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1、谈谈物理学方法论的教学问题谈谈物理学方法论的教学问题物理学方法论是自然科学方法论的一个分支，它是用唯物辩证法为指导对物理学的研究方法进行研究的有关理论，主要探讨用什么方法去研究物理现象、怎样描述物理现象、如何探讨并总结归纳物理规律等。本文就中学物理教学中进行方法论教学的意义和如何进行方法论教学的问题，谈谈个人粗浅的看法。一、进行方法论教学的重要意义一、进行方法论教学的重要意义学生在校学习物理应学些什么？按照新的教学思想，学生必须学习这门学科的基本结构，即基础知识、基本原理、规律和研究这门学科的基本方法。这两大部分中，后者的价值并不小于前者。从某种意义讲，知识是客观存在的、不变的，而方法则是灵活
2、的、活跃的、富有创造性的。伽里略已死去三百多年，他所发现的自由落体规律在物理学知识的长河中所占比例愈来愈小，但他研究问题所创造的一套科学方法，却不断为后人所继承、发扬，创造了比自由落体规律高出千百倍的财富。实践证明，如果仅仅让学生学懂了自由落体规律当不了科学家，但是，如掌握了伽里略研究问题的方法，那将受益不尽。（二）历史上，自然科学家都十分重视方法论的研究。许多物理研究工作者在取得科研成果的同时，也创造出了引人注目的方法论，这是人类宝贵的精伸财富。爱因斯坦指出：在衡量人才的贡献时，主要看他们在自己的一生中“想的是什么和他怎样想的”，也就是说，既要关注人才向社会提供的物质成果，更要注意从他们那里
3、吸取科学的思想方法以及思维的艺术。他在介绍自己取得科学成功的秘诀时，总结了一个公式：A（成功）X（艰苦的劳动）十 Y（正确的方法）十 Z（少说空话）。德国著名物理学家玻恩（188 一 1970）说：“我荣获 1954 年的诺贝尔奖金，与其说是因为我所发表的著作里包括了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里面包括一个关于自然现象的新思想方法基础的发现。”（三）正确的方法论是马克思主义的重要组成部分。因为自然科学方法论是自然科学与哲学的一个结合点，它的研究对于哲学和自然科学双方都有重要的意义。在反杜林论哲学篇及自然辩证法中，恩格斯对自然科学方法论作了广泛的研究、探讨，论述了方法论的许多重要原则。因
4、此学习方法论有助于物理学工作者和青年人更好地学习唯物论和辩证法，促进世界观的改造。斯蒂芬梅森说：说起任何特殊的科学理论来对人类的价值观影响最大的恐怕还是科学的方法论。特别应该指出，由于物理学研究的是关于物质的基本性质和能量转换的系统知识，而它的研究方法又符合辩证唯物论的一般认识规律，因此，物理学方法论在科学方法论的研究中又有着特殊的意义。例如，物理学方法向其他自然科学或技术科学转化、移植，形成了一些新的边缘科学：物理学与天文学结合形成天体力学、天体物理；与化学结合形成物理化学、量子化学；与生物学结合形成生物力学、生物物理、分子生物学、量子生物学等。著名的理论物理学家薛定愕在生命是什么一书中，把
5、热力学和量子力学的理论和方法引入到了生物学中去。历史学家运用物理实验的方法，按照古书中记载的西汉造纸的蛛丝马迹，经过四十多次的模拟实验，制成了可以书写的模拟西汉麻纸，使我国发明造纸的时间从东汉蔡伦提前至西汉，引起了国内外历史学家、科技史学家的注目。语言学家移植了物理学中“熵”的概念和热力学第二定律，解释了中外语言断片的“拉长运动”（如“全身黄栗色的马”，古汉语上用一个字“膘”即可表示了）。因此，教给中学生研究物理学的方法，不论他们将来从事什么工作，都可以说是受益终身的。（四）学习方法论，有利于尽快培养创造性人才。因为学习方法论可以使人们掌握正确的思想方法和工作方法，提高科学素养和科学鉴识力，指
