浅谈物理教学中常用的几种科学探究方法

浅谈物理教学中常用的几种科学探究方法
浅谈物理教学中常用的几种科学探究方法

浅谈物理教学中常用的几种科学探究方法
物理教学中蕴含的大量的科学方法,我们必须给予足够的重视,并且渗透到教学活动中去,适时向学生介绍、点拨,学生在学习活动中去体验、体会这些科学方法,逐步提高科学探究能力,掌握一些科学方法,为学生的终生学习打下良好的基础.
在《初中物理课程标准》中,科学探究既是学生的学习目标,又是重要的教学方式之一.在探究科学规律的过程中,学生通过动手动脑,通过物理学知道的“再发现”过程,体验到科学探究的乐趣,学习科学家的科学探究方法,领悟科学的思想和精神,掌握科学学习的策略和科学的思维方法,从而提高了他们的科学素质.要想使物理教学达到新课程标准确定的目标,我们必须重视物理教学中蕴含的大量的科学方法,把它们渗透到教学活动中去,适时向学生介绍、点拨,让学生在学习活动中去体验、体会科学方法,逐步提高学生科学探究能力,掌握一些科学方法,为学生的终生学习打下良好的基础.下面就与大家一起来探讨物理教学中常用的一些科学方法.
一、猜想法在科学探究的学习过程中,猜想这一步骤有着举足轻重的地位,它是物理智慧中最活跃的成分,对学生猜想能力的培养,也是物理探究过程中的一个重要环节,而且猜想决定了科学探究的方向,因此,在物理教学的过程中,引导学生科学合理地猜想就显得格外重要.
首先,猜想要有一定经验和知识作为基础.在进行科学猜想能力方面的教学时,可先针对问题让学生展开想象的翅膀,鼓励学生把所有可能的情况都大胆地说出来,然后让学生根据已有知识和生活经验逐一进行分析,想想生活中有哪些事实支持它,它和已有知识是否一致,排除那些与经验和知识相矛盾的想法,留下的就可能是科学的猜想了,没有一定的知识和经验,猜想恐怕只能是无本之木,无源之水.所以在教学中为了避免学生胡猜乱想,让学生说出猜想的理由、事实依据是很有效的避免课堂混乱的手段,也是培养学生探究能力的方法之一.
另外,教师引导学生猜想要注意把握好方向性.在学生的自主探究过程中,教师的引导可以起到了画龙点睛的作用,由于课堂教学的时间和器材以及学生的知识的限制,我们不可能将学生讲的、说的一一进行探究,必须进行去粗取精、去伪存真,才能让探究过程顺利完成.例如在猜想动能大小与哪些因素有关的的时候,学生猜想到的因素可能有质量、速度、重力、斜面坡度、高度等,特别应该注意要让学生说出猜想的理由和依据,要能举出相关的实例来证明.然后教师引导学生把其中类似的因素归为一类,即质量和重力可以归为质量这个因素,斜面坡度、高度、速度都可以归为速度这个因素.这样就把动能大小归纳猜想为与质量和速度这两个因素有关.同时引导学生复习前面学习过的牛顿第一定律实验,可以知道要控制物体到达斜面上的速度相同,必须控制物体从斜面上滑下的高度相同.然后通过控制变量的研究方法,这个探究实验就不难完成了.完成实验后,教师可以补充做一个实验,即把质量和速度分别增大一倍,观察木块被推动的距离,来判断质量和速度这两个因素中到底哪一个因素对动能的影响更大,这样为到高中的继续学习打下基础.当然,学生的猜想能力的培养并不是一朝一夕完成的,需要我们教师在教学过程中切实重视这一能力的培养,时时注意引导学生进行合理的猜想,以达到素质教育的目的.
二、控制变量法
“控制变量法”是初中物理中常用的探究问题的科学方法.由于影响物理研究对象的因素在许多情况下并不是单一的,而是多种因素相互交错、共同起作用的.所以要想精确地把握研究对象的各种特性,弄清事物变化的原因和规律,必须人为的制造一些条件,便于问题的研究.例如当一个物理量与几个因素有关时,我们一般是分别研究这个物理量与各个因素之间的关系,再进行综合分析得出结论.这样就必须在研究物理量同其中一个因素之间的关系时,将另外几个因素人为地控制起来,使它们保持不变,以便观察和研究该物理量与这个因素之间的关系.这就是“控制变量”的方法,在初中物理教学中有许多概念或规律的探索过程,都要用到控制变量法.例如,在八年级刚接触物理时,有一个探究实验是探究“声音怎样从发声的物体传到远处?”.让一个学生在桌子一端敲击桌面,另个学生在另一端听声音,一次贴在桌面上听,一次只是贴近桌面.发现两次都可以听到声音,引导学生分析这两次声音分别是通过桌子和空气传来的,从而说明声音要靠介质传播.同时让学生比较两次听到的声音大小,从而认识到声音在固体中比在空气中传播得快,即固体的传声能力强.在这里,老师一定要强调实验中需要控制的变量就是听声音的距离和敲击桌面的力度要相同,使学生体验到控制变量的思想,为以后的探究实验作好方法上的准备.
