物理科学与方法教育中的“知识与方法并行教学模式”_物理论文

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      一、问题的提出

      1984年笔者开始给物理系的学生开设物理学方法论选修课，并结合高师院校的教学进行物理科学方法教育的研究，1989年11月荣获了山东省高等学校教学成果一等奖。1995年笔者申请到了一个课题“物理科学方法教育的理论与实践研究”，并得到世界银行的经费赞助。笔者非常珍惜这来之不易的机遇，开始在省内外组织有70个中学，116位教师，近万名中学生参加试验，并于1996年3月8日开始进行第一次课题组全员培训。其间商定先以初中物理教学中的重点知识课为突破口，分别由各组教师进行体现科学方法教育的教学设计，然后进行试讲，实施课堂教学，进行课后讲评……但是，因为这是从原来熟悉的课堂教学模式，转换成体现科学方法教育的课堂教学，教师普遍感到无从下手，迫切希望能给出一个新的案例模式，看来深入研究新的教学模式是实践的需要，是必须面对的一项新的研究课题。

      二、对物理科学方法教育模式的基本认识

      模式是在一定的理论指导下，经过理性高度抽象概括后，以简单明了、直观的形式描述的，完成某一任务的内容结构与程序。它是现实的再现，现实的抽象概括，它源于现实，但又用于指导现实。

      2.课堂教学模式

      课堂教学模式是在一定的教学思想或教学理论指导下建立起来的、较为稳定的教学活动的结构框架和活动程序。作为结构框架，突出了教学模式从宏观上把握教学活动整体及各要素之间内部的关系和功能；作为活动程序则突出了教学模式的有序性和可操作性。

      不同的教育思想、教学内容和教学手段都会对教学模式发生影响。

      3.物理科学方法教育课堂教学模式

      由于要渗透物理科学方法教育，原有的课堂教学的内容、形式、手段都要有些变化。物理科学方法教育课堂教学模式，就是在总结各种渗透了物理科学方法教育课堂教学过程的基础上，经过抽象概括，提出便于大家操作的、简化的课堂教学的基本结构与程序。我们研究物理科学方法教育课堂教学模式的目的，只是为了便于初期接触科学方法教育的教师有个模式可循，有利于具体实施，更便于相互交流。研究模式的目的绝不是为了束缚教师的思想，其最终目的是为了不要模式。反思人的一生的生活、学习和工作，都是在一定模式中，经过“一学习二模仿三创新”的过程走过来的，只不过有入学习、模仿的时间可能长一些，甚至停留在模仿而没有创新，我们则希望教师尽快经过一学二模的过程，进入创新的阶段。

      三、物理科学方法教育“知法并行教学模式”的基本理论

      1.“知法并行教学模式”的基本含义

      “知法并行教学模式”是指在物理课堂教学过程中，以教材中的知识发展过程和对应知识的发展过程所蕴涵的科学方法为基础，将知识的发展过程及其所运用的科学方法整理出线索，使“知识线”和“方法线”在教学过程中同时展开、并行前进的一种科学方法教育、教学模式[1]。因为科学本来就应该包括科学知识、科学思想、科学方法、科学态度。因此，知法并行体现了科学的自然回归。

      2.建立“知法并行教学模式”的3个阶段

      第1阶段：实践总结阶段——“微观模式”。1996—1998年我们在中学进行较大规模的“物理科学方法教育”试验时，总结了进行科学方法教育的两个模式：整体上是“一学（习）二模（仿）三创（新）”的宏观模式；在课堂教学上则是如图1、图2所示的以概念教学和规律教学为例的“微观模式”。[2]

      

      

      第2阶段：理论研究阶段——“双线并行模式”。

      2002年6月文献[1]提出了“双线并行”的教育模式；2004年文献[3]从教育学与心理学的理论上对“双线并行”教育模式进行了深入的探讨，并给予肯定。

      第3阶段：重新命名阶段——“知法并行模式”。

      “双线并行模式”的提法，比“微观模式”提法好，但是尚有不足之处，即“双线”的内涵体现的不明确，为此2011年6月26日我们在北京研制“物理科学方法教育视频教程”的辅导讲座中，正式提出“知法并行模式”。这样从名称上，就直接体现出“双线”的含义，即“知识线”与“方法线”。

