以科學方法引領初中重點物理知識的教學

高 飛 邢紅軍

1.北京市第九中學初中部 北京 100041

2.首都師范大學 北京 100048

以科學方法引領初中重點物理知識的教學

高 飛1,2邢紅軍2

1.北京市第九中學初中部 北京 100041

2.首都師范大學 北京 100048

采用知識與方法對應的方式，提煉初中物理教材中的科學方法因素，將科學方法作為知識的脈絡去組織教學，進行顯化科學方法教育。這種以科學方法引領重點物理知識的教學方式，能夠促進學生對知識的理解和應用，可以更好地發展學生的能力，有助于提升學生的科學素養。

物理課程重視科學方法，將科學方法納入物理課程體系。進行科學方法教育，是新課程改革背景下物理教學的應有之意。本文提出以科學方法教育引領初中重點物理知識教學，采用知識與方法對應的方式，提煉教材中的方法因素，將科學方法作為知識的脈絡去組織教學，進行顯化科學方法教育。

一、回歸“方法本質”，顯化科學方法內在邏輯

科學方法具有把不同的物理知識聯系起來從而形成知識結構的功能，它是理解知識的綱領和脈絡。進行科學方法教育的前提，就是要探尋方法的內涵，理解方法的本質。以初中物理重點知識密度、功等為切入點，分別顯化比值定義法和乘積定義法的內在邏輯，從而給初中物理科學教育以有益的啟示。

1.密度——比值定義法

在初中物理教學中，比值定義法是定義物理概念常用的方法之一。它適用于物質屬性或特征、物體運動特征的定義，利用一個只與物質或物體的某種屬性特征有關的兩個或多個可以測量的物理量的比值來確定一個表征此種屬性特征的新物理量。

密度是初中物理的重點內容之一，通常的教學設計采取測量出幾種不同物質的質量和體積，記錄數值，然后分別計算出質量和體積的比值，最后分析數據得出“同種物質的質量和體積之間的比值是恒定的，不同物質的質量與體積之間的比值是不同的”的結論，從而引入密度的概念。但是這樣的設計，忽視了比值定義法運用中的一個關鍵問題——為什么要用兩個物理量相比來定義一個新的物理量。這一種處理的缺陷在于并沒有揭示出比值定義法的本質。

實際上，比值定義法本質是比較的思想，這種思想在日常生活中早有體現，所以可結合生活實際，揭示比值定義法的實質。可以這樣進行設計：“媽媽買了8斤蘋果，花了17.6元錢；爸爸花了22.5元買了9斤香蕉，小明想知道是蘋果還是香蕉貴？你會怎么辦？”學生會直接想到計算出每斤的售價，即價錢與重量的比。而進一步思考，就是在相同的標準下再做比較。受到這樣的啟示，對于解決“不同物質的質量與體積的關系”問題就要選取相同的標準，自然想到要計算出質量與體積的比值，即比較單位體積的質量；計算后發現：不同物質，比值不等，相同物質比值相等。為描述物質的這種屬性，引入了密度的概念。

2.功——乘積定義法

乘積定義法是用幾個物理量的乘積定義一個新的物理量，其中相乘的幾個物理量均為被定義物理量的決定因素，這種方法所定義的物理量與其他各物理量都有關系，并會隨著其他各物理量的變化而變化。

功是乘積法定義的一個典型例子。多數教學往往從一些生活情景中找出具有共性的決定因素，發現如果在力的方向上有移動距離，這個力就對物體做功；而對于力和在力的方向上移動的距離這兩個物理量，相加或相減顯然量綱上不允許，相除與效果矛盾，所以就將力與距離的乘積定義為功。但對于為什么相乘，卻欲言又止，說不清楚。

究其原因，是在教學中沒有強調乘積定義法的內涵。追溯其本質，還要起源于數學上的乘法運算，相同的數據累加起來的和可以用這個數乘以出現的次數，乘積體現的是一種累積的思想，所以，乘積定義法本質上是一種積累效應，這種積累可以是任何物理量的積累，可以是其對時間的積累或是在空間上的積累，具體到功是力對空間的積累。這種積累效應，如果用數學來衡量，不只簡單表現于宏觀上看似一個物理量在另一個物理量上的直線變化，也不是坐標圖上某一點的累計，而是它帶動的整個平面面積的擴大。

力對空間的積累效應，從物理學的角度認識，是人們在認識能量的歷史過程中，建立了“功”的概念，如果一個力對物體做了功，物體在力的作用下就會發生能量的變化。這種積累，也是能量的一種蓄積，是從量變到質變的過渡過程。

二、關注“知識生成”，顯化知識獲得路徑

科學方法不僅是理解物理知識的綱領和脈絡，而且它還是獲取物理知識的途徑和手段，根據科學方法中心的知能結構圖，物理知識的獲得途徑為：實驗事實→科學方法→物理知識（概念、定律等）。顯然，只有通過科學方法的參與，才能使客觀存在的物理知識上升為理論形態。科學方法的顯性教育，更能揭示科學方法的本質與科學方法的操作過程。顯化物理知識的形成過程，就是基于科學方法中介的認識路徑。

1.液體內部壓強規律——演繹推理法

所謂演繹推理法就是指人們以已知的客觀規律為依據，推知未知規律的方法。是由一般到個別的認識方法。比如液體內部壓強規律就是運用演繹推理方法推導得到的物理規律。取液體內一圓柱形液柱作為研究對象，當液柱靜止時，由二力平衡得到，下表面受到的向上的壓力F與液柱所受的重力G的大小相等，即F＝G（大前提）,又壓力F＝pS，重力G＝ρgSh（小前提），得到p＝ρgh,計算液體內部壓強大小的計算公式（結論）。

