物理学方法论对高中物理概念的应用论文

物理学方法论对高中物理概念的应用论文

　　摘要：基于物理学方法论中概念建立、形成的思想与方法，审视、思索当前高中物理概念教学：（１）高中物理概念教学应有两种教学思路，全面体现概念建立、形成的思想与方法；（２）当前高中物理概念教学局限于体现牛顿的科学发现方法论的思想与方法；（３）应创新高中物理概念教学，致力于体现爱因斯坦的科学概念方法论的思想与方法。

　　关键词：物理学方法论；思想与方法；概念教学；思索

　　如果把物理学比作一座大厦，物理概念则是这座大厦的基石。物理概念教学是高中物理教学的基础。教学中，不仅应让学生理解每个概念的物理意义及其在理论、实际生活中的应用，更重要的是让学生感悟物理学家从实在世界走向物理世界过程中建立物理概念的科学思想与方法，从中获取和提高科学探究的能力。从以牛顿为代表的科学发现方法论到以爱因斯坦为代表的科学概念方法论，物理概念的建立和形成的思想方法有着明显的区别。当前高中物理概念教学是否较为全面地向学生展现了科学家们建立、形成概念的科学方法，是否让学生较为全面地获取了科学探宄的思想与方法，我们有必要基于两种物理学方法论理论，对当前高中物理概念教学进行审视与思索。

　　１．物理学方法论中的概念建立、形成的思想方法分析

　　物理学方法论是自然科学方法论的重要组成部分，它是以唯物辩证法为指导对物理学的研宄方法进行研宄的学科理论，主要探讨用什么方法去研宄物理现象、怎样描述物理现象、如何探讨并总结归纳物理规律等［１］。随着物理学的发展，探宄物理世界的方法论经历了以牛顿为代表的科学发现方法论和以爱因斯坦为代表的科学概念方法论两个阶段。

　　１．１牛顿的科学发现方法论

　　“自然哲学的目的在于发现自然界的结构和作用，并尽可能把它们归结为一些普遍的法则和一般的定律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果［２］。’’牛顿把发现问题的认识过程划分为分析和综合两个过程。“分析过程”就是通过对大量现象的观察和大量的实验，归纳找出诸多现象和实验的共同特征，建立概念、得到普遍结论和一般定律。“综合过程”是建立理论和验证理论的过程，它包括两个方面：一是根据己发现的一般定律，运用公理和数学演绎建立数学化的理论；二是对所建立的理论及推论进行实践检验，由此证实理论的真理性［２］。概而言之，牛顿的科学发现方法论是从大量的现象和实验出发，归纳出它们的共同特征、普遍结论，并寻找这些特征、结论之间的联系，用数学方法建立数学化理论，通过实践检验这些理论的真理性。

　　１．２爱因斯坦的科学概念方法论

　　从“光量子”概念出发，爱因斯坦成功地揭示了光电效应的规律并创立了“光量子”理论；由对“时间”概念的批判性认识，爱因斯坦在崭新的时空观上建立了狭义相对论；通过对“引力’’概念的独创性的认识，爱因斯坦提出了广义相对论。爱因斯坦对物理世界独创性的探究和认识是在概念的运动中发展起来的Ｐ］。他开创了以概念为工具的科学概念方法论。科学概念方法论包括“概念的形成”与“概念的推演”两个过程。对于概念的形成，爱因斯坦提出，物理学的基本概念和假设可以用逻辑方法从经验中推导出来，但这不是唯一的方法；基本概念和假设的提出，可以是人类思想的自由发明；数学不只是演绎推理的工具，也是创造和表达基本概念的工具，人类可以用纯粹数学的构造来发现概念［３］。“理论物理学的完整体系是由概念、被认为对这些概念是有效的基本定律，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的。这些结论必须与我们的各个单独的经验相符合；在任何理论著作中，导出这些结论的逻辑演绎几乎占据了全部篇幅”［２］。“概念的推演”过程就是以概念为基点，运用有效的基本定律，通过逻辑推理得到一般的结论，再把“概念或结论同物理事件（实验）是否有清晰的和单一而无歧义的联系”［４］作为唯一的评判标准，演绎论证概念或结论的真理性，从而决定概念或结论的“生存权”。相对于牛顿的科学发现方法论的注重以经验现象为基点的归纳推理，爱因斯坦的科学概念方法论则强调概念的“自由发明”、概念的推演以及概念或结论同物理事件（实验）的清晰的和单一而无歧义的联系，这是两种物理方法论之区别，也是人类探宄自然和宇宙的科学方法论的一次全新的转变。

