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物理学史教学中进行科学方法教育的策略研究

范文

张锦科　张根英

摘要：物理学的发展史，最有价值的就是蕴藏其中的科学方法。本文从五个方面阐述了在物理学史教学中开发科学方法教育的策略，并且提出了遵循的原则。

关键词：物理学史；科学方法；教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）2（S）-0015-4

1 物理学史教学中进行科学方法教育是一条新途径

物理学的发展史，实际上也是科学方法的发展史。因为每位物理学家都有其独特的研究问题的科学方法。比如，伽利略巧妙地应用了科学推理的方法，揭露了维持两千多年的古希腊哲学家亚里斯多德阐述的“重物比轻物落得快”的论断所包含的矛盾：卡文迪许精巧地设计了扭秤实验，在悬挂哑铃装置的石英丝上装一面小镜子，利用光束反射来“放大微小形变”，解决了引力常量这个历史性难题；德布罗意应用了类比法、假设法提出了物质波的概念：帕斯卡应用了实验推理法得出了帕斯卡定律：库仑应用了类比法建立了库仑定律：爱因斯坦应用了直觉思维和理想实验的方法创立了相对论等等。这无一不说明了物理学史中既有物理学知识。又蕴藏着研究问题的科学方法，以及科学家发现物理规律的艰辛过程。对学生进行物理学史的教育，不仅可以激发学生学习物理知识的热情，而且可以促使学生领悟其中包含的科学思维和科学方法，更可以培养学生追求真理、献身于人类文明事业的精神。

物理学在发展过程中，不仅产生了宝贵的理论成果，更留给了后人弥足珍贵的一系列的科学方法。科学方法作为人类文明的结晶，是物理认识活动的中介，是连接物理现象与物理知识的纽带，处于物理学的核心地位。近代科学强调科学方法对于科学理论的创立、发展的决定性意义。科学发展史一再论证，没有某种科学方法及其指导下的研究规则和实验设计，科学理论是不会产生的，也将难于有效地发挥理论知识的功能和作用。因此，加强科学方法教育的力度，拓宽科学方法教育的渠道，是每一位物理教师需要认真思考的问题。物理学史由于其特殊性，其中体现或隐藏的科学方法比比皆是。可以说物理学史是蕴藏科学方法的宝库，这个宝库不挖掘、不利用，实是浪费可惜。可见，利用物理学史进行科学方法教育是一条可开发的新途径。

2 物理学史教学中开发科学方法教育的策略

2.1 挖掘教材史料，显化科学方法

教材中物理学史的内容大多为陈述性介绍，科学方法隐藏于其中没有明确显现出来。教师有可能对科学方法教育认识不够全面，很少注意到物理学史中科学方法教育的素材，或者缺乏对科学方法教育内容的挖掘。从学生的角度讲，他们意识不到物理学史中的科学方法及其重要性，从而错过了学习科学方法的良好机会，导致“过程与方法”目标的达成虚化。

显性教育观认为，只有像物理知识教育那样，明确地向学生讲解科学方法的内容，指出科学方法的名称，传授有关该方法的知识，揭示方法的形式、操作过程，说明原理，使学生处于有意识地接受科学方法的状态，才能实现一定的教育目标。教师需要深入挖掘物理学史中隐含的科学方法。对教材史料部分内容作适当补充、拓展，制定可行的目标要求及达标方法，明确教学的重点，结合学生实际特点因材施教。这样，教师才能居高临下、游刃有余。教师既教给学生物理学史知识，又教给学生科学思维的方法，教学效果一定会好。

如高中“自由落体运动”一节教学。历史上，伽利略首先通过佯谬的思想实验。否定亚里斯多德的物体越重下落越快的结论：然后运用数学工具得出初速为零的匀加速直线运动是一常量；进而用斜槽实验验证物体从光滑斜面的下滑运动符合等于常量的规律；最后将斜面实验推广，得出结论：落体运动是匀加速运动。伽利略通过长期的实验研究，观察到同一高度同时下落的轻重不一的物体的下落情况，伽利略认为自然界“总是习惯于运用某种最简单和最容易的手段”。这一哲学思考，使他大胆猜想自由落体运动是匀加速运动。他关于落体的一切研究都是为了确证这一猜想，他的斜槽实验也是为此而设计的。伽利略开创的观察实验、逻辑论证与数学方法相结合的研究方法极大地推动了物理学的发展。他对运动理论的研究所采用的方法可总结为：

2.2 追寻科学家足迹，渲染科学方法

实践证明，物理学史教学中，仅仅局限于“蜻蜓点水”式的显化科学方法，无法引起学生足够的重视，教学效果不会好。教学中适时适度地介绍具体的、相关的科学方法的本质涵义，如何应用，需注意什么，起到什么作用，使学生逐步了解体会科学方法的涵义和作用，并进行恰当的渲染烘托。使学生明确科学方法在科学研究活动过程中的重要意义。科学活动孕育出科学方法，科学方法反过来助推科学的发现，应用科学方法获得成功是科学家的鲜明特征。