      3.“知法并行模式”的理论基础

      （1）依据美国霍尔顿（G.Holton）物理学科的三维结构模型和前苏联费多琴柯（A.M.Федорченко）所提出的经典力学学科体系结构图（图3）。

      

      霍尔顿是美国哈佛物理教材改革计划（HPP）的主要执笔人，他提出了物理学的三维结构模型，即物理学的基本概念、基本原理（包括基本定律和基本理论）和基本方法以及它们之间的相互联系，遵循物理学三维结构模型。他认为，物理学的任何一部分基本内容（包括物理量、定律、理论……）的结构及其发展都可以分解为3种因素或3个坐标：x—实验（事实）、y—物理思想（逻辑、方法论等等，霍尔顿本人在书中称为“主题”或“课题”），z—数学（表述形式或计量公式）。这可以说是抓住了物理学知识结构的核心，迄今还没有发现在物理学昨天的历史和今天的发展中有任何例外。这一普适性的“物理学科结构模式”也为探讨物理学各分支学科、各章节单元课题的结构及其教学规律指出了道路。[4]

      前苏联费多琴柯所做的学科结构图（如图4），实际上是把上述霍尔顿三维结构投影到平面上，形成上（实验）、中（核心理论）、左（科学方法论）、右（数学）、下（运用与延伸）5个区间，进一步全面地反映了物理学科的特点和物理学知识的3个主要成分及其相互关系，特别是反映了知识和方法的关系。

      （2）根据认知理论和刺激—反应心理学研究的结论。

      

      文献[2]根据认知理论和刺激—反应心理学理论，研究得出结论：“物理知识学习跟科学方法指导密切相关。在感知物理现象，形成物理概念，建立物理规律，解决物理问题的过程中，可以体验认识科学方法；反之，应用科学方法可以有效地感知物理现象，形成物理概念，建立物理规律，解决物理问题。因此，物理知识教育与方法教育一明一暗相互渗透，互相辅佐，互为前提，同时进行是不悖的，双线并行教育模式的提出也是合情合理的”。

      四、物理科学方法教育“知法并行”课堂教学设计的基本程序

      为了便于初期接触物理科学方法教育的教师具体实施，我们提出以下课堂教学设计的基本程序。

      1.理出“知识线”

      （1）首先确定教材的类型，是属于“概念型、规律型、实验型、应用型（含习题）”教材中的哪一种？

      （2）确定具体的课堂教学程序，要与体现新课程理念的教学设计相结合，做到科学方法教育与其有机融合，并按照确定的课堂教学程序或教材知识点发展的程序，提出主教育事件及子教育事件。

      （3）理出“知识线”。

      下页表1为液体压强知法并行表[5]，1、2列为知识线。

      

      2.理出“方法线”

      （1）分析挖掘教材中的科学方法因素。

      分析的基本依据是：①科学方法的基本概念[2]；②科学方法存在的3种基本形式[2]；③“物理科学方法因素的判定原理”[2]；④使用教材的具体内容；⑤物理学发展史的资料等。

      按照对应关系，分析几种不同的实验、概念、规律、习题等教材，分别可以对应一套不同的科学方法[6]。

      （2）理出方法线（例如表1中的3列）。特别提醒注意：这样全面地分析确定的具体方法，数量可以是很多的，这为实现知法并行奠定了良好的基础。但是具体如何渗透，则要按照每位教师开展科学方法教育的目标及达成计划再具体选择，一般每一节课重点显性地渗透2～3种科学方法就足够了，并非所有的方法都要显性地讲述。

      3.理出知法并行表

      （1）确定科学方法教育的教学目标[4]。

      任何教学模式都要指向和完成一定的教学目标，在教学模式的结构中教学目标处于核心地位，并对构成教学模式的其他因素起着制约作用。它决定着教学模式的操作程序和师生在教学活动中的组合关系，也是教学评价的标准和尺度。正是由于教学模式与教学目标的这种极强的内在统一性，决定了不同教学模式的个性。文献[7]研究了如何制定体现新课程理念下渗透科学方法教育的教学目标。

