论中学物理教学中的科学方法教育，本文主要内容关键词为：中学物理论文,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。
众所周知，中学物理教学既是科学教育的重要组成部分，又是落实素质教育的重要方面。要实现素质教育的目标，中学物理教学在注重知识教学的同时，必须加强科学方法教育。因为科学方法教育不仅是中学物理教学的重要内容，而且是培养学生能力的重要途径。
然而，目前我国中学物理教学中的科学方法教育仍然存在一些问题。具体表现为：第一，科学方法教育的理论还不十分明确，以致人们没有自觉地把科学方法作为中学物理教学的重要内容；第二，科学方法的教育功能没有得到充分的研究，科学方法的能力价值没有在中学物理教学中得到很好的体现；第三，在教学层面上，科学方法教育的可操作性还较差。这些情况表明，在中学物理教学中，加强科学方法教育的研究依然非常必要。
一、科学方法教育的理论建构
科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维、行为方式，是人们认识和改造自然的有效工具。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。
在中学物理教学中进行科学方法教育，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教育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，能够把科学方法教育与中学物理教学的具体实际结合起来，从而更有效地解释、预测和引导学生的物理学习活动，并从中总结出具有普遍意义的物理教学规律。如果忽视理论的指导，满足于经验式的照搬照抄，那么中学物理教学中的科学方法教育将是十分肤浅和具有局限性的，科学方法教育就很难得到真正落实。
在中学物理教学中进行科学方法教育所涉及的重要理论问题是：物理教学中科学方法教育的理论模型是什么？科学方法的教育功能是什么？等等。显然，这些问题亟待有一个明确的回答。
一般认为，物理学科的基本结构包括物理学的基本概念、基本原理（包括基本定律和基本理论）、基本方法以及它们之间的相互联系。美国哈佛物理教材改革计划(HPP)的主要执笔人霍尔顿曾提出物理学的三维结构模型。他认为，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：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教学理论逐渐形成并写入物理教学法教科书。其表述形式为物理学知能结构图，如图1所示：
附图
图1 物理学知能结构图
图1由上（实验）、中（核心理论）、左（科学方法论）、右（数学）、下（延伸与应用）5个区域构成，反映了物理学科所要求的能力结构。[1]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。《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”（注：教育部.普通高中物理课程标准实验.人民教育出版社，2003
）。但是，在《课程标准》的内容部分，却只涉及物理知识而没有科学方法。
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、规律只有通过科学方法的参与，才有可能上升为知识形态。不仅如此，物理理论的应用同样需要科学方法的参与。因此，人们普遍认为：“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。”[2]“应把方法视为比知识更重要的东西，视为知识的脉络，按照科学方法所展示的路子，去组织教材，安排教学进程。”[3]“自力与方法是密切联系的。一般地说，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。”[4]基于此，我们提出以科学方法为中心的物理教学理论，其表述形式为新的物理学知能结构图，如图2所示：
附图
图2 新的物理学知能结构图
我们认为，以科学方法为中心的物理学知能结构分析方法，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逻辑语言或符号规则，是使本学科多种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本学科有效途径的方法论。经验证明，学习者掌握某一领域的研究方法，其在该领域内的能力就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。可以说，中学物理教学的效果，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。
二、科学方法的教育功能
把科学方法作为中学物理教学重要目标的原因在于，科学方法不仅具有独特的认知功能，而且具有独特的教育功能。其教育功能主要有以下几个方面：
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。学生只有掌握科学方法，才能更快捷地获取物理知识。根据图2，我们把这种路径表示为：物理现象→科学方法→物理知识。同样，只有借助科学方法，才能使教学活动顺利进行。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。根据图2，我们把这种路径表示为：科学方法→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。
