物理学科方法的层次性及其显性化的途径

张建奋

“物理学科方法”指物理学习和研究中，用到的具有物理学科特征的科学思维方法.尽管当前，科学方法教育已受到相当重视，但如何在教学过程中渗透这种方法，仍受到某些方面的制约，往往使方法被“泛化”，使学生对“方法”产生恐俱心理，直接影响学生对物理学习的兴趣.必须认识到“物理学科方法”是具有隐性知识特点，具有情景性，与受所处 “物理情景”的约束，具有难以规范化的特点，只有使“方法”的显性化，才能使物理教学彰显其学科的特征，呈现它的魄力与价值.

1 物理学科方法层次性的结构分析

物理科学是整个自然科学的组成部分，但物理学习有其自身的规律和特征.就方法本身来讲，从不同角度来讲，都离不开具体的情景和需要解决的问题.

本例的典型之处，是用弹力存在条件难以直接判断.弹力的存在的条件是：一是接触；二是物体发生形变.分析的难点是题目并没有告诉物体之间是否有形变（或挤压）.因此，直接用条件判断存在思维的障碍，分析方法的突破就是解题的关键.我们通常用“撤力法”或“加力法”去分析，本类型题的分析一般程序是（图2）：

以受力分析的方法为例，可能会运用到一般的科学思维方法如：“假定法”、“极端分析法”，物理学科方法如“理想实验”，而对应具体物理知识内容方法如“撤力法”或“加力法”等.在不同层次去分析，有不同的诠释.

在教学上，我们讲的“物体受力分析”有两重意义，首先是指考点（或者说知识点），某次指的就是指“方法”本身.就“方法”而言是存在一定的层次，第一层次的一般科学的方法，这是各个学科学习都会用到的方法，是人类知识和思维的一种集成；[TP1GW73.TIF，Y#]第二层次是物理学科的方法，是物理学科特有的，具有很强的学科特征.在物理学史上，伽利略的理想实验为经典力学的建立奠定了基础，标志着物理学的真正的开端；第三层次是物理学科相关内容的处理问题的方法.“物体受力分析方法”本身没有指明是哪种方法，而是具有情景性的.因此，教学中物理学科方法显性表达出来，才有利于培养学生掌握科学方法，促进学生创新思维.

2 物理学科方法显性化的途径

2.1 合理运用科学方法的“因素判定原理”，把物理学科方法显性表达出来

我国科学方法教育著名研究者张宪魁教授曾提出“科学方法因素判定原理”，他认为“在物理学知识点的建立、引申和扩展中，知识点以及知识点与知识点之间的连结处（可以把它叫做”键“）一定存在物理科学方法因素”. 这一“因素判定原理”是概念和规律教学中挖掘物理学科方法的极好工具.这一判定方法，若换成其它学科仍然适用，但对于物理学科本身来讲，是有其特殊的意义.

这一例子是“因素判定原理”典型应用.张教授认为“在速度-平均速度-瞬时速度概念建立过程中，在知识点以及知识点与知识点之间的连结处，在概念建立和发展中分别应用了近似、极限、微分等方法”.不过，如果单从物理学科方法角度去理解，速度到平均速度概念是用物理量“比值定义”的方法，而瞬时速度用的“极限法”实际蕴含着物理学科中“化曲为直”思想，或可称为“化曲为直”的物理学科方法，这在认识上是一个重要的思维飞跃.据说历史上莱布尼茨和牛顿各自独立发现微积分，也许在学科认识上两者是有一定差异的.

案例3 功的计算.初中阶段功的计算公式W=Fs，到高中阶段功的计算公式W=Fscosθ，还涉及到，恒力或变力做功问题，功的计算公式形式每一变化，都呈现物理学科方法的运用，也体现学科方法的特点（如图4）.

物理规律的运用，往往与特定的情景相联系.而这种情景对应于不同的物理模型.图4表明，在功的计算过程中，在每一种计算公式的演变，都对应不同物理方法的应用.

在教学过程中，要把物理的这种学科方法显性地表达出来，对提高学生理解和掌握物理规律有重要的意义.

2.2 在课堂教学设计环节中合理呈现物理学科方法，显性表达物理学科方法

案例3 2009年全国中学物理“名师赛”特等奖的《磁场与磁现象》.王老师设计制作教学器材-风力线的模拟.极好地处理了风力线的描述到磁场线的过渡.王老师的示教板设计用风的吹动布条，让学生思考如何去描述“风力”.以下是一段师生对话：

师：能不能告诉我风是怎么吹的？

生：是绕着圈吹的？

师：能不能用动作告诉我？[TP1GW75.TIF，Y#]

生1：手在空中比划，画了一个圈.

师：你能不能在黑板上画出？

生1：在黑板画了一个圈.