渲染科学方法的功能还在于对学生的启发，通过对科学方法的不断了解、积累和熟练，使学生形成一种心理定势，养成科学作风，逐步树立科学的世界观，并贯穿于自己终生的工作方法之中。这是从根本上提高学生科学素养的有效途径，即从长远看方法比知识更重要。

例如，在“行星的运动”教学中，教师先介绍哥白尼创立日心说的物理史事，再介绍说明哥白尼创立日心说采用的假设一演绎的方法是许多科学家进行科学创新时常用的科学方法。它是根据一定的，有时甚至是少量的经验事实提出试探性猜想。进行论证，从而形成科学假说，然后求助于实验验证。教师通过对假说一演绎方法的具体定义，使学生对其有逐步的认识，在今后的学习中逐渐巩固、深化。日心说的提出使人类迈出了认识宇宙历程中最艰难而重要的一步，这不仅是石破天惊的伟大创新，而且是近代科学革命的真正开端。体会这个惊世骇俗的理论体系的创立过程，我们不难发现，在科学风暴来临之前，正是哥白尼的一系列科学思维方法的酝酿促使了人类认识的突发性飞跃，科学方法正处在这种飞跃的关节点上。面对百思不得其解的问题，一旦超越了自我，就获得了某种新奇的思路或方法，一下子抓住关键，顿悟研究的问题。教师有意识地营造渲染有利于培养学生科学方法教育的环境和氛围，通过启发诱导，潜移默化，持之以恒，把科学方法的点点滴滴渗入学生的心田。学生才会对所学科学方法印象深刻，并能逐步体现在对客观世界的反应上。

2.3 创造探究情景，体验科学方法

现代教学观认为，学生的探究能力的形成需要一个过程。既不是把什么都直接告诉学生，也不是事事都要他们去独立探索，而是创造出一个良好的学习认知情景，对学生的探究进行引导，这种情景包括模拟的科研情景。教师根据一定物理学史的内容，提出一系列符合科学逻辑发展过程的问题，预先计划好要做的观察、实验、讨论、分析和交流等活动程序，让学生追踪当年科学家的发现思路，主动地进行探索，在解决问题中获取知识，领悟其中的科学方法。教师只需必要的点拨或指导，不需过多干涉，学生定能有所收获。

英国学者贝尔纳指出，“如果学生不能够以某种方式亲自参加科学发现的过程，就绝对无法使他充分了解现有科学知识的全貌。”科学方法体现在科学家的新发现之中，不亲身经历这种探究过程，就很难发现其中的科学方法及关键所在，无法体会某些只可意会不可言传的奥妙之处。每经历一次科学探究的过程，就是一次科学方法对学生的“洗礼”过程。

以“探究感应电流产生的条件”教学为例，教师如果不回顾法拉第十年艰难漫长的求索，无数次的实验，应用猜想、逆向推理和类比等科学方法总结出电磁感应定律、力线思想和场的概念，学生就会认为这么简单的实验，很容易得出结论。为了澄清事实，教学中有必要还原科学家的辛路历程，教师要努力创造条件，激励学生追寻科学家的足迹，积极主动地参与探究的过程。教师可以先启发：法拉第当年先是怎样设想的，后是怎样逐步改进的，以后又是怎样设计的：在充分揭示法拉第思维方法的形成过程中，教师再让学生亲身经历从实验的初始设计到逐步完善的操作过程。这样，学生才能领略到实验设计的精妙所在，才能领悟到科学方法的独特之处，也才能感受到法拉第的伟大之处以及科学道路的曲折艰辛，而这正是新课程标准所倡导和要求的。

2.4 应用多媒体手段.丰富科学方法

现代信息技术的迅猛发展和网络技术的广泛应用，为物理课程提供了丰富的课程资源。在物理学史教学中，恰当适度地运用多媒体无疑是锦上添花。多媒体不仅具有图文并茂、声像同步、模拟情景和形象逼真等特点，而且具有资源共享、素材丰富和功能强大等优势。它可以在短时间内，密集地推出教学内容，多角度、多形式、多方位表达相同的信息。还有它不受时间和空间的限制而使学生有更大的自由，学生可以反复观看有疑问的画面。学生也可以从课内延伸到课外学习。例如，作为补充，我们利用多媒体模拟伽利略研究自由落体运动的过程。在播放的过程中，对一些细节如“真空中羽毛和小金属片下落一样快”选用慢镜头播放，让学生仔细观察，并领悟其中蕴含的科学方法。借助多媒体进行物理学史教学，可以激发学生学习热情，减轻师生负担，弥补教材和教师史料知识的欠缺。