我们在研究中发现，长期以来，在中学物理教学中，比值定义法的本质一直缺乏深入的理解。比如，人们普遍认为：“在研究物理问题时，常会遇见这样的情况，某两个（或几个）量在一定条件下成正比，其比值是一个常量，这个常量正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。”[5]类似这样的论述，在许多书籍乃至中学物理教材中比比皆是。这一观点的逻辑缺陷在于，把结果当做原因来加以阐述，忽视了比值定义法运用中的一个关键问题——为什么要用两个物理量相比来定义一个新的物理量。它只回答是什么（比值是常量），而没有回答为什么（为什么要比），没有揭示出比值定义法的本质。
所谓比值定义法，就是用两个或多个物理量的比值来定义物理概念的方法。在这里，比较的关键是选取相同的标准。因为只有选取相同的标准，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方法的条件有所了解，才能弄清物理知识的内涵以及不同层次知识之间的关系，从而形成知识的网络，达到对知识的真正理解。
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。根据图2，我们把这种路径表示为：科学方法与上、下、左、右四个邻区都发生联系。
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之中，使不同的知识相互联系并形成知识结构。从认知结构形成的角度看，我们认为，只有通过科学方法的参与，客观存在的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加工、组织、简化、记忆、系统化重建及应用等环节，把原有的认知结构演变为更加清晰牢固的新的认知结构。所以，在中学物理教学中，学生如果没有学会通过科学方法把大量的物理知识在自己的头脑中编织成一个层次清晰、逻辑严密的结构或网络，就无法不断接收、容纳新的信息，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，使学生形成一种借助于科学方法获取物理知识的心理定势，这样，学生就能够以快捷的速度获取知识，深刻地领会和掌握知识，牢固地记住知识。还可以使学生产生一种对问题的敏感性，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。具有这样一种心理定势，也是学生能力的一种表现。所以掌握科学方法，不仅与学生获取知识的效率有关，而且与学生能力的发展直接有关。[3]
科学方法还是培养学生物理学习能力的桥梁。根据图2，我们把这种路径表示为：物理知识→科学方法→延伸与应用。这是因为，物理概念和规律只有与科学方法相结合才有生命力，才能显示其内在的理由、作用和功能；学生只有把学习过的物理概念和规律与科学方法结合起来，才能真正地掌握知识，并加以运用。通过一定量的科学方法训练，使学生在解决实际问题时，能够迅速检索各种各样的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。即使学生在进行创造性活动时，也能凭直觉而非经验探索到正确的解决途径。正是在这个意义上，我们认为科学方法教育不仅能使学生更好地掌握物理知识，而且能很好地培养学生的能力。
三、科学方法教育的实施
如何在中学物理教学中实施科学方法教育呢？我们提出如下观点：
1.《物理课程标准》应把科学方法作为教学内容
《物理课程标准》是编写中学物理教材的指导性文件。在制订中，除了要考虑物理知识以外，还应当把科学方法作为中学物理教学的内容之一。这既是物理教学规律的必然要求，同时也是物理教学目的与教学内容相互对应的逻辑体现。
我们依据《物理课程标准》，把其中隐藏的主要科学方法明朗化、显性化，从而提出科学方法教育的主要内容，如表1：
表1 科学方法教育的主要内容及出现频次
序号科学方法
频次
1 演绎推理法
36
2 实验归纳法
24
3 理想化方法
16
4 假说方法 13
5 比值定义法
13
6 等效方法 10
7 控制变量法
10
8 乘积定义法
10
此外，从科学方法教育的层次性来考虑，思维方法同样是科学方法教育的重要内容，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，使科学方法教育的内容在一定程度上达到相对统一。
2.按照科学方法的逻辑来设计教学程序
目前的教学程序，往往是从传授知识的角度来考虑设计的。这样做，学生也能学到一些科学方法，但他们对科学方法的理解往往是表面的、肤浅的、零星的、不连续的。
由于科学方法并不由学科的知识内容直接地表达，而往往隐藏在知识的背后，支配着知识的获取和运用，所以科学方法既不易学习，又不易掌握。如果按照科学方法所展示的路子去组织教材，安排教学进程，即把方法教育作为教学活动的中心，情况就大不一样。比如，高中“欧姆定律”的教学可以这样设计：研究问题（实验法）→实验（控制变量法）→分析实验数据（图像法）→得出定律的表达式（经验公式法）。显然，可以把科学方法贯穿于整个教学过程。
这样的教学，把科学方法体现在知识的认知过程中，按照学生的认知模式推进教学，让学生清楚地了解、经历这一过程，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。
3.让学生运用科学方法解决实际物理问题
在中学物理教学中进行科学方法教育，必须结合实际问题。这是因为，科学方法的真正掌握，必须在探索和发现之中实现。这正是掌握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，可以向学生提出这样一个问题：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，它的解决不仅需要拥有物理知识，而且需要运用科学方法。
因此，在中学物理教学中，必须创设良好的认知情境，对学生的探索进行指导，让学生主动地观察、思考、实验、讨论，使之沿着科学的思路在不知不觉中掌握其中的科学方法。