初中物理还用到控制变量法的实验有：影响声音的音调、响度等的因素有哪些?蒸发的快慢与哪些因素有关?导体的电阻大小与哪些因素有关?导体中的电流与导体两端电压和导体的电阻的关系,电热的的大小与哪些因素有关?影响电磁铁磁性强弱的因素有哪些?研究感应电流方向与哪些因素有关?研究通电导体在磁场中受力方向与哪些因素有关?力的作用效果与哪些因素有关?影响滑动摩擦力大小的因素有哪些?影响压力作用效果的因素有哪些?研究液体的压强与哪些因素有关?研究浮力的大小与哪些因素有关?研究动能或势能的大小与哪些因素有关?研究物体吸引热量的多少与哪些因素有关等等.
控制变量法是一种最常用的、非常有效的探索客观物理规律的科学方法.通过控制变量法,可以让我们很方便的研究出某个物理量与多个因素之间的定性或定量关系,从而能得出普遍的规律.
三、等效替代法
有一个广为人知的历史故事——曹冲称象.他运用的就是一种等效替代的思想,他是用石头替代了大象,巧妙地测出了大象的重力.当然,这里还用到了“化整为零”的思想.很多伟人也经常会用等效法来使研究问题简化,例如,爱迪生用围成一圈的平面镜的反射光等效多个太阳造成了无影灯,他的助手阿普顿在苦苦计算灯泡的容积时,爱迪生却告诉他只需要把灯泡装满水,测量水的体积即为灯泡的容积.还有阿基米德在洗澡时发现了鉴别王冠真假的方法,从而也导致了一个重要的原理——阿基米德原理的发现.这样看来,当测量器材无法直接测量某个物理量时,就要设法用可以直接测量的物理量来取代不能直接测量的物理量,这就是“等效替代法”.采用此方法时,唯一要注意的是直接测量的与不能直接测量的物理量之间要有内在的联系,找到这种内在的联系,也就完成了实验的设计.
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆可以说“等效替代”的思想是物理实验成功的最根本、最重要的思路,物理学中的相关定律、定理、公式、原理都是以替代思维成立的基础为出发点的.例如,测量不规则固体的体积,就是利用物体浸没在液体中时,物体体积与物体排开的液体的体积相等的原理,将Ｖ物用Ｖ排替代.在有量筒或量杯时,可采用“排液补差法”或叫“等量空间占据法”测量.没有量筒或量杯时,可用弹簧秤和水,通过测量浮力大小,结合阿基米德原理计算Ｖ排（全部浸没）,也可以用天平测排水的质量（全部浸没）,再利用密度知识来计算Ｖ排.当无法直接测物体的质量时,就可以用漂浮的方法利用Ｆ浮＝Ｇ的原理,测出Ｆ浮也就知道了Ｇ,物体的质量也就可求了.这种质量或体积的替代测量方法一般多见于测量物质密度的方法中.还有许多物理量的测量都用到了等效替代法.
等效替代法还可以用在一些器材的等效上,如果在研究某一个物理现象和规律中,因实验本身的特殊限制或因实验器材等限制,不可以或很难直接揭示物理本质,而采取与之相似或有共同特征的等效现象来替代,这样不仅能顺利得出结论,而且容易被学生接受和理解.例如,在探究平面镜成像规律的实验中,用玻璃板替代了平面镜,因两者在成像特征上有共同之处,容易使学生接受,而玻璃板又是透明的,能通过它观察到玻璃板后面的蜡烛,便于研究像的特点,揭示出平面镜成像的规律.有了这些科学方法的启发,学生在以后遇到有关问题时就可能运用自如了.比如在学习伏安法测电阻之后,要求学生设计一个实验,在缺少电压表或电流表,但另给一个定值电阻的情况下,要求测出未知电阻的阻值,应该怎么办?学生就可以用等效替代的思想来进行设计了,即让电流表与定值电阻串联来与电压表等效,或者让电压表与定值电阻并联来与电流表等效,每当学生自我解决了一个问题后,他们绝对会有一种“柳暗花明又一村”的感觉,对物理的兴趣也自然而然的增加了不少.