在教學中可以采用如下的顯化方式，讓學生對知識和方法有較深刻的認識：理想液柱 二力平衡（F=G）→演繹推理法(F=PS,G=ρgSh,等量代換)→液體內部壓強規律p＝ρgh。

另外，教學方式要同學生的不同認知發展階段恰當配合，才可收到較好的教學效果。根據皮亞杰的認知發展階段論，初中學生處于具體運算階段向形式運算階段的過渡階段，這個階段的少年，能夠借助具體形象進行邏輯推理，但還不能從邏輯上考慮現實情景，所以現階段的演繹推理是在教師具體抽象的前提下進行的，如本例中的“取液體內一圓柱形液柱作為研究對象”。

2.阿基米德原理——猜想驗證法

結合生活實際進行合理猜想，設計實驗實施科學驗證，再經分析最終得到科學結論，這種研究問題的方法就是猜想驗證法，有些重點規律都是由猜想引起，并通過實驗驗證得出的。

浮力是初中物理力學中的重要概念，“阿基米德原理”是測定物體在液體中所受浮力大小的基本原理。下面以“阿基米德原理”為例，來談學習猜想驗證法的顯化途徑。

教師首先創造問題情景，并提出“浸入液體中的物體受到的浮力與哪些因素有關？”學生結合生活中的現象進行合理猜想：根據生活中游泳的經驗，猜想浮力大小可能與物體的體積、物體浸沒的深度、液體的密度有關；根據曹沖稱象的故事猜想到可能與物體排開液體的體積有關；根據石頭和木塊一同落入水中時，常常見到石頭沉底而木塊漂浮，猜想浮力大小可能與物體的密度有關；又可以繼續猜想到浮力大小是否與物體的形狀有關等。

多個因素都可能對浮力大小有影響，就必須設法把其他的因素人為地控制起來，保持不變，只改變剩下的一個因素，從而知道浮力是否與所改變的因素有關，也就是所謂的“控制變量法”。經過驗證，影響浮力大小的因素有液體的密度和物體排開液體的體積，而兩者結合起來可以計算物體排開液體的質量（重力），進一步猜想到浮力的大小是否等于物體排開液體的重力，設計實驗，收集物體排開的液體，經測量可發現：浸在液體中的物體受到的浮力等于它排開液體所受的重力。教師繼續揭示，這就是著名的阿基米德原理，也同樣適用于氣體。

三、注重“遷移應用”，顯化科學方法教育功能

一個方法對應于很多知識的獲得，那么，就可以應用已學習的科學方法去研究那些尚未研究過的事物，進行有效的遷移，即運用科學方法合乎邏輯地推導出新知識，彰顯科學方法的教育功能。既讓學生在運用中感受到科學方法的邏輯力量，也加強他們發展知識的能力，為提升科學素養和創新精神奠定基礎。

比值定義法：在壓強、功率、電流等概念的建立中采取的都是這樣的方法。應用比值法定義的物理量，依據其意義的不同，還有兩種類型：一類是兩物理量的比值是個常數，如電阻、密度等，比值反映的是物質的性質，與兩個物理量都沒有關系；另外一類基于控制變量的思想，如壓強、速度、功率、電流等，比值反映的是效果，受兩個物理量的影響。但無論哪一類，其本質都是取相同的標準進行比較。

乘積定義法：力在空間的積累被定義為功，在時間上的積累就是沖量；電功、電熱、熱量等概念采取的都是乘積定義法，是電流在時間積累的不同效應。但以上不同物理量的共同特點，都是過程量，本質上是一種積累效應。

演繹推理法：如在推導連通器原理時，取容器底部一理想液片，根據平衡分析左右兩端壓力相等F左＝F右，利用F=pS，導出壓強相等(P左=P右)，再依據P=ρgh，得到“裝有同種液體時液面總相平”的結論；再如，串、并聯電路電阻關系，以并聯為例，用如下的演繹過程更能顯化演繹推理法的邏輯力量：

猜想驗證法使用的頻率更高一些，在探究影響串并聯電路的電流、電壓、電阻的關系；影響電磁鐵磁性強弱的關系；液體壓強的影響因素；杠桿平衡條件；影響蒸發的快慢的因素；影響動能、重力勢能的因素都有體現。提出合理的猜想后，在驗證過程中，常常體現出多種科學方法的交叉應用，如會用到控制變量法確定研究方案，對實驗結果進行分析綜合，利用歸納法得出結論，等等。

四、結束語

在課堂教學中，教師的教學重點應當是把握科學方法這條主線。不論是概念教學還是規律教學，都要牢牢抓住科學方法，以重點知識的教學為切入點，進行科學方法的顯化教育，并在其他新知識的教學中有目的地實現科學方法的有效遷移，將科學方法的掌握植根于每一個物理知識的獲得過程中，從而讓學生感覺到科學方法教育的真實性和實在性，這樣既能加深對物理知識的把握，又能落實科學方法教育。

[1]邢紅軍，陳清梅.論中學物理教學中的科學方法教育[J].中國教育學刊，2005，8

[2]陳清梅，邢紅軍，李正福.論物理課程改革背景下的科學方法教育[J].課程?教材?教法，2009，8

[3]胡衛平，孫枝蓮，劉建偉.物理課程與教學論研究[M].北京：高等教育出版社，2007

[4]張大均，郭成，余林.教育心理學[M].北京：人民教育出版社，2008

[5]王偉.“控制變量法”在初中物理教學中的應用[J].中國教育科研與探索,2008

2010-11-11

高飛，碩士，中教二級。邢紅軍，博士，教授，碩士生導師。

北京市教委人文社會科學項目“義務教育物理科學方法教育內容顯化的理論與實踐研究”（編號：SW200910028009）。