大學物理教學中的常用科學方法

黃 熙，張隆洋

(1. 武漢紡織大學 電子與電氣工程學院,湖北 武漢 430073;2.黃石五中,湖北 黃石 435000)

大學物理教學中的常用科學方法

黃 熙1，張隆洋2

(1. 武漢紡織大學 電子與電氣工程學院,湖北 武漢 430073;2.黃石五中,湖北 黃石 435000)

針對目前學生學習大學物理的現狀和認識上的誤區，探索了大學物理教學中所涉及到的科學方法，教學活動。教師運用好這些方法可培養和激發學生對《大學物理》和其它自然科學學習的興趣，也有利于提高學生的科學素養。

大學物理;教學;科學方法

0 引言

《大學物理》是高等院校理工科各專業的一門必修課。通過這門課程的學習，可以培養學生思考問題時思維的嚴謹性，可以提高學生分析問題的邏輯推理能力;從而使學生具備一定的科學素質和人文素養。該課程所論及的科學思想和方法，在自然科學、工程技術、經濟與社會科學等領域中具有廣泛的應用。然而在實際的教學中，我們發現許多學生認為大學物理的內容與中學物理差不多，甚至認為大學物理僅僅是中學物理的簡單重復，這樣很容易走進一個認識上的誤區[1]，以至于學習大學物理興趣不高，甚至“無用論”，這也是導致大學物理“掛科率”高的主要原因之一。基于目前這種“無用論”，本文重點討論在大學物理教學中所用到的科學方法。

1 極限法

2 微積分的“以直代曲”法

3 分離變量法

4 旋轉矢量法

旋轉矢量法對于研究簡諧運動和簡諧波問題帶來了很大的方便[5]。在旋轉矢量圖上，不僅可以簡單明了確定作簡諧運動的物體的位移x，而且還能確定它的速度v和加速度a，為我們提供了一幅直觀而清晰的簡諧運動圖像，而且一目了然地弄清相位的概念和作用，對進一步研究簡諧運動的合成帶來了方便。

5 模型法

在物理學中，有許多理想化的物理模型，這些模型都是經過科學抽象形成的，目的是為了突出研究對象的主要性質，暫不考慮一些次要的因素。比如質點，就是忽略物體的大小和形狀對物體運動的影響，而當作是一個具有質量的點。再比如剛體，就是考慮如果在外力作用下，物體的形狀和大小不發生變化，也就是說，物體內任意兩點間的距離都保持恒定，這種理想化的物體[3]。還有在熱力學中，為了推導理想氣體的壓強公式，我們首先建立了理想氣體的微觀模型，把理想氣體看成是由大量的不斷作無規運動的、本身體積可以略去不計的、彼此間相互作用可不予考慮的彈性小球所組成。在討論自由度概念時，我們引入了剛性雙原子分子(“啞鈴式雙原子分子”)和非剛性雙原子分子(“非啞鈴式雙原子分子”)等理想模型。

6 從特殊到一般歸納推理法

所謂歸納推理，就是從個別性知識推出一般性結論的推理，或者由某類事物的部分對象具有某些特征，推出該類事物的全部對象都具有這些特征的推理，是從部分到整體，從特殊到一般的過程。該方法在許多學科都有應用[6]。比如，在電磁學中，電場高斯定理、磁場的安培環路定理的推導，都用了這種方法[3]。

7 猜想法

猜想是對研究的對象或問題進行觀察、聯想、類比等，是依據已有的材料和知識做出符合一定的經驗與事實的推測性想象的思維方法[7]。物理學家牛頓曾經說過：“沒有大膽的猜想，就作不出偉大的發現。”，可見，猜想可以培養我們探索自然界奧秘的能力，可以激發創新思維。在電磁學中，物理學家麥克斯韋提出了“有旋電場”(變化的磁場可以產生電場)和“位移電流”(變化的電場可以產生磁場)兩個假設，從而建立起了完整的電磁場理論，并預言了以光速傳播的電磁波的存在。在量子力學中，正是物理學家普朗克大膽提出了“能量子”假設，從而解決了黑體輻射中的“紫外災難”問題，揭開了量子力學發展的序幕；正是物理學家愛因斯坦提出了“光量子”假設，從而從理論上成功說明了光電效應實驗規律，也因此獲得了“諾貝爾物理學獎”。