　　１．３两种物理学方法论中的概念建立、形成的思想与方法

　　物理概念是反映物理现象、物理过程本质属性的一种抽象［３］。在科学发现方法论中，牛顿强调归纳法物理概念是对大量现象和实验中的事物或过程的共同本质属性的逻辑归纳。人们通过观察大量的现象、实验得到感性认识，再应用逻辑归纳发现事物或过程的共同特征、本质属性从而形成概念。牛顿的科学发现方法论是在经验中发现概念，概念的形成过程就是经验、现象共同本质的发现过程。爱因斯坦在《论理论物理的方法》（１９３３）中写道：“牛顿，这第一位关于理论物理的包罗而可行系统的创造者，还相信他系统里的观念与诸律可以从经验导来。．．．此体系所获致巨大而实际的成功，让他以及十八、九世纪的物理学家们反而昧于其根基的虚构性质。．．．理论物理的公设基础不能从经验抽绎得来，必须是心的发明，．．．。”他认为用逻辑方法从经验中推导出物理学的基本概念并不是概念形成的唯一方法，并且认为牛顿以及在他的影响下的大多数科学家和哲学家在科学方法论上的重大缺陷就在于错误地认为基本概念是从经验中归纳（或“通过推导”、“进行逻辑推理”）得到的［２］。在科学概念方法论中，概ｉｒ不是从感觉和归纳得到的，而是思维的自由创造，直觉、顿悟在概念的形成中起着主要的作用。爱因斯坦还提出“迄今为止，我们的经验已经使我们有理由相信，自然界是可以想象到的最简单的数学观念的实际体现。我坚信，我们能够用纯粹数学的构造来发现概念以及把这些概念联系起来的定律，这些概念和定律是理解自然现象的钥匙。”［４］他把数学这种纯粹的思维也从演绎推理的工具转变为创造和表达基本概念的工具，成为建立和形成概念的一个重要手段。由以上分析可知，在牛顿的科学发现方法论中是先有经验、现象，而后才有概念，强调的是从经验、现象中归纳发现概念，是由经验、现象而及概念；在爱因斯坦的科学概念方法论中概念的形成虽依据于经验、现象，但更强调于思维的自由创造，是先有概念的创造，而后有概念的推演以及追究概念或结论同物理事件（经验、现象、实验）的清晰的和单一而无歧义的联系。科学概念方法论是由概念而及经验、现象的。可以说，对于经验、现象在概念形成中的作用和地位，两种物理方法论有着截然相反的逻辑顺序。

　　２．对当前高中物理概念教学的思索

　　２．１高中物理概念教学应有两种教学思路，全面体现概念建立、形成的思想与方法

　　两种物理方法论中，概念的建立、形成有着不同的思想与方法。全面落实“过程与方法”的教学目标，高中物理概念教学就应该让学生体验、感悟概念建立形成的两种不同的思想与方法。以物理学方法论理论为指导，当前高中物理概念教学应有两种教学思路。（１）由经验、现象而及概念的教学思路。即从经验、现象出发，提出问题，探宄归纳出问题的共同特征、解决方法，从而建立、形成概念。这种教学思路能让学生从中获取科学发现方法论的概念建立、形成的思想与方法；（２）由概念而及经验、现象的教学思路。即先通过创造思维建立概念，再追宄概念同物理事件（经验、现象、实验）的清晰的和单一而无歧义的联系。这种教学思路能让学生从中获取科学概念方法论的概念建立、形成的思想与方法。

