试论物理教学中“科学方法”的教学，本文主要内容关键词为：试论论文,物理论文,科学论文,方法论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学不仅以其概念和规律的科学知识揭示了自然界基本运动形式和物质结构的诸多真理，而且还以建立这种知识体系过程中所凝炼和升华的科学方法推动科学的进步，因此物理课程标准中将“过程和方法”列为具体目标的一维，其目的是要求教师在关注学科知识习得的同时，更要帮助学生学习其中的方法。那么何为“方法”？在物理教学中如何实现“科学方法”的教学呢？本文尝试对此做出回答。
一、方法概述
在认知心理学研究中，方法被称为认知策略。不同的研究者对认知策略的界定也往往存在差异，如，奥苏贝尔(D.P.Ausubel)将策略界定为“通常是指选择、组合、改变或者操作背景命题的一系列规则”，（注：奥苏贝尔著：《教育心理学——认知的观点》，佘星南等译，人民教育出版社1994年版，第698页.）该界定揭示策略是隐藏在解决问题所需技能之后的，是对解决问题的技能进行“选择、排列、组合”的一种技能，这是从认知策略的操作对象来说的。
加涅(R.N.Gagné）将运用符号或规则对外办事的技能和对内调控的技能做出区分，前者属于智慧技能，后者属于认知策略。加涅认为：“认知策略是个人运用一套操作步骤对自己的学习、记忆、注意以及高级的思维进行调节和控制的特殊认知技能”（注：皮连生著：《智育心理学》，人民教育出版社1996年版，第198页.）。加涅对认知策略的界定凸显其对内调控这一本质特征。尽管对策略的界定不同，但认知心理学家均认同策略是以提高认知加工效率为目的的技能。接下来，结合实例来阐述方法的特征。
（一）方法是用于提高特定认知活动效率的技能
1.物理问题解决研究案例
Larkin等人选择一位物理教师（相对专家）和一位初学力学知识的学生（新手）作为研究对象，对两人在解答同一力学习题的行为进行对比研究（注：吴庆麟等著：《认知教学心理学》，上海科学技术出版社2000年版，第191页.），如下：
例：一木块沿倾角为θ的斜面从顶端静止下滑，斜面长度为l，摩擦系数为μ，求木块达到斜面底部时的速度？
表1 新手解题的典型思路
表2 相对的专家解题的思路
2.研究案例分析
(1)解决该习题所需的必要技能：会运用牛顿第二定律；会运用匀变速直线的运动规律；会运用力的概念分析出物体受到的力；会运用力的合成与分解正确分解受力等；
(2)那么如何从自己的认知结构中挑选出上述必要技能呢？这就需要有“挑选、组织解决该习题必要技能”的技能，这种技能也就是解决此类问题的策略或方法。
不难看出，专家与新手在认知结构中选择出解决该习题所需物理知识与技能的方式不同。
新手采用的是由待求的物理量v入手，先找到一个含有并可求v的公式，但使用该公式来求v，必须先求加速度a，于是再找到一个含有a的公式。这样新手在找到足以求出问题解的一系列公式前，须连续后退，这种搜寻解题所需技能的策略是典型的逆推法。
有经验的教师不难理解，这是一道典型的运动学与动力学结合求解的习题。解决此类习题存在方法：可以由已知条件出发，通过加速度这一物理量将运动学规律与牛顿定律等联系起来求解。也就是说如果题目给出的是运动学量，而求解物体的受力情况，可以运用运动规律求出物体的加速度，再通过牛顿第二定律来求解物体受力；反之，由牛顿第二定律求出加速度，然后再依据运动学的关系求解运动学量。
具有丰富解题经验的教师已习得这一方法，所以当教师识别出该题求解的是速度，且已知条件中呈现受力方面的条件，就可以运用上述方法来求解该习题了，解决习题时体现出向前推理的特征。