师：有谁不同意？

生2：还缺少方向.

……

教师画出分析比较（如图5），发现风对布条有力的作用，布条飘动的方向，反映出该位置风力的方向.同样，置于磁场中小磁针偏转反映出磁场的情况.学生再通过当堂实验，发现不同点小磁针的N极方向不同，反映出条形磁铁不同位置磁场方向不一致.

“力线”是物理学中的描述“场”的一种重要方法.而方法本身并不局限在某一知识点，因此，教师不厌其繁对“方法”进行显性化的处理，有其教学本身的意义，也是让学生掌握物理的本质.可以看出教师在设计教学过程中，整个教学环节把物理研究方法和教学内容有机结合起来，不是把磁场与磁现象结论直接灌输给学生，是在创设教学情景中，把物理的方法显性表达出来，这也和新课程的理念是一致的.教学本身是教师再创造的过程，教学过程不仅仅是使学生对物理知识内容本身的积累，更重要的是掌握物理学的方法与物理思想.

2.3 针对问题解决教学对方法进行指引，显性表达物理学科方法

案例4 如图6所示，竖直放置的轻弹簧一端固定在地面上，另一端与斜面体P连接，P与固定挡板MN接触且P处于静止状态.则斜面体P此时刻受到外力的个数有可能为

A.2个 B.3个 C.4个 D.5个

解这类题题目其实与案例1一样，学生往往还是凭“感觉”去认为有几个力，判断会出问题.学生一般知道老师教的受力分析方法，先确定研对象，分析顺序重力、弹力、摩擦力，但到了具体的情景就一筹莫展了.关键是处理问题的方法没有内化.本题关键是弹力和摩擦力有无，而弹力是摩擦力产生的条件之一，对于选择题用排除法就可判定，要么2个力，要么4个力.如果要去分析斜面有否压力的条件，只要看弹簧弹力与P物体重[JP3]力的大小关系，让学生画出受力分析图就可一目了然（如图7）.

案例5 如图8所示，平行板电容器在充电后不切断电源，此时板间有一带电尘粒恰能在电场中静止，当正对的平行板左右错开一些时

A.带电尘粒将向上运动

B.带电尘粒将保持静止

C.通过电阻R的电流方向为A到B

D.通过电阻R的电流方向为B到A

题目涉及到电容器的充放电.如何确定充放电方向是解题的关键.假设法是很好的方法.可从不同角度去分析.方法一：假设U不变.S↓→C↓→U不变→Q↓→电容器放电→电容器的正极流向电源正极（A→B）.方法二：假设Q不变.实际过程中电容器的C、Q、U都在变化，可先假设Q不变：S↓→C↓→因Q不变→U↑→电容器放电→电容器的正极流向电源正极（A→B）.

物理问题解决，是物理教学的一个重点内容.教学中要指导学生分析和解决问题的能力，就要在具体的问题情况中把方法显性表达出来.如解题时要学生画图，不仅是习惯，也是一种物理学科特有的一种方法，它有助于分析和解决问[TP1GW78.TIF，Y#]题.

2.4 实验教学中展示物理学科方法，显性表达物理学科方法

案例7 微小形变演示实验.如图9所示的实验装置，当用力挤压装满水的玻璃瓶，会看到细玻璃管内的水面明显变化（上升或下降）.这是利用细玻璃管内水面的变化来放大玻璃瓶的微小形变.实验的设计过程包含有很多的方法：

微小放大的方法在很多实验都有用到，如将发声的音叉靠近乒乓球通过乒乓球被弹开显示音叉在振动.如测量引力常数和静电常数的“光杠杆”等.

3 有效教学策略再思考

历史上有个的关于爱迪生让高材生的助手做测量故事，说是那位高材生套用各种公式，用各种工具来测量，结果忙得焦头烂额半天还是算不出来.爱迪生走过来，惊奇地发现他还没有算出来时.拿起灯泡，往里面注满水，然后把水倒进量筒，就这样，灯泡的体积就求出来了.其实，故事给我们的启示，不仅仅是物理学中物体体积测量的方法，而是说明了，好的方法往往事半功倍，甚至是几百倍.这就是方法的力量.在新课程的改革中，新的理念渐渐被我们接受，但往往是教师主要关注课堂教学的是形式改变，如课堂活动的方式，多媒体的运用，往往忽视了物理的学科特征.任何改革，都不能脱离学科本质.“过程与方法”在新课程改革要得到强化，但必须思考促进物理学科方法的显性化的教学策略，同时，对物理情景思考时，要注意任[JP3]何单一方法的都是有局限性，还要使学生学会灵活地运用方法.

【广东省教育科学“十二五”规划2012年度项目《“拓展式”课例研究范式与物理教师实践共同体建构的研究》（立项批准号：2012ZQJK013）研究成果.】