      （2）确定重点显性渗透的科学方法教育内容[例如表1中的（4）列]。

      理出完整的“知法并行表”，如表1。2012年我们编制了一套“物理科学方法教育视频教程”[5]，其中以人民教育出版社的初中8～9年级教材，高中的必修1、2教材为蓝本，对其每一节教材都进行了教学设计，并作出了“知法并行表”，可供教师们参考。

      五、课堂教学中如何体现“知法并行”

      1.树立牢固的科学方法教育的理念

      从备课、讲课，到课外辅导及课外活动等教学的全过程，或者是实施实验、建立概念、总结规律、解答习题以及开展科技活动等各种类型的教学活动，始终不忘科学方法教育。

      2.课堂教学中，提倡显性、准确、自然流畅地提出科学方法

      我们难以用文字形象确切地阐明上述观点。建议读者可以参考文献[5]关于“液体压强”的一节视频课和关于“自制弹簧秤”的一节视频课。这两节课可以说是当前落实科学方法教育的示范课，在2012年8月全国第4届物理科学方法教育学术研讨会上展示，受到与会教师们的一致好评。

      3.具体做法实例

      （1）一事一议体现方法。

      即每做一个实验，建立一个概念，总结一个规律，解决一个实际问题，一定要想到应用的科学方法（至于是否显性地讲该方法，则应按照科学方法教育计划确定）。例如做实验：一张A3的纸和一个5分的硬币，让其从同一高度下落，看到硬币先落到地面；然后把其中的一张A3的纸揉成团，再让它们从同一高度下落，看到几乎同时落到地面。解释实验现象并说明实验中应用的科学方法。又如，通过实验证明部分电路中通过电阻R的电流与电阻两端电压U成正比，与电阻R成反比，即I∝U，

，应用什么方法可以得到

。

      （2）典型事例，综合分析多种方法。

      例如，利用一个椭圆形玻璃瓶（图5）做微小形变的实验，至少可以分析出其中应用的5个方法论因素：①如何探究玻璃瓶能否发生形变——通过实验；②任何一个实验都有3个基本组成部分，在此实验对象是玻璃瓶；实验源是人手（热源？力源？）；实验效果显示器是细玻璃管中的有色液体；③实验验证玻璃瓶形变的过程：前后挤压——液面上升——左右两侧向内挤压——液面下降——说明玻璃瓶发生形变；④问题：为什么细管中的水可以是上升，也可以是下降？（利用数学知识及圆变形的特点加以解释）；⑤可以形成一个悖论，即把手挤压看成是“手捂加热”。要解释排除这个误解。

      

      （3）重点方法，反复应用。

      例如，在总结右手螺旋法则、电磁感应规律、楞次定律等规律时，都应用了因果分析求同求异法；在定义速度、压强、密度、比热、功率、电场强度、电容等概念时，都应用了比值定义法。

      （4）课堂教学中凸现科学精神。

      ①宣扬科学家的科学精神。

      物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程。诸多的物理知识和理论体系往往都是汇集许多科学家的研究成果而建立起来的，常常要经过几十年甚至上百年的努力才能迈出实质性的进步，它既包含着认识论和方法论的因素，又包含着探索者的艰辛与悲欢，有的科学家甚至为此付出生命。

      ②鼓励学生对所学概念和规律提出质疑。

      例如，牛顿第一定律不能用真实的实验来验证，那么为什么还说它是正确的呢。

      ③对实验反思设疑，改进创新，随时捕捉生成的资源，点燃学生创新的思维火花。

      例如，对实验现象、规律进行反思、鼓励学生的求异思维；对类似实验的异同点进行反思；对实验方法进行反思，从而提出新的实验方法；对实验仪器器材进行反思，改进创新；拓展外延，让物理实验走进生活——“玩”进物理世界，玩出学习方法及能力。

      六、教学检测与评价

      实施科学方法教育的“知法并行教学模式”，相信对于提高学生的各项能力，进一步提高素质，以致提升中考（或高考）的成绩，都将是很有利的。当然必须经过检测评价，用事实说话。

      教学评价是指各种教学模式所特有的达到教学目标的评价方法和标准等。由于不同教学模式所要完成的教学任务和达到的教学目标不同，因此，其评价的方法和标准也有所不同。目前，除了一些比较成熟的教学模式已经形成了一套相应的评价方法和标准外，有不少教学模式还没有形成自己独特的评价方法和标准。我们已经组织教师立项作为专题进行研究。下面我们先提出几点不系统完整的参考案例，供有志参与试验的教师们借鉴参考。