本研究案例说明在解决问题时，个体总是采用一定方法进行。新手往往采用逆推法等方法进行，采用逆推法来解决，总比盲目地套用公式解决的行为，解题效率相对较高，即新手采用的逆推法在一定程度上提高了解决问题的效率。
专家采用的解决问题的方法，较新手采用的方法，效率更高，该方法是专家在解决一定数量本领域问题的过程中形成的，是适用于解决本学科特定类型问题的方法。
在认知心理学中将解决特定问题效率高的方法称为解决此问题的强方法；而相对效率较低、但应用范围广的方法称为弱方法，比如逆推法可以应用解物理题、化学题、数学题，还可以应用在解决日常生活中的问题等。
3.科学方法是提高科学研究活动效率的技能
物理学研究是科学家的一种有目标的认知活动——探究客观世界物质结构及其运动方式的规律，那么科学方法是一种特殊的技能，它可以提高科学研究这一认知活动的效率，避免研究活动陷入一种盲目状态，并且可以保证这种认知活动的有效性，即获得结果的真实性。
科学方法中既有针对科学研究全过程有效的，如实证方法、归纳—猜测法、假说—演绎法等；也有一些针对具体的研究环节的方法，如抽象物理问题环节的模型法、对称法、理想化方法等，处理信息环节的列表比较法、图象法、拟合法等。
（二）方法在认知活动过程中运用，其运用具有潜在、无意识的特征
科学方法不仅在科学研究中发挥重要作用，同时也是学生获取知识的基本方法。
例如，在教授“阿基米德定律”时，一位教师的教学过程为：
(1)引导学生根据浮力等于物体上下表面所受压力差，计算出图1中正方体所受的浮力
。
图1
物体在水中所占有的体积，原先都是水占有的。
由此猜测物体所受浮力可能与物体所排开的液体重量有关。
(2)实验证明，不规则铁块完全浸没水中时，所受浮力等于所排开水的重量。
规则石块完全浸没酒精中时，所受浮力等于所排开酒精的重量。
由实验研究的结果总结得到阿基米德定律。
(3)根据
，引导学生推知如下论断及新的事实：
①当物体完全浸没在液体中时，物体所受浮力不变。
新事实：悬挂在弹簧秤下的重物，完全浸没在水中不同位置时，弹簧秤视数保持不变。
②同一物体完全浸没在不同液体中，液体密度大，则该物体所受浮力也大。
新事实：悬挂在弹簧秤的重物，分别浸没在水和酒精中，在水中时的弹簧秤视数较小。并引导学生通过实验进行验证。
以上教学过程，在教师的引导下，学生由理论上计算所得结果做出猜测；再通过实验研究，运用归纳推理得到定律；最后，根据定律演绎出合理的推论，并进行实验验证，即在学习中，学生既遵循实证研究的规范方法，也在研究的不同环节运用了演绎推理、归纳和实验验证等较具体的科学方法，但实际教学活动中，教师以及学生可能更多地关注所学定律是否习得，而不太会注意获得这个定律的过程以及其中所运用的方法，即方法的运用往往具有潜在、无意识特征。
二、物理教学中“科学方法”的教学
（一）方法教学的基本方式
方法是提高解决问题效率的技能，但与学科知识不同在于：在作为学科知识的概念和规则教学中，常常可应用模型、实物或实验来直观地演示所要教的概念和规则，因为这里的概念和规则是有客观存在的对象可以指称的。而策略性知识中的概念和规则所反映的是人的思维活动，因此这些概念和规则应可以通过分析思维活动来获得，也就是说可通过反省认知来实现，反省认知是“对自己认知的认知，属于自我意识范畴”。（注：皮连生著：《智育心理学》，人民教育出版社1996年版，第195页.）
一般认为可以有两种的教学方式（注：陈刚主编：《新编物理教学论》，华东师范大学出版社2006年版，第95页.）：
1.方式一
(1)选择一个运用所要教授方法的认知活动，实际引导学生完成认知活动，然后教师剖析活动中运用的方法，将方法的形式和运用条件呈现给学生。
(2)结合一些使用该方法的认知活动，让学生练习掌握方法。
2.方式二
(1)选定几个认知活动实例，这些认知活动中需要运用所要教授的方法，并实际组织教学。