8 量綱分析法

9 對比法

所謂對比法就是把相近、相似、相對的概念、規律、研究方法進行對比，找出它們的共性和個性差異[8～9]。對比法在大學物理教學中應用得非常之多。下面我們就從物理概念、基本規律、研究方法三個方面進行說明。

9.1物理概念上的對比

物理概念是否清晰，對運用物理規律至關重要。很多物理概念具有可比性，比如，表1給出了靜電場與感應電場的對比：

表1 靜電場與感應電場的對比

表2給出了傳導電流與位移電流的對比：

表2 傳導電流與位移電流的對比

表3給出了機械波與電磁波的對比：

表3 機械波與電磁波的對比

還有振動與波動，簡諧波與駐波，干涉與衍射，牛頓絕對時空觀與愛因斯坦相對時空觀。

9.2物理規律上的對比

為了更好理解剛體的定軸轉動，我們可以將剛體力學與質點力學進行對比，我們發現只要將一些物理量進行替換，剛體力學所有公式與質點力學公式，在形式上一模一樣，詳細可以參考馬文蔚改編《物理學》(第五版)上冊[3]P127表4-3質點運動與剛體定軸轉動對照表。再比如，我們可以將靜電場與穩恒磁場進行對比：

表4 靜電場與穩恒磁場的對比

除了上述對比外，還有電偶極子與磁偶極子，電介質與磁介質同場的相互作用。通過這些對比，我們可以清楚看到靜電場與穩恒磁場本質上的區別以及相似的地方。當然，還有些規律它們之間沒有什么聯系，但是數學表達形式是一樣的，比如庫侖定律和萬有引力定律。

9.3研究方法上的對比

在熱力學中，熱力學基礎這部分內容根據實驗經驗總結，給出了宏觀物體熱現象的規律，它是對熱力學的宏觀描述，其特點是具有可靠性，但是“知其然而不知其所以然”；氣體動理論這部分內容以氣體分子的熱運動為研究對象，應用模型假設和統計方法，揭示宏觀現象的本質，它是對熱力學的微觀描述，其特點是有局限性，與實際有偏差，不可任意推廣。這兩種研究熱力學的方法相輔相成。

通過上述的討論，我們看到，通過對比可以使學生深刻地理解物理概念、規律、方法的本質，了解它們之間的聯系和區別，同時也可以培養學生的歸納總結、分析綜合能力。

10 結束語

以上我們討論了極限法、微積分的“以直代曲”法等9種科學方法，當然大學物理教學中所涉及的方法遠遠不止這些。對科學方法的探索，有助于激發學生對自然科學學習的興趣，有助于開展高等教育改革所必須的素質教育和培養學生的創新意識和科學素養。

[1]黃 熙.如何做好大學物理與中學物理教學的有效銜接[J].湖北師范學院學報(自然科學版),2013,(4):104～108.

[2]同濟大學數學系.高等數學第六版上冊[M]. 北京：高等教育出版社,2007.

[3]馬文蔚.物理學(第五版)上冊[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[4]金向陽, 陳飛明.大學物理學 上冊[M]. 北京: 科學出版社,2013.

[5]馬文蔚.物理學(第五版)下冊[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[6]潘金元.在生物學教學中引導學生利用歸納推理法建立數學模型[J].生物學通報,2010,45(8):35～36.

[7]錢常寶.高等院校數學課堂教學中“數學猜想法”的運用[J].河西學院學報,2007,23(5):107～110.

[8]對比法在物理教學中的應用[J].齊齊哈爾師范高等專科學校學報,2007,98(4):129～130.

[9]韓德培.物理教學中的對比法[J].華中師范大學學報(自然科學版),1992,26(4):529～532.

[10]陳飛明,金向陽.大學物理學 下冊[M]. 北京: 科學出版社,2013.

Thecommonscientificmethodintheteachingofuniversityphysics

HUANG Xi，ZHANG Long-yang

(1.School of Electronic and Electrical Engineering，Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China;2. Huangshi No. 5 Middle School，Huangshi 435000，China)

Aim to the current situation and misunderstanding on the study of university physics, we explore the scientific method involved in the teaching of university physics, which can cultivate and stimulate the students' interest of natural sciences and improve the students' scientific accomplishment.

university physics; teaching; scientific method

2013—12—24

湖北省教育科學“十一五”規劃2009年度教育信息化專項研究課題(2009B453)資助

黃熙(1981— )，男，湖北大冶人，講師，在讀博士，主要從事大學物理教學.

G642.4

A

1009-2714(2014)02- 0111- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.026