相似，学生常常混淆。教材将简谐振动图象和简谐波的图象进行比较，如图5甲、乙所示，指出图中“两条曲线都按正弦规律变化，但物理意义不同”，并对两图的物理意义进行区分。

      三、高中物理教材编写中科学方法显性化的几点建议

      在学习过程中，学生对科学方法的掌握很大程度上依赖于教材编写对科学方法的表征，同样，教材中科学方法的表征也影响着教师的教学。如何使教材中科学方法的表征方式更符合学生的认知规律和教师的教学规律，笔者提出以下建议。

      

      1.以新课标为蓝图，整体设计科学方法教育内容

      高中学生大多都知道“控制变量法”“等效替代法”等，而对其他的科学方法，特别是一些逻辑方法知之甚少，这都源于物理教材对这些科学方法的指向作用。物理教材要有效地承载这一目标，就要进行系统的整体设计。

      2.提炼与总结，科学方法显性化

      科学方法教育不能靠说教，必须要让学生在感悟的基础上深化认识，逐步掌握。教材在编写过程中，可以通过隐性表征，在学生对某种科学方法有所感悟的基础上，将这一科学方法提炼出来，使之显性化，成为学生知识结构中的程序性知识。教材中适时对科学方法显性化的方法有两种：

      （1）用显性话语对科学方法进行显性化，如“经过无数次实验验证，科学家归纳出……”“在实验的基础上提出假设和物理模型……”；

      （2）专门设置“方法指导”栏目，就像教材中的“点击”栏目一样，重点介绍某种科学方法。

      3.增强物理学史对科学方法的教育意义

      物理学史是对学生进行科学方法教育的最好素材。物理学中每一条规律的发现，既是物理学家孜孜以求的成就，又是综合运用各种科学方法的结果，问题解决过程能真切反映科学工作者的思维方法。教材中一些物理学史多为介绍科学家生平、研究的成果和获得的荣誉，而对科学发展过程特征、解决问题中的思维过程和方法运用介绍不多，不利于学生了解知识的建构过程和动态生成过程，也就出现了“万有引力是苹果砸出来的”等笑话。

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