四、转换法所谓“转换法”,主要是指在保证效果相同的前提下,将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象；将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题；将难以测量或测准的物理量转换为能够测量或测准的物理量的方法.例如,在研究电热的功率与电阻关系的实验中,电流通过阻值不等的两根电阻丝产生的热量无法直接观测和比较,而我们通过转换为让煤油吸热,观察煤油温度变化情况,从而推导出那个电阻放热多.进而再问该实验能否不用煤油而改用其它方式来观察电阻通电后的发热情况?这样促使学生思维得以发散,转换的思维方法得到训练,设计实验的能力也随着提高了.弹簧测力计的原理也隐含了一个间接测量原则.即用可直接量度的量去间接表现那些不便直接观察不便直接测量的量.在这里,弹簧的长度变化是可以直接观察直接测量的,而力的大小是看不到措不着的,但是力的大小却和弹簧长度的变化有关系,所以我们就可以用弹簧的伸长量来量度力的大小.不仅测力计是这样的,温度计、压强计、气压表（高度计）、电流表、电压表、时钟速度表都是如此,看见的是长度、角度的变化,反映的是温度、液体压强、大气压强（高度）、电流、电压、时间、速度的变化.初中物理中有很多地方都用到了转换法的原理.研究物体升温吸热的多少与哪些因素有关时,可通过观察放入其中的相同电热器加热时间的长短来判断吸热多少.利用扩散现象来研究分子的运动及分子运动的快慢.研究动能或势能大小时通过观察运动的小球推动纸盒移动距离的大小或是木桩被打入地下的深度,来推断动能和势能的大小.研究力、电流、磁场时,由于它们都是看不见摸不着的东西,我们可以利用力所产生的效果、电流产生的各种效应、磁场的基本性质来研究它们.比如可以通过泡沫塑料凹陷的程度来知道压力的作用效果大小,用灯光的亮度来感知电流的大小、用电磁铁吸引大头针的个数来判断其磁性强弱.将光在透明空气中的传播转换为在烟或水雾中的传播来观察光的传播方向.再如,把发声体的微小振动用泡沫塑料球的振动来进行放大,把物体热胀冷缩的微小变化用细管中液柱的高度变化来放大,把物体受力后的微小形变用平面镜反射光线的偏转角度来进行放大等等都是利用了转换法.
转换法可以通过转换研究对象、空间角度、物理规律、物理模型、思维角度、物理过程、物理状态、时间角度等达到化繁为简,化难为易,间接地解决问题.这对于学生的想象设计能力和创造性思维品质的培养是大有益处的.
五、理想化方法
纵观物理学发展史,许多重大的发现与结论,都是由于科学家们经过大胆的猜想构思,创建出科学的理想化的物理模型,并通过实验检验或实践验证,在模型与事实基础很好吻合的前堤下获得的.伽里略和牛顿构建了光滑这一理想化的模型,才有惯性定律的重大发现.法拉第在1852年,对带电体、磁体周围空间存在的物质,设想出电场线、磁场线一类力线的模型,并用铁粉显示了磁铁周围的磁力线分布形状,从而建立了场的概念,对当前的传统观念是一个重大的突破.卢瑟福也在1911年构思出原子的核式结构模型.
用理想化模型代替客观原型的研究方法就是“理想化方法”.它又分为“理想实验法”和“理想模型法”.例如,我们在研究真空能否传声的时候,将一只小电铃放在密闭的玻璃罩内,接通电路,可清楚的听到铃声,用抽气机逐渐抽去玻璃罩内的空气,听到铃声越来越弱,这说明空气越稀薄,空气的传声能力越弱.实验中无法达到绝对的真空,但可以通过铃声的变化趋势,推测出真空不能传声,这与牛顿第一定律的建立过程是非常类似的.这属于理想实验法.如果教师在教学中注意很好地渗透这一方法,有利于培养学生的科学思想,提高学生的创新能力.
在初中教材中,我们熟悉的理想化模型有：杠杆（只要能绕着固定点转动的物体都可以看做是杠杆）、斜面（像盘山公路这样起点为低终点高的弯曲面可以看做是斜面）、轮轴（像门把手、汽车方向盘、脚踏板、扳手这样在使用中某部分转动形成的轨迹是一个圆的机械都可以看作轮轴）、连通器（上端开口、底部连通的容器都可以看做是连通器）、薄透镜、光线、磁感线等等.正是引入了这些理想化的物理模型,才得以使我们面对许多复杂的现实问题,通过简化处理能够比较顺利地予以解决.我们也常常运用理想化方法,对于某些问题可以通过寻找和建立合适的理想化模型来处理,即将研究对象、条件等理想化,以达到化繁为简的目的.
另外,常用的科学方法还有类比法、图象法、归纳法、比较法、演绎法、推理法、想象法、逆向思维法、宏观与微观结合法、累积法,以及微分法等等,这里就不一一獒述了.