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在高中物理实验教学中加强科学方法显性化教育的研究

朱肖敏

（上海市莘庄中学，上海 201100）

摘要   高中物理实验中蕴含着丰富的科学方法，在演示实验、验证性实验和探究性实验中加强科学方法显性化教育，让学生了解科学方法，体会到科学方法的重要性，并运用科学方法去解决实际问题，帮助学生掌握终身受益的科学方法，提高学生的科学素养和实践能力。

关键词  物理实验教学 科学方法显性化教育

布鲁纳提出：&濒诲辩耻辞;能力=知识+技能+科学方法&谤诲辩耻辞;，科学方法是使知识和能力联系起来的桥梁，是能力的核心。物理学科是一门具有方法论性质的学科，蕴含着丰富的科学方法，在物理教学中开展科学方法显性化教育就是要利用这些资源，让学生学习物理概念和规律的同时，掌握终身受益的科学方法，提高分析问题、解决问题的能力。

实验是物理学发展的基础，实验教学也是高中物理教学中的重要组成部分，高中物理实验包含着大量科学方法显性化教育的素材。如实验中具有大量的理想模型、理想过程和理想实验，在实验教学中结合相关内容，就能进行理想化方法的教育，让学生领会科学家如何利用理想化方法，突出主要矛盾，忽略次要因素，将复杂过程简单化。因此，实验教学不能只是为了演示或验证物理规律，而应该让学生在实验的过程中感悟科学方法的重要作用，受到科学方法的教育和熏陶。以下便是笔者在实验教学方面对于科学方法显性化教育进行的一些探索研究。

1           在演示实验中加强科学方法显性化教育

高中物理教学中的演示实验可以是教师动手进行实验，也可以是物理学史上经典实验的再现，这类实验通常会包含多种科学方法。因此在进行演示实验时，不能仅仅是实验的简单展示或者再现，而要将实验每一个环节设计时运用到的科学方法阐明给学生听，让学生不仅知道了实验的结论，更学到了实验者的科学方法，体会到了实验者的科学思想。

例如，在《库仑定律》的教学中，就可以通过演示实验让学生观察静电力的大小与那些因素有关。在实验中，将一带电小球B竖直悬挂，当带有同种电荷的小球A靠近它时，小球B受到静电力的作用发生偏离。实验中首先利用间接测量法，通过丝线与竖直方向的偏角来反映静电力的大小，将难以观测的静电力直观的展现出来；然后运用控制变量法，研究出静电力的大小分别与两球间的距离以及两球的带电量有关；最后为了能更进一步研究静电力和这两个因素的关系，需要将带电体形状、大小以及电荷分布的影响忽略，因此采用理想化的方法，建立了点电荷的模型。通过这样在演示的过程中，边实验边向学生阐述实验设计的思想、运用的科学方法，让学生既知道为什么要这样做，又明白我以后能如何去做，认识到科学方法才是研究问题、解决问题的最好途径。

同时，利用多媒体技术，还可以演示再现科学家库仑当时的研究方法和实验装置。在与万有引力规律的类比后，库仑推理得出了静电力也应该与距离的平方成反比的关系，并利用扭秤装置，运用间接测量法和微小量放大法，成功地得出了库仑定律。通过这样对历史实验的演示介绍，让学生认识到这些伟大的科学家同样是凭借着科学方法，来揭示出自然界中本质的规律，从而感受到科学方法的重要作用。

2           在验证性实验中加强科学方法显性化教育

在高中物理实验中，还有一部分属于验证性实验，要求学生通过实验对已学的物理规律进行验证。对于这类实验学生往往认为比较枯燥，只是课本上实验步骤的简单重复，因此在实验的过程中缺乏兴趣。对此笔者在教学中采用逆向思维的方式，突出某些错误的实验步骤，得出错误的实验结果，引发学生的认知冲突，引导学生思考这些看似简单的实验步骤背后所蕴含的科学方法的重要性。

 例如&濒诲辩耻辞;用单摆测定重力加速度&谤诲辩耻辞;实验，该实验是利用单摆测定当地的重力加速度，并与实际值相比较，从而侧面验证单摆的周期公式。实验首先要求学生用长约1米的细线系住一个金属球做成一个单摆，并利用米尺和游标卡尺分别测量摆线长l和球的直径d；再用手拉开摆球，使球偏离平衡位置约7~8cm，保证小球的摆角小于5&诲别驳;并且在一个竖直平面内进行摆动；然后在平衡位置用秒表记录单摆完成30～50次全振动的时间，求出周期的平均值，最后将测得的实验数据代入单摆周期公式，求出重力加速度的实验值。在该实验中，要想比较精确地测得重力加速度，就需要每一步都严格按照实验要求进行操作。但是学生对重力加速度已经非常熟悉，因而在实验时，为了追求方便快速地完成实验，忽视了实验步骤中的关键要点，得出的结果误差都比较大。

