以方法为主线的物理教学

刘霁华（江苏常州市第一中学） 选自《物理教学》2008年第8期

长期以来，我们的物理教学都是以知识体系，即以知识为主线来实施课堂教学。物理教学中知识与方法是不可分割的，新课程改革提倡在物理教学中既要重视知识，又要重视方法。但笔者认为，在当前的物理教学中，物理方法教育并没有得到应有的重视，教学过程中“方法教育”较多的采用“隐性”方式，所谓隐性方式指“用反映科学认识基本过程的科学方法的一般程式去组织对科学知识的概念、规律、原理的教学过程，使学生的认识过程模拟科学过程。但教学过程中并不明确地去揭示所采用的科学方法一般程式的原理、各阶段具体方法的名称和有关知识”。那么怎样在课堂教学中体现“显性”方式的物理方法的教学呢？所谓显性方式指“进行科学方法教育时，明确指出这种科学方法的名称，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。教师公开宣称进行科学方法的教育，学生处于有意识地接受科学方法知识的状态”。笔者认为，有些物理内容可以按照物理学的方法体系来展开教学，即以“方法”主线进行课堂教学。

下面以人教版高中物理实验教材（3—4）简谐运动一节为例来说明这种教学模式的展开过程。本节内容与过去相比有了很大的改动，不再以动力学方法（F=-kx）来定义简谐运动，而是像其他运动形式一样从运动学的概念出发来定义简谐运动。

1．导入新课

教师简述：前面我们学习了匀速运动、匀变速运动、平抛运动及圆周运动等运动形式，今天我们来研究一种新的运动形式。

教师演示：敲击音叉（听），并引导学生观察与音叉接触的小球（看），观察挂在竖直弹簧下的钩码的振动及摆球的摆动。

师生归纳：机械振动的定义、振动物体对平衡位置的位移两个概念。（多媒体出示相关的幻灯片）

2．新课教学

（1）物理研究方法之一：理想化模型的方法

提出问题：怎样研究机械振动？回忆我们研究直线运动时曾用过哪些方法？

教师归纳：我们提出了质点的概念，并且首先从匀速运动开始研究，这体现了物理学忽略次要因素，突出主要因素，由简单到复杂的研究方法。这是物理研究方法之一：理想化模型的办法。

教师演示：气垫导轨上的弹簧振子，分析如果忽略一切阻力及弹簧的质量，这也是一个理想化模型——弹簧振子。（逐步展示如图1的幻灯片）

（2）物理研究方法之二：图像法

教师简述：在研究匀速运动时，我们可以用公式（x＝vt）和图象（x－t图）来表示其运动规律，弹簧振子振动时平衡位置的位移x也在随时间t变化着，我们今天首先用图像法来研究其运动规律。这是物理研究方法之二：图像法

提出问题：要得到弹簧振子的位移——时间（x－t）图像，必须测出位移x与时间t的一系列数值，怎样测量？

师生讨论：教师启发引导学生回忆过去的研究方法，得出：方案一：频闪照相法（多媒体展示图2幻灯片，教师简述其获得过程及得到的数据）

学生探究：按幻灯片图2的数据，在事先准备好坐标纸上描点得到弹簧振子的位移－时间（x－t）图像。

学生探究：指导学生按照图3（书本上练习2），两人合作，模拟振动图线的记录装置，教师引导学生讨论：

（1）振动图像什么方向是位移x轴？沿什么方向是时间t轴？

（2）为什么要求匀速拉动纸带？

（3）多媒体展示图4，分析其中的两幅图像（书本上图11.1－5图11.1－6），得出：方案二：仪器记录法

教师演示：用DIS位移传感器记录并显示出气垫导轨上弹簧振子的（x－t）图像。得出：方案三：传感器记录法（条件好的学校可以给学生提供这个方法）

（3）物理研究方法之三：猜想与验证

提出问题：多媒体出示幻灯片图5，提出这两幅是分别用上面图2的数据描点和直接用频闪照相获得的弹簧振子的x－t图像，它们可能是什么规律曲线？请学生做出猜想。

教师简述：猜想必须经过科学的验证，才能得到承认，并指出这是一种重要的研究方法，物理研究方法之三：猜想与验证。

学生探究：教师指导学生按照下面的表格对图5中下面的一幅用频闪照相获得的振动图像（书本中图11.1－2）选择几个特殊点进行验证，并对结果进行讨论。（将图像中的一个周期进行12等分，先测出振幅A，测量位移时应该以小球的中心为准）

