在模型构建过程中渗透物理思想方法

2021-10-15徐光辉

物理教师 2021年9期

徐光辉

（余姚市第八中学，浙江余姚 315400）

物理学科背后总是隐藏着具有深刻意义的学科思想和方法，同时又是培养和锻炼学生的能力所在，《物理学》是一部科学史，更是一部思想史，通过“展现学科知识建构的过程”，深入挖掘学科知识背后隐含的科学方法，在体验方法的过程中逐渐渗透学科思想，从而真正提升学生的核心素养，这样的教学才是经得住时代考验的教学.

物理教学不是一个传授物理知识的简单过程，更应该是一个传授物理知识的同时挖掘和渗透科学方法的过程，而学生在学习物理知识的过程中同时也在通过自己的努力领会并掌握物理思想方法，提高自己的求知能力、实践能力和创造能力，从而发展和完善自己的物理科学素质.为了适应物理新课程改革的需要，提高学生能力、发展学生的科学素养，研究科学方法在课堂教学实践中的渗透已经十分必要和迫切.

1 两个案例

1.1 微小形变的教学

人教版高中物理必修一“弹力”中微小形变的教学过程.从知识层面来看，教学过程很简洁，就是物体受力后会发生形变，形变有大有小.然而，当形变很小时如何观察并显示呢？教材从不同的角度展示物体发生弹性形变的各种情况，对物体发生微小形变设计了2个实验，第1个是用细管子的液面升降来显示玻璃瓶发生微小形变的变化.第2个就是显示桌面发生微小形变的演示实验，按照教材的操作实际是很难看到这样的微小形变，学生更是将信将疑，难以理解.

因此笔者在教材安排的实验基础上有又进行了如下改进：把一铁架台放在桌面上，铁架台上固定一可伸缩的轻杆（可用伸缩笔或天线代替），在轻杆的末端用红色的橡皮泥（起到现象更明显的作用）如图1所示，先让轻杆伸出一定的长度，用力压桌面，可以发现轻杆末端橡皮泥的位置有微小的晃动，但不明显，接着把轻杆拉伸一些，再用力压桌面，会发现轻杆末端橡位置变化明显移动，接着再把轻杆拉伸一些，现象更明显.但轻杆的长度总是有限的，接着可以用一束光线代替轻杆（可用激光二极管），让光线射到墙上，观察墙上光斑的位置.这样一来，用力压桌面的时候，墙上的光斑移动就非常明显了.演示完成后请学生就实验过程和实验技能方法上作一反思总结回顾.

图1 微小形变的放大实验示意图

通过上述改进：学生不但观察到桌面受压力后发生的形变的事实，体验上更真实，通过这样的过程设计，学生很自然地明白实验过程中所隐含的变换、放大的思想，（铁架台轻杆结构实现了变换；轻杆向上拉伸及激光束实现了放大）；实验过程的进行伴随着实验技能学习和科学思想的领悟，特别是在实验结束后让学生反思实验成功的地方，这不仅促进学生掌握和领悟科学方法、科学思想、科学智慧，而且对提升学生的科学素养起到一定的积极作用.

教学过程中教师不仅要让学生不必神秘科学思想和科学方法，让学生知道科学思想与方法只不过是人们在认识和处理问题的过程中所应用的一些“想法”和“做法”，科学的思想方法来源于科学实验，实验探究的重要意义突显出来了.同时要求学生明白，科学的创新首先是科学意识的创新和科学方法技能的创新.

1.2 自由落体运动的教学

人教版高中物理必修一“自由落体运动”轻重物体下落快慢比较的教学过程.从知识层面来看，通过实验让学生明白在没有空气阻力的影响下，重的物体和轻的物体下落是一样快的.但在学生的潜意识里，根深蒂固的是，平时观察到恰恰也是重的物体下落比轻的物体快.

为了展现物理规律实验总结的过程，更为了让学生明白其中知识点背后的科学思想和方法，笔者在教材安排的实验基础上设计如下：用长约1.5 m一端封闭，一端有抽气开关的玻璃管，把形状和质量不同的金属片、羽毛等物品放进玻璃管.一端有抽气开关导管连接抽气机，分几次不同程度的抽气（先不抽气，抽部分空气，抽大部分空气，尽量抽完空气至十分稀薄接近于真空），倒立过来后观察几个物体下落的快慢程度（如图2）.

图2 牛顿管演示羽毛和铁片自由下落的快慢

表1

在实验的过程中，一边实验一边让学生观察，同时请学生思考，并用恰当的语言表达现象并做好记录在不同状态下现象进行分析、归纳和总结.（这也是在渗透科学方法）.我们会比较明显的观察到不同的现象，空气对不同物体的作用就十分明显，这个演示实验采用分段抽气分别演示，使实验与思维相结合，边实验、边思考、边推理，最终外推至真空中的自由落体，符合物理学所倡导的真谛，与伽利略理想实验有异曲同工之妙.