多媒体能够把物理学史中复杂冗长的、抽象的史料知识，或者史料中有的但中学阶段无法进行的一些实验，以简化、直观、形象的形式呈现，这是进行科学方法教育所需要的。例如，学生观看视频。从模拟卢瑟福的α粒子散射实验到提出核式结构模型的过程。观看之余组织学生讨论交流卢瑟福的散射实验现象，以及是如何进行猜想、如何演绎原子内部结构的。这一过程至少有四方面的优点，一是图文并茂的视频比教师枯燥讲解更会引起学生的注意：二是通过教师前期的搜集、整理和剪辑等准备工作，使课堂更加紧凑、容量大、逻辑性强；三是通过形象化的模拟实验弥补了无法真实实验的不足：四是在教师的引导下。通过反复观看视频，让学生尝试猜想、推理原子的内部结构。正是这个过程，为学生实现由感性到理性的飞跃提供了可能。由此可见，借助多媒体进行物理学史和科学方法教育优势明显。

2.5 搜集史料习题，强化科学方法

作为学生，物理习题是知识和方法练兵的一个重要阵地，也是检验运用科学方法解决问题能力的一种途径。我们可以搜集或开发一些以物理学史为背景或素材的例题与习题，尤其要把体现科学家聪明才智的科学方法融入其中，重点考查。通过考查，加深学生对科学方法更深刻的理解，逐步达到灵活应用。也可以把科学家的经典实验设计成比较简单的探究课题，教师指导学生沿着科学家的探究思路开展活动，使学生从中领悟科学家的思维过程，体会科学家怎样发现问题、分析问题和解决问题，从而领会科学研究的一般方法。

3 物理学史教学中进行科学方法教育遵循的原则

3.1 科学性原则

利用物理学史进行科学方法教育要尊重历史，要实事求是。科学家的探索过程不是一帆风顺的，必然走过弯路、历经挫折、备受艰辛，一遍遍的思考，一次次的实验，数十年如一日，最终获得成功。因此我们在教学时，不能不切实际地过分夸大科学方法的作用，造成学生认为只要运用了恰当的方法就能解决问题。否则将不利于学生的科学态度、科学作风和科学精神的培养。教师必须使学生明白：科学的道路是不平坦的，甚至是极其艰辛的，需要有顽强的意志品质，要有百折不挠的献身精神，失败和挫折是科学研究中的必经之路。另外，一定的物理学史对应相应的科学方法，我们在教学中也不能脱离真实的史料，讲与史料不沾边的莫须有的科学方法，那也是不科学的。

3.2 适切性原则

教学必须遵循学生的认知规律因材施教。没有理由也没有必要让学生弄清楚所有的科学史内容和科学家的思维过程。教学中物理学史内容的选择、科学方法的渗透均要适切，不宜过繁过难。要充分发挥教师的主观能动性重构适宜学生学情的史料知识，挖掘恰当的方法教育素材。根据学生的实际情况和认知特点，合理设计教学内容，引导学生“经历历史”，从而使学生领悟其中应用的科学方法。科学方法的教学中，讲多少，讲多深，教师必须有一个整体全局的把握。

3.3 渗透性原则

科学方法与其他物理知识不同。它所涉及的不是物质世界本身，而是人类认识物质世界的途径和方式。如果只是从传授科学史的角度进行教学，学生也可能从中学到一些科学方法，但只能是模糊的、零散的，收效甚微。但若在教学过程中弱化物理学史只讲科学方法，也是不可取的，这样会造成学生学习上的困难。因而进行科学方法教育时，一方面注意不要脱离物理学史的学习去另搞一套；另一方面又不能只顾讲物理学史轻视科学方法教育。而是物理学史学习中渗透科学方法教育，科学方法视为物理发展史的脉络和核心。即现在一些教师提倡的“双线并行”的物理学史教学法。

3.4 体验性原则

要达到科学方法教育的深层次目标，就要经历必要的强化和训练过程。若停留在体会领悟阶段，学生就不能够灵活应用所学科学方法解决问题，那么学习科学方法就毫无意义。新课程标准要求学生要具有一定的探究能力，其目的也在此。教学中教师要善于研发史学素材，设计适合学生实际的课题，让学生追寻科学家的足迹，模仿科学家的探究过程，亲身体验一系列的思考、设计、实验、分析等过程。在这一过程中，让学生感知、思考、动手，最重要的是遇到困难时，不气馁、不放弃，善于运用科学的思维方法解决问题。只有这样，学生才能够深刻领会并能够灵活应用所学的科学方法。

3.5 循序渐进的原则

利用物理学史进行科学方法教育，也不能违背教育规律，力图一蹴而就，否则只能适得其反。教师应有全局统筹的计划，使科学方法教育按学生实际和教材的内容分散在高中三个年级进行教学。每一种方法的教学，内容力求少而精，讲解通俗易懂，多举具体事例，尤其是起始阶段，在以后的教学中每次遇到要反复讲，逐步深化。讲解某一物理学史中的科学方法。既不要像历史上那样复杂，也不要面面俱到，应从我们现代认识的观点侧重讲清一、两种科学方法，取其精华以免贪多而不易于学生接受。

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（栏目编辑赵保钢）

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