提出问题：特殊点的验证是不够的，怎样进行多点的验证呢？

教师演示：将方案一（图2）的数据输入Excel，进行正弦函数的拟合。由于Excel并没有提供正弦函数的拟合公式，所以我们要在Excel表格中新建一列数据：“t的余弦函数值”，因此要在C列输入公式：（一20）*COS（2*3.14*A2/1.32），其中20是振幅，1.32是周期，算出对应的值。同时选定A、B、C三列数据，用工具栏的图表向导进行拟合，如图6可以看到位移x与“t的余弦函数值”两条图线很好的吻合。（Excel中事先输入猜想的函数，再将其与测量的数据进行图像的拟合，从而得到函数关系，是一种有效的拟合方法，因为Excel只提供了线性函数及多项式的拟合，其他则需要我们自己输入函数）。

教师简述：通过特殊点验证及函数的图线拟合。证明弹簧振子的位移时间关系是正弦函数关系，我们的猜想是正确的。提出简谐运动的定义。

3．总结

全课教师引导学生回顾本节所学的知识要点及所采用的物理方法。

4．案例评析

以方法为线索将学生的认知过程与探究过程加以链接，可以看出两者在本质上是统一的。在本节课里，方法与知识的链接关系如图7。

学生在学习物理知识的同时又学习了物理方法，物理方法作为课堂教学的线索不是生硬的强加入课堂的，而是课堂教学内容不可或缺的一部分，与知识的掌握过程是一个有机的整体，与师生的探究活动也是一个有机的整体。这种从一个个有意义的方法出发，进而探究、解决问题，做到学方法、用方法，在知识掌握的同时实现了方法的掌握的教学方式，即为“以方法为主线的物理教学”。这种教学过程中知识与方法的地位是等同的，体现了“显性”的物理方法教育的形式与本质。教学设计别开生面，很有新意。

5．实施原则

实施以方法为主线的物理教学的一般程序为：提出问题→探索方法（思考设计、类比迁移）→应用方法（知识与方法的领会）→解决问题（知识与方法的获得）。与所有教学方法一样，这种教学方法不是普遍适用的，教学中除了要关注教材、学生这两方面因素做到“因材施教”外，还应该注意以下几个原则：

（1）正确把握物理学方法体系的原则

物理学包含着丰富的科学方法，它既表现在知识的结构上，也表现在这些知识结构的建立过程中。总的说来有：物理方法、数学方法、逻辑方法与哲学方法。其中物理方法主要包括观察、实验、假说、模型、理想化、等效、模拟、对称、守恒、叠加、隔离、平衡、放大、控制变量等。数学方法作为一种工具，在表达物理规律、处理物理问题中有着不可或缺的作用，如概念定义常用比值法，实验数据处理常用图像法等等。逻辑方法包括比较、分类、类比、推理、分析、综合、归纳、演绎、抽象、概括等。物理学中的很多规律，如牛顿运动定律、法拉第电磁感应定律等，都是以实验和事实为基础，运用分析、综合、推理和归纳的方法总结出来的。哲学方法包括对立统一、量变质变、肯定否定、绝对相对、现象本质、形式内容、特殊一般、原因结果、部分和整体等。如光的波粒二象性，就是用对立统一方法认识光的本性。教师必须正确把握这些科学方法体系，才能在课堂教学中实施这一教学方法。

（2）合理创设方法主线的原则

要体现“显性”的物理方法教育的形式与本质，关键是设计好方法这条线索。物理学的知识体系与方法体系是密不可分的，在设计方法主线时一定要体现“方法是线索，知识是载体”这一原则，即方法不能脱离知识，不能脱离课堂教学内容。对教材进行方法论分析是最重要的准备工作，教师只有发现教材中隐含的和外显的物理学方法教育因素，才能结合学生实际，考虑怎样在教学过程中进行方法教育。对教材进行方法论分析有二步：一是结构分析，教师要先分析这一单元教材的知识与方法结构。二是思路分析，对概念，规律或习题所包含的知识与方法按教学程序进行合理编排，导出思路。例如在原子物理教学中，通过对教材结构分析，可以得到原子物理发展就是不断地用新的模型取代旧的模型，逐步逼近真实的过程。我们可提出实验→假说→新实验→新假说这种科学方法作为我们教学的线索。

（3）与科学探究过程相结合的原则

科学探究的方法是新课程倡导的重要的物理方法。模拟物理学家的探究过程是实施以方法为主线的物理教学的最重要的方面，也是方法教育的意义所在。物理学家探究过程有常见的两种方式：第一种是实验归纳法。大体顺序是问题→假说→实验→分析归纳→结论→验证→科学理论。第二种是演绎验证法。大体顺序是问题→演绎→结论→验证→科学理论。中学物理教材中有不少是基本吻合这两种科学探究过程的，可以以此为主线模拟科学探究过程，实施方法教育。

发布时间：2009/5/14 上午10:24:02  阅读次数：8873