两个教学案例中，学生通过这种渐进式的条件变化而引起的结果渐进发展，真正直接感受和体验了科学研究的方法，尤其是关于伽利略科学思想方法的核心：实验和逻辑推理（包括数学推演）相结合.对生活中的物理问题通过抓主要因素，忽略次要因素，建立物理模型，提炼物理规律起到了潜移默化的作用，通过挖掘物理方法，培养了学生科学的品质和科学的思想.

中学物理中有很多知识点、核心概念、规律的背后隐藏着丰富和朴实的物理思想和方法，教师在平时的教学过程中要及时的过程展现出来，要用好用足这些知识点的载体，不断地挖掘物理学乃至整个科学的方法，逐渐的渗透科学思想，发挥出这种“超学科”的能力培养，这才是教育教学的本真.

2 挖掘与渗透物理思想方法的4个途径

通过上述两个案例的教学再设计，可以看出物理教学不再是简单的知识点的学习和弄懂，而是通过知识点这个载体，通过对知识点学习的这个途径，通过对教材内容的挖掘，逐渐地显化物理科学方法，渗透科学思想，从而提升学生的科学素养.结合平时的教学经历和现场，总结出如何挖掘和渗透物理思想方法的常用途径，收效甚好.

（1）对教材所采取的实验进行改进和拓展，显化实验背后的科学方法、渗透实验当中的隐含的科学思想.要在原有的基础上进行有效地挖掘，尤其是对实验的条件，实验可能失败的原因，实验原理的优缺点、实验误差等方面进行再研究和再设计，如“案例1”中，通过弹性形变微小量观察这一目标的再研究、再设计，利用多次变换、放大等方法，一次次把微小量显现了出来，有力地显示了力作用下形变发生的必然性事实，这是科学方法教学更是科学思想渗透.如“案例2”中通过观察空气密度不同的管中二物体下落的时间差考量，推理和猜想想结合，外推到真空中时间差为零的状态，与伽利略理想实验有异曲同工之妙，这些科学的思想和方法是物理教学过程中老师必须得到重视和挖掘的内含所在.是整个物理教学过程中必须师生共同参体验的科学方法和科学思想.

（2）要引领学生操作实验、观察现象、记录数据、归类分析等科学研究的基本方法.如何有效地进行科学方法的挖掘与渗透，关键在于学生是否真正参与进来，平时的教学中很难看到学生经历实验的全过程，为此从课堂中要努力让学生成为主体，引领学生参与到实验中来.比如常用的实验数据表格记录法、实验数据分析时的图像法，通过图像寻找规律时采用计算机拟合规律等要经常用.“案例2”中的牛顿管演示羽毛和铁片自由下落的快慢实验过程中，二物下落的时间差本是一个定性观察内容，我在教学实践中让学生列表记录，关注时间差的变化趋势逐渐引导并外推到真空时的时间差为零状态，这是科学实验与科学思维相结合的绝好的教学内容，冠以科学理想实验并不为过，让学生明白，科学实验是需要科学思想的，科学思想是可以由科学实验启迪的.

（3）在物理概念、规律的教学中对科学方法进行挖掘和渗透.物理概念是从大量同类物理现象和物理过程中抽象出来的，所提示的是客观事物的共同性质和本质特征，是构成物理理论的细胞.因为每一物理概念的形成都必然包含着科学方法的因素，形成概念的过程就是应用物理科学方法思维的过程.所以，教师在概念教学中应按照学生的认知规律教给学生形成概念的科学方法.物理规律是物理现象或过程内在的本质联系，在一定条件下发生、发展和变化的必然反映，是构成物理大厦的砖石和框架结构.和物理概念教学一样，在探索、总结物理规律时，也应重视科学方法的传授.物理概念与规律的建立和发展，一般会运用观察和实验、比较与分类、分析与综合、数学方法、归纳与演绎、猜想与假说以及理想化方法等物理科学方法中的一种或几种，在物理教学中，要是学生明确发现或建立某一概念或规律所采用的的方法、途径和具体依据.

（4）关注生活中的物理、结合物理学史等进行科学方法的挖掘与渗透.生活中的物理现象要善于观察，归纳和总结，在这种过程已潜移默化的进行了科学方法的渗透，把生活中的实际问题通过近似、抽象、建模、提炼等过程发展为物理概念和规律.中学物理教材涉及到几十位物理学家，他们取得伟大成就的过程中，所运用的科学研究方法和实验构思的精妙绝伦，为我们提供了取之不尽的科学方法教育素材，结合教学内容介绍物理学史上科学家研究物理问题科学方法作为学生学习的范例，则无疑是实施科学方法教育的又一条重要途径.