对此笔者在学生完成各自实验后，重新搭建了两个的实验装置，一个用短细线做摆线，另一个用轻质木球来做摆球，并和学生一起对这两个摆进行测量计算，学生发现这样得出的重力加速度与理论值相差很大。由此请学生思考，为什么我们用同样的方法进行实验会得出完全不同的结果呢？学生发现，在实验时必须要选用长约1米的细线和金属球，才能保证实验装置可以近似看成单摆这一理想化的模型。紧接着再让学生思考，为什么实验还要求我们摆球拉开7~8cm？为什么需要测30~50次的全振动来求周期？学生也就能认识到，这样做前者是为了将单摆的振动近似成理想化的简谐振动，后者是为了测量周期能更精确。

通过这样的冲突比较，让学生明白这些看似枯燥严格的实验步骤背后，蕴含着理想化、累计放大求微小量的科学方法，正是这些科学方法的存在，才能让我们将简单的理论规律运用到复杂的实际问题中去，感悟到在科学工作中应该保持严谨的科学态度，提高学生的科学素养。

3           在探究性实验中加强科学方法显性化教育

探究性实验要求学生运用已有的物理知识和科学方法，去探究未知的物理规律。在探究性实验的教学中，应当引导学生运用科学的研究方法进行亲身的实践，通过在实践中收获成功的喜悦，感悟科学方法的重要作用；同时还要充分挖掘实验中可探究的要素，为学生提供更多探究的机会。

例如，在《动能》的教学中，教材安排了研究动能的大小与哪些因素有关的探究性实验，实验利用DIS的拟合曲线技术，通过图像的分析和对比得出E_k与m、v之间的关系E_k∝mv²。但笔者认为，决定物体动能的因素就是物体的质量和速度，因此该实验是开展控制变量法教育的良好契机。于是在猜测出动能的大小和物体的质量以及速度这两个因素有关后，笔者引导学生设计出&濒诲辩耻辞;控制小车速度，研究动能和质量之间的关系&谤诲辩耻辞;以及&濒诲辩耻辞;控制小车质量，研究动能和速度之间的关系&谤诲辩耻辞;两个实验方案，考虑到课堂时间，笔者又将学生分为两组分别进行探究。

在实验中，我们利用光电门来测量小车的速度，用摩擦块滑动的位移来间接表示小车的动能。两组学生通过各自的研究后，得出如下的实验结论：

⑴第一组实验得到图1中的数据，在保证小车以几乎相同的速度通过光电门时（表中第3列），摩擦块滑动的位移与小车的质量成正比（图2为表中位移s和质量m的线性拟合图像）。

⑵第二组实验在保证小车质量不变的情况下，得到图3表中的数据，根据图像拟合发现（图4），s与v没有线性关系。在此基础上，进一步猜想如何才能与位移s成正比，并根据&濒诲辩耻辞;化曲为直&谤诲辩耻辞;的科学思想，运用图像法对数据进行处理，从图5中可以明显看到，小车的动能应该与速度的平方成正比的。

（注：为了使图像法分析的结果更明显，我们在图3表中加入了第8组数据，将原点也作为图像拟合中的一个数据点。）

最后根据两组实验结论，归纳得出E_k∝mv²。通过这样的处理，不仅让学生在有限的课堂时间内，成功体验到了运用控制变量法解决问题的成就感，而且在实验探究的过程中，学生还体会到图像法、归纳法的重要作用，并在数据共享的过程中，加强了合作精神。

类似的探究性实验还有很多，如 &濒诲辩耻辞;探究牛顿第二定律&谤诲辩耻辞;的实验，也是利用控制变量法，分别研究&濒诲辩耻辞;加速度与质量的关系&谤诲辩耻辞;以及&濒诲辩耻辞;加速度与合外力的关系&谤诲辩耻辞;。学生在这类实验中，不断学习并实践各种科学方法，分析问题、处理问题的能力也就随之得到提高。

当然，除了实验教学以外，在物理教学中还有很多途径可以加强科学方法显性化教育。对学生进行科学方法显性化教育，让学生在物理的学习中逐步掌握科学的方法，获得独立获取知识的本领，也体现了叶圣陶先生所倡导的&濒诲辩耻辞;教是为了不教&谤诲辩耻辞;的原则，物理教学也必然会达到一个更高的境界。

参考文献：

1  张宪魁，李晓林，阴瑞华. 物理学方法论. 浙江教育出版社，2007.

2  刘力.   新课程理念下的物理教学论. 北京：科学出版社，2007.

3  欧永华. 试谈高中物理科学方法教育策略. 物理通报，2008，06.