　　２．２当前高中物理概念教学较为局限于体现牛顿的科学发现方法论的思想与方法

　　当前高中物理概念教学强调“过程与方法”的教学目标，但较为局限于体现科学发现方法论的思想与方法。（１）教学内容编排思路较为局限于体现科学发现方法论中概念建立的思想方法以人教版物理必修教材为例，教材中概念教学的内容编排大都是首先向学生展现生活中常见的经验、实例、现象和实验，再引导学生抓住经验、实例、现象和实验的共同特征提出问题，探宄形成概念，然后编排概念在生活中的应用。这种对概念知识的编排方式正是科学发现方法论中概念建立的思想方法的体现。（２）教学设计思路大都以科学发现方法论中概念建立的思想方法为指导原则例：常见的“加速度”概念的教学设计一般包括三个环节：①生活实例引入，提出问题如视频播放火车、轿车、飞机的启动过程，让学生递进感受运动物体有速度，运动物体速度有变化，运动物体的速度变化有快有慢，从而自然地引入描述运动物体的速度变化快慢的必要性并提出问题：如何描述运动物体的速度变化快慢？②探究、揭示加速度的概念及其物理意义有的设计依据生活实例引导学生探究比较速度变化快慢的三种方式，即时间相同，比较速度的变化；速度变化相同，比较时间；时间、速度变化均不同，比较速度变化与时间的比值；有的设计通过学生的实验测定，作出速度——时间图像，再讨论表示物体速度变化快慢的方法。通过探宄，最后都归纳出可以用“速度变化与时间的比值”表示速度变化的快慢，从而揭示加速度的概念及其物理意义③讲解对加速度的理解及其在生活中的应用教师在设计概念教学时，正如以上“加速度”的教学设计一样，并不直接揭示概念，而是从生活中的经验、实例、现象和实验出发，提出问题，探宄归纳出问题的共同特征或解决方法，从而建立概念，这种教学设计思路体现了科学发现方法论中概念建立的思想方法，是一种由经验、现象而及概念的以科学发现方法论概念建立的思想方法为指导原则的教学思路。

　　２．３创新高中物理概念教学，致力体现爱因斯坦的科学概念方法论的思想与方法

　　例：“加速度’’概念的教学设计①类比创建加速度概念例举１：做直线运动的小车从位置；位置运动到ＺＢ位置，所用时间为△／；提问：在此例中，可以确定哪些反映小车运动的物理量？例举２：做直线运动的小车从速度６变化到速度朽，所用时间为Ａｈ提问：在此例中，可以构建哪些反映小车运动的物理量？引导学生从位置的变化（位移）构建速度的变化从速度Ｆ＝ＡＸ／Ａ／，构建速度的变化与时间的比值，即Ａｆ７Ａ（，创建一个新的物理量（此时并不给出加速度名称）。②回归生活，追究ＡＦ／Ａ？与经验的联系，给以物理量名称——＊‘加速度”在视频展示１中，呈现火车、小车、飞机的启动过程，并提供数据，让学生计算三种交通工具在启动过程的ＡＦ／Ａｆ，并提问：三种交通工具启动时的区别，ＡＦ／Ａｆ能否描述此区别？引导学生得出Ｐ７Ａ？是一个与物体速度变化快慢有着密切关联的量，ＡＦ／Ａｆ可以表示物体速度变化的快慢；在视频展示２中，呈现火车、小车、飞机的制动过程，并提供数据，让学生计算三种交通工具在制动过程的ＡＦ／Ａｆ，引导学生得出ＡＫ／Ａｆ不仅可以表示物体速度变化的快慢，还可以表示速度变化的方向，并给出Ａｒ／Ａｆ的物理量名称“加速度”。③简介汽车的加速性能及其加速性能的测试，进一步追宄加速度与经验的联系在以上教学设计中，教师虽然列举了与常见的教学相同的事例，但创新了教学思路。教学中，教师先引导学生创建加速度，再追究加速度与现实生活经验的联系，由概念而及经验，体现的是科学概念方法论的概念建立和形成的思想方法。爱因斯坦的科学概念方法论是人类探宄自然和宇宙过程中的科学方法论的一次全新的转变。正是有了这次全新的转变，二十世纪的物理学才出现了革命性的飞跃，人类对自然与宇宙的认识才向前跨进了一步。在科学概念方法论中，概念的提出需要思维的自由创造，具有一定的难度，但作为教学工作者，我们不能因此而疏远这种方法论，我们应创新当前的物理概念教学，致力体现科学概念方法论的思想方法，让学生感悟、体验、学习这种全新的思想方法，为学生未来的发展打好基础。

　　参考文献：

　　［１］张宪魅．谈谈物理学方法论的教学问题［ｊ］．课程教材教法．１９８９，（１１）：４０．

　　［２］朱鉉雄．物理教育展望［Ｍ］．上海：华东师范大学出版社，２００２：７３，７４，８９，８６．

　　［３］查有梁．物理教学论［Ｍ］．南宁：广西教育出版社，１９９７：３９，２７０．

　　［４］许良英，李宝恒，赵中立等编译．爱因斯坦文集第一卷［Ｍ］．北京：商务印书馆，１９７７：９７７，３１３，１１８，３１６．

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