(2)教师引导学生反省自己认知活动的过程。目的在于从中发现所要教授的方法的形式及运用条件。
(3)让学生举出生活和学习中运用这种方法的实例，目的是让学生练习，进一步熟悉所教方法的使用场合以及条件。
（二）“科学方法”教学的案例
［教学内容］“实验验证方法”的教学
［教学过程］
环节一 阿基米德定律的学习
教学流程参见本文一、（二）中相关内容。
在学习过程中，教师引导学生对获得的结论进行了验证，学生无意识间运用了“实验验证方法”。
环节二 “验证方法”意义的学习
在“阿基米德定律”学习后，转入对“验证方法”学习的环节。
采用方法教学方式一
师：前面在通过实验获得阿基米德定律后，我们根据浮力等于排开液体的重量这一结论，推出另外两个论断，并进行实验验证；这一环节在科学研究中称为理论的验证。
师：分析这一过程可以理解，要进行实验验证。（教师板书）
1.首先根据新的物理规律，合理地推演出一些论断，这些论断预言出未曾观察到的、可以实验检验的现象；
2.设计出能够显现上述现象的实验；
3.进行实验，对现象是否真实出现作出检验。
采用方法教学方式二
师：请同学们回忆学习阿基米德定律的过程，在通过实验获得物体受到的浮力等于其排开液体的重量后，我们接下去做了什么工作？
生：根据浮力等于排开液体的重量这一结论，推出另外两个论断，并进行实验验证。
师：请同学们思考一下，在以前的学习中，有没有进行过类似的工作？如有请陈述工作是如何进行的。
生：有的，比如在帕斯卡定律学习后也做过验证。
在学习帕斯卡定律后，设计出一种实验装置如图2，这一装置由100ml针筒2个，5ml针筒，200g砝码2个等构成。实验时在针筒B、C的活塞上各压上一个200g的砝码，用手慢慢将A针筒的活塞向下压。
图2
根据帕斯卡定律可知，尽管B、C上是等重的砝码，但两者不会同时被顶起。
实验证实了这一论断。
（学生陈述时，教师应及时补充、梳理）
师：以上工作是科学研究中的一个重要环节，称为验证。
那么验证工作如何进行呢？
生甲：要进行实验验证；
生乙：要根据学习的规律提出一些事实论断；
生丙：这种事实论断应该是新的、以前没有见过的。
师：同学们从不同的侧面对验证方法进行分析。那么进行验证，其基本思路如何呢？
生：回答。
教师对学生的回答做出总结并板书（见教学方式一中，教师板书内容）
环节三 “验证方法”的练习
师：理论的正确性可以通过解释旧理论不能解释的现象来检验，也可以通过依据新理论推理一些预言，由实验进行验证的方式检验。本节课主要采用的是后一种方式检验。
实际上在化学、生物等课程学习中，也会运用上述方法对建立的规律进行检验。希望同学们课后收集一些反映这种验证思想的实例，可以来自科学史料、来自其他学科、也可以是生活中的实例，我们下节课给大家一些时间交流。在呈现实例时，希望依据如上板书的结构进行。
（三）两种教学方式的评析
1.科学方法教学的首要条件是：教师能够确定科学方法运用的场合，并概括出隐藏在认知活动背后的科学方法的具体结构及适用条件。否则，没有清晰明确的目标，所谓的科学方法教学只能流于形式。
2.方式一中，教师对学生经历过的认知活动进行分析，并概括出科学方法的结构及条件呈现给学生，效率较高，但学生自己的思维活动较少；
方式二中，在教师的帮助下，学生审视自己进行特定认知活动的过程，对蕴涵其中的科学方法运用条件和结构进行概括，并用自己语言组织。因此在方法二中，学生既学习了科学方法，又增加了反省认知的体验。
又由于各种方法在学生的学习活动以及生活中经常运用，从自己的实际经历中发现所使用方法的条件及其规则，一方面可以使学生更清晰地理解这种方法，同时也有利于增强学生主动使用该方法的意识。
显然对于科学方法的教学，方式二值得提倡。