高中物理教学中科学素质的培养

新课程理念下的物理教学强调三维目标的落实.对知识与能力这一目标的落实,教师与学生一贯是十分重视的,但对过程与方法、情感态度与价值观的培养,也就是科学素质中的科学方法的培养,却未能尽如人意.本文将就高中物理教学中实施科学方法培养的必要性和可能性进行论述.

按教育学的思想,学校开设的每一门学科首先是要让学生学习、了解、掌握该学科的基本结构."所谓基本结构,就是指这门学科的基础知识、基本原理和基本规律,以及研究这门学科的基本方法".而且关于方法的教学目标丝毫也不比知识目标来得次要.在物理学科中,最具价值,也是最活跃的部分正是科学研究方法.每一个物理问题的解决、每一个物理定律的得出,总是伴随着科学方法的应用与产生；同样,新的科学方法的产生与应用又总可转化为更多物理概念的形成与物理问题的解决.伽利略对物理学的最大贡献正在于把实验方法引入物理学研究,从而彻底地改造了物理学,使它从思辨学变为建筑在实验基础上的科学；法拉弟引入了"力线"的研究方法,使物理学研究抽象问题的过程更直观、形象；麦克斯韦正是应用了数学方法,把电磁学的四条实验定律改造成堪称物理学中最具科学美的公式典范.

方法,是人们在认识世界和改造世界的一切活动中所运用的各种途径、方式、和手段的总称,科学方法就是指在研究与解决科学问题过程中所运用的策略、程序、办法.在高中物理教材中,渗透了很多科学方法,既有一般的逻辑范畴的归纳方法、推理方法、类比方法、分析方法和综合方法,又有较为特殊的科学范畴的观察方法、实验方法、理想化方法、等效方法、模型方法、科学检测设方法、对称（守恒）方法等.物理知识（概念、规律与原理）只是这些方法运用于物理研究后的"形式化"产物,方法活跃在知识获得的过程中,科学方法的教育对改进人的能力结构有着十分重要的作用.伦琴对X射线研究的周密安排,使得这一发现在一周内即被世界所公认,这正是由于他对实验方法的深刻理解与正确应用的结果.

正因为方法是在知识获得过程中起作用,所以为了在教学中不让方法的教育价值流失,就应该特别注意物理概念的归纳过程以及物理规律的研究过程的教学,要充分展开这些过程,以及在这些过程中的思想与方法,让学生能够体验科学方法在研究中的重要作用与价值,从而实现科学方法的独立教学目标.下面就几个重要的方法举例说明.

一、实验方法

这是"人们通过科学仪器和设备在有目的地干预、控制或模拟客观对象的条件下获取科学事实的一种研究方法".实验方法是提出研究课题、构思科学检测说、建立科学理论的重要途径和基本手段.例如,法拉第电磁感应定律的建立；光电效应正是在实现电磁振荡的实验中发现的新课题；玻尔的量子轨道理论正是在氢光谱的实验基础上提出的检测说；迈克尔逊的精妙的"以太风"的零结果实验,成为了爱恩斯坦狭义相对论的重要实验依据.

在教学过程中如何展示实验方法在物理研究中的重要地位,是实验方法教学的重点.为此,对实验的目的和作用应该有足够的重视,要使学生知道,每一个演示实验和分组实验究竟要解决什么问题?这些问题的解决能否通过其它办法完成?特别是有些按高中学生的理论知识进行分析判断较难得出正确结论的问题,要注意用实验方法来解决,而不要单纯进行理论分析,因为这正是体验实验重要性的好事例.如在光学部分,光从折射过渡到全反射的现象,这是学生凭直观想象所不能得到的结果,所以在教学过程中不妨先对此进行理论的讨论,揭示矛盾,然后再进行实验,使学生在观察到全反射现象时,能较好地体会到实验的作用.

实验方法,并不仅仅在演示实验或学生分组实验中才用到,应该在物理教学中充分运用实验方法来解决问题.如分析一个力学问题：一个轮轴放在水平地面上,在它的轴上绕着线,当向右拉线时,轮将向哪个方向运动?学生按直接经验,往往会得出轮向左滚动的结论.如果只是对学生进行理论分析,这个题的意义就不大,但如果我们用实验演示一下,当实验显示的结果与学生的判断相反时,这将会给学生留下深刻的印象,使学生体验到实验对解决物理问题的重要作用.