      1.参考案例

      （1）考试：参加学校的统一考试和中考或高考，预测参与实验班级的学生的各项成绩要有提高，并且高于非试验班。当然这要通过统计检验来证明[2]。

      （2）座谈会：教师可以根据试验的情况编制座谈内容及问卷调查表[2]。

      （3）编制检测题[2]：根据制定的教学目标，研究“科学方法检测题”的编制技术、尝试应用先进的测量理论，检测评估学生经过物理科学方法教育后能力发展的现状，这是我们研究的重要课题。

      实践证明，通过编制物理科学方法教育的测验试题仍是进行测试、评价的一种方法。例如以下测试题可以评价学生相应科学方法的掌握程度。

      （1）提问：“关于速度、密度、压强、功率等概念的引入方法与定义方法有何共同点？速度是表示物体运快慢的物理量，其公式是v=s/t，问能否用v=t/s表示物体运动的快慢？”

      （2）一个典型的物理实验，都是由实验对象（实验研究的客体）、实验源（实验的信号发生器）和实验效果显示器3部分组成。有人只用两张纸做实验（图6）就可以说明流体压强与流速的关系。请你说说他是如何做的。并指出实验的3个基本组成部分是什么。

      

      （3）敲击音叉而发声，说是音叉在振动，你能用哪些实验说明音叉是在振动？

      （4）教师做了个“覆杯实验”，如图7，解释说，塑料片掉不下来的原因，是由于大气压的缘故。你能设计一个实验，证明真的是大气压的缘故吗。

      （5）教师要学生们判断：如图8所示的通电导体在磁场中的受力方向。学生们几乎都是伸出了左手，用左手定则做出了正确的判断。唯独有个“调皮的”学生伸出了右手，用右手也做出了正确的判断。你知道他是如何用右手判断的吗？你认为这样可以吗？定则能任意更改吗？从此题你有何启示？

      

      （6）怎样根据实验总结部分电路欧姆定律的数学表达式？初中物理中，运用实验总结欧姆定律、焦耳定律等所用的实验方法有何共同点？

      （7）现在几乎都是用透明玻璃板做平面镜成像的实验。你能否用真的平面镜来做平面镜成像的实验？说说如何做。

      （8）传统的教学一般都是用如图9所示的实验装置研究楞次定律的，你能说说这个实验的不足之处吗？

      

      （9）教材中以形象的图示加以说明：人站在绝缘的木制板凳上，用手去触摸一根火线，不会发生触电事故。你相信吗？你敢在教师的指导下试试吗？（科学的态度和精神）

      2.积累资料

      搞好资料的积累，是从事教学和研究，搞好教学评价，总结经验的重要的基础工作之一。实施物理科学方法教育的“知法并行教学模式”试验，要注意积累以下资料。

      （1）教师的教学设计（包括教材的知法并行分析表）

      （2）教师的教学反思（建议教师们每一节都写教学反思札记）。

      （3）学生的历次成绩。

      （4）学生的变化（以下的变化要靠教师平日有意的引导与启发）。

      ①学生发现问题、提出问题能力的变化（是否善于发现问题，提出问题，并从难度、范围、质量等方面分析比较做出记录）；②学了一个概念之后，能否借鉴这一概念的建立及定义方法，去建立、定义后续的概念；③学完一个规律后，是否想亲自动手做实验验证它，是否提出过用与教材不同的其他方法验证；④做完任何一个实验后，能否提出实验方法与方案的改进；实验仪器的改进与替代；⑤能否用所学的物理科学方法解决实际生活中的其他问题；⑥特别注意女学生学习物理的兴趣及主动参与动手做实验的积极性是否有所提高；思维的灵活性、敏捷性、创新性是否有所提高。

      “知法并行教学模式”是物理科学的自然回归，它与任何教学研究课题或模式都是不矛盾的，反倒是相辅相成的。因此，笔者真诚地希望，有更多的教师一起参与“知法并行教学模式”的试验，并以丰富真实的试验资料，说明它的利弊，为物理科学方法教育再尽绵薄之力。

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