科學研究方法教育在學科競賽中的應用

劉永愷 武嘉

摘要：物理學是集實驗、理論、應用、思想、方法為一體的自然科學，在物理學發展過程中蘊含了大量的科學研究方法，這些方法被人們所繼承、發揚，極大地推動了科學的發展和進步。科學研究方法教育往往是我們教學過程中容易忽視的關鍵環節。文章以大學生物理學術競賽為例，結合學生參加競賽經驗、論述科學研究方法在大學生學科競賽中的重要應用，指出尋找和應用科學研究方法對啟發大學生智慧和創新具有的重要意義。

關鍵詞：科學研究方法;學科競賽;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0050-02

物理學的發展過程伴隨著科學研究方法的應用和演化。縱觀高中和大學物理課程，每一個定律或定理的發現，無不體現著物理科學家對科學研究方法的成功應用。學生在學習物理知識的同時，更應注重科學研究方法的學習和應用。在學生學習和教師教學過程中，方法論往往是被我們輕視的一步，教學成了實踐到認識的簡單過程。但是從培養學生創新成才的角度來看，尋求和應用科學研究方法的過程就像福爾摩斯探案一樣，往往是引起學生興趣的部分，對啟發大學生智慧和創新具有重要意義。這也是許多大學進行探究性教學改革的重要原因。

科學研究方法的學習，除了課上和做實驗時多問幾個為什么，最好的途徑就是多參加科研實踐，如學科競賽。CUPT是一項以團隊對抗為形式的物理競賽，它以協同創新為根本理念，比賽題目新穎開放，其中有不少問題源自《科學》、《自然》這樣的旗艦綜合期刊，以及《物理評論快報》這樣的物理學頂級雜志。參加過競賽的學生，可以將研究中遇到的問題，通過物理思想和科學研究方法的合理運用，進行解決和拓展研究，感悟科學研究方法的精妙，培養創新意識，為將來從事科研工作打下堅實的方法基礎。

在物理學研究過程中，常用的科學研究方法有：觀察法、實驗法、數學方法、分析與結合法、理想模型法等。下面我們將結合指導第九屆大學生物理學術競賽的經驗，具體論述科學研究方法在物理學科競賽中的具體應用，探究科學研究方法是怎樣幫助我們解決物理難題的。以此為基礎進行科學方法教育。

一、控制變量法

在我們課堂學習研究電流與電壓、電阻關系時，曾用此方法得到歐姆定律。

在CUPT的題目中，第3、4、7、10題等要求研究相關參數對實驗結果的影響，如第4題海倫噴泉研究相關參數是如何影響水柱高度的，這里的相關參數包括高度差、導管的管徑、噴嘴口的直徑、盛水容器的體積等，對于這樣的多變量問題，在研究時則需要應用控制變量法控制其他參數不變，對每一個參數分別進行探究，以實現題目的要求。另外，在進行正式實驗之前應進行預實驗，排除無關變量，并且確定其他變量的范圍，減少實驗的工作量，提高實驗效率。同時，還要注意同一個實驗的組數要盡可能多，這樣才可以得出有說服力的結論，能夠更好地與理論進行比較，少量的實驗（三四組）是不能夠支撐結論的。可見，控制變量法在學科競賽中的應用是很廣泛的，是在實驗探究中主要采用的方法，我們應該熟練掌握。

二、理想模型法

物理是一門喜歡用模型來闡明復雜現象和本質的學科。理想模型法是深入探索物理規律解決復雜物理機制的一種重要方法。

在大學生物理學術競賽的題目中，主要有第3、4、5題等采用了理想模型法。在第3題跳舞的硬幣中，我們構建了一個熱量傳遞的理想熱學模型，忽略了瓶內氣體的熱對流，將瓶內氣體看作是溫度均勻的，以及將水膜看作硬幣一跳起時即破裂，不去研究水膜破裂這一復雜的問題，忽略水膜破裂時機的不可確定性對本題所描述的物理過程的影響。這樣我們就可以對熱量傳遞進行定量計算，得出定量的理論分析，求得硬幣跳起的時間間隔，同時，在研究硬幣的跳起高度時，硬幣跳起后瓶內氣體向外溢出形成氣流，此時看作理想氣體，應用伯努利方程進行分析，運用了理想模型法，則可以定量地求得硬幣的跳起高度。這樣理論分析后的結論，能夠更準確地與實驗結果進行比較。同樣，在第4題海倫噴泉中，應用伯努利方程進行分析，忽略B、C瓶之間的壓強差、動壓的影響和水頭損失，能夠得出理想的噴泉高度，對后續的實驗起到一定的指導作用。

應用理想模型法，要抓住問題中影響的主要因素，需要忽略次要條件，進行近似，但這些近似要有一定的理論基礎，不能憑空忽略，并且要與實驗結果進行比較，之后需要對理論進行修正，才能得到完整的理論分析。理想模型法在競賽中是很重要的，構建模型后可以進行定量的理論分析和計算，否則只能定性分析，研究得不深入，如果不構建理想模型，對所有的因素都進行分析，則很難進行下去。理想模型法，其實就是將因素進行主次之分，主要因素構建模型，再根據實驗現象對理論進行修正。

三、實驗法、假設法、類比法

實驗法在學科競賽的每個題中都有應用，物理問題要從實驗出發，最終再回歸到實驗上，在研究過程中，需要通過一定的手段、方法，不斷進行改進和創新，建造出現象穩定明顯的裝置，一方面是便于觀察現象，為理論分析提供思路和多種角度，另一方面通過定量的實驗能與理論進行比較，檢驗理論的正確性。同時與假設法相結合，通過預實驗觀察到一些現象，需要利用學過的基礎知識，進行大膽的猜想，做出推測性的解釋，這能夠為理論分析提供思路，幫助我們進行更深一步的探究。

在CUPT的第四題中應用了類比法，我們使用了一種簡單的噴泉裝置進行預實驗探究，這種簡單的噴泉裝置和海倫噴泉都是由于壓強差才形成噴泉的，通過預實驗得出了可能會影響海倫噴泉高度的影響因素，對實驗有指導意義。

以上是我們對參加本次競賽過程，采用科學研究方法的總結。其實在競賽每一題的探究過程中，各種科學研究方法并不是孤立存在的，而是處于密切的相互聯系中，比如第四題就用到了實驗法、控制變量法、理想模型法、類比法，第3題綜合運用了理想模型法、控制變量法等，可見，科學研究方法的綜合運用在學科競賽中是十分重要的。

在學科競賽過程中，我們發現運用物理科學研究方法能夠培養學生的科學思維能力和創新能力，使學生真切地體會物理學研究方法的一些具體應用，使學生受到抽象思維、嚴格的邏輯思維和創造性思維的訓練。學生們學會了如何利用課堂上學過的基礎理論，運用物理科學研究方法逐步地、由淺入深地進行分析研究，探究物理學術問題，提高了學生的學習、分析和解決問題的能力，為以后從事科研工作打下了良好基礎。

通過學生本次競賽優異成績的獲得，堅定了我們教師在教學或競賽指導中對學生進行科學研究方法教育的決心，讓學生在尋求和應用科學研究方法的過程中，體驗探究的樂趣。

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