由于高考的影响,在物理实验教学中,教师较为注重的是对实验原理的理解、实验仪器的使用、实验误差的分析等内容,在事实上将冲淡对实验方法在物理研究中的地位和作用的体验,从而使实验方法的重要价值流失.掌握高中物理的具体实验原理、仪器使用方法及实验误差分析等当然有它们的积极意义,但这些主要还只是知识方面的意义,而让学生通过物理实验懂得要获得物理知识,离不开实验,才是实验教学中更具深远意义的目标.可以说,培养学生的动手,比培养学生的动手能力更为迫切和重要.我们的实验教学过分地突出知识性的内容,从而严重地冲淡了实验教学的方法意义,这是一种"系统性"的低效率,至少对科学素质的培养来说是这样.因此,我们的实验教学的目标应有新的定位,不要把有限的教学时间都放在很快就会被遗忘的具体知识内容上,而应该更多地考虑那些有长远意义的教育内容.

二、科学检测说方法

是"根据已有的科学理论和新的科学事实对所研究的问题做出猜测性陈述并加以验证的一种科学研究方法".作为一种科学检测说,它必须能说明和解释对象已知的事实；能解释原有理论无法解释的事实,并把原理论作为一个特例包含在自身之中；要使新检测说比原理论更具逻辑简单性；并且新检测说往往还能演绎出新的结论并能通过（判决性）实验加以检验.检测说的提出,既要有一定的经验基础,包括关于研究对象的某些经验事实或其它方面的信息,又要有直觉、灵感等非理性因素的作用.检测说是使物理学从经验上升为理论层次的相似度检测和桥梁,是物理学发展的重要形式.惠更斯的光的波动学说、安培的分子电流检测说等都是科学检测说的典型.又如普朗克在研究"黑体"辐射时提出了"量子"检测设,但他的检测说只限于光与其它物质发生作用时的特性；而后,爱恩斯坦在解释光电效应时,进一步提出了"光量子"检测说,把"量子"检测说向前推进到了光的传播过程中；玻尔更把这种检测说引入原子领域,建立了量子力学,从而使物理学跨入了一个全新的时期.这个事例生动地注释了"科学检测说是科学发展的主要形式"这一论断. 在进行科学检测说方法教育时,要特别注重揭示新的事实与旧的理论之间的矛盾.如卢瑟福核式模型的教学过程中,要充分展示α粒子散射实验的结果,要分析实验结果与汤姆逊的"枣糕"模型的不相容的特点,这才能使学生体会到卢瑟福的核式模型的并非是一般猜想,而是建筑在实验事实基础上的一种科学检测说.在高中物理教学过程中,要注意给学生创造根据实验结果来推测理论的机会,这既可以活跃课堂气氛,又可以使学生体会怎样根据事实来进行理论构思.

三、理想化方法

这是"运用理想模型在思维中排除次要因素的干扰,从而在理想状态下进行计算和推论的方法".理想化是个总概念,其中有理想化模型、理想化过程、理想化实验.理想化方法,是物理研究能够得以进行的一种重要方法,因为任何一个事物或现象都不是孤立的、单一的,它们总是多样性的统一,并总是与其它事物有着错综复杂的联系,如果我们在研究某些特定的问题时,要顾及所有的因素,那么就只能一事无成.可以说,没有理想化方法,就不会有今天这样完美的物理学.在高中物理教材中,理想化模型、理想化过程、理想化实验是经常出现的一种方法,如伽利略的斜面实验就是用理想化方法研究自由落体运动的经典,理想气体状态方程的建立又是对气体运用理想化方法（模型）的结果,其它诸如质点、匀变速运动、单摆、点光源、薄透镜、点电荷、理想变压器等等,无一不是理想化方法在物理研究中的运用.在教学中,关键在于要让学生了解,为什么要作理想化处理,由此带来的结果是什么,以使学生能体会到理想化方法的作用.

四、等效方法

是"在保证某些特定方面效果相同的前提下,用理想的、熟悉的、简单的事物代替实际的、陌生的、复杂的事物进行研究的方法".等效方法,是一种在科学研究中的实际操作方法,这种操作贯穿在所有的研究过程中,它的核心是"保持某些特定方面效果相同".在中学物理中,每一个概念的归纳,每一条规律的得出,无不涉及到等效方法.如物体重心概念的提出,就是一种等效,"合力"、"分力"也是一种等效,气体的状态变化过程可以进行等效变换,用特殊变化过程替代任意变化过程,电学中的等效电路,电磁感应中的等效切割长度均出于等效思想.、

物理学的发展史,就是一部生动的与天斗、与人斗的历史,与天斗需要方法、能力.在研究与解决科学问题过程中要善于运用方法,让学生能够体验科学方法在研究中的重要作用与价值,从而实现物理教学事半功倍的效果.