6、导学生进行创造性的研究工作。实践证明，知识愈丰富，方法论的思想愈新颖，而正确的方法又可以加快人们更多地去掌握知识，所以有人说，正确的方法是科学之魂。对青年学生来讲，在学习阶段较早地接受方法论的指导，无疑会大大地缩短他们参加工作后凭借个人的经验而漫无边际摸索的阶段，有利于青年充分利用富有创造力的青年时期。因此，现在世界各国都把方法论的研究提到空前的高度，美国麻省理工学院为学生专门增设了方法论这一专门课程我国 1978 年在制定 19781985 年 8 年全国科技规划时，“自然科学史和科学方法论”被列为重点研究项目之一。南京大学为学生开设了科研方法论选修课。上海和四路小学，为学生开设创造技法课，
7、从小培养学生掌握研究问题的方法，这都是有远见的做法。最后应指出，进行方法论的教学与培养能力是一致的，一个人掌握的方法愈新颖、愈灵活，他的能力也就愈强。二、怎样进行方法论的教学二、怎样进行方法论的教学物理学任何一个概念的引入，或新规律的发现与总结都渗透着方法论的思想，而且是各种方法的综合运用，因此，应该把方法论的教学贯彻于教学的始终，教学的各个环节，并且把方法论的教学寓于知识的传授之中，与知识的传授结合进行。（一）讲授新概念，研究新问题，结合讲授研究物理问题的基本方法。例如，我们研究物理现象及其规律首先要确定研究对象，这就涉及如何建立理想模型问题，诸如质点、理想流体、理想气体、点电荷、完全弹性体
8、、简谐振动等。因此可结合向学生介绍什么是理想模型！为什么引入理想模型？引入的可能性及其使用条件。又如，类比是科学地认识自然的重要方法，它是立足在已有知识的基础上，为进一步认识事物的一种有效的试探性方法，它往往是探索新知识的先导，是科学假说的前提，培养学生具有这种思维素质是很有好处的。类比也可用于教学上，教学中恰当地类比，可少费口舌，化抽象为具体，使新知识有似曾相似的亲切感，但又不是重复，从而激发学生的兴趣。例如讲电势概念时与电场强度的引入作类比。（二）结合物理规律的研究，介绍总结物理规律的方法。1规律的总结一般都是在观察与实验所提供的可靠的资料及实验数据的基础上，运用分析、综合、归纳、演绎、数
9、学运算、猜测等多种方法而获得的。第谷毕生的精力都用于观察星体上，积累了 750 个星体的丰富资料，但仅是一堆可靠的确切的资料而已，并不能说明天体运动的规律，更无法根据这些资料作出科学的预见。后来，开普勒经过九年艰苦的研究，运用猜测、类比、假设、计算等各种方法，终于在杂乱无章的数字资料中找出了规律，总结出了开普勒三定律，从而为天体的运行“立了法规”。2总结规律要遵循简单性原则，这也是物理学的美学原则之一。物理学史表明，科学家都十分注意用最简单的公式来表示客观规律。例如，牛顿只用了几条简洁的定律，就概括了物质世界纷繁的运动现象，完成了物理学史上伟大的综合。相对论之父爱因斯坦说：“我们在寻求一个能把
10、观察到的事实联结在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性，我们所谓的简单性，是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少”。又如人们在研究光的折射现象时，发现折射角随着入射角的改变而变，下页表列出了用玻璃砖所作的实验中测得的几组入射角和对应的折射角的度数。目的是要找出 r 与 i 的关系，为此用横坐标表示 i，纵坐标表示 y，用描点法画出它们的图线，如图 1 中实线所示。因为图线不是简单的一次或二次函数，为了找出更为简单的关系，大约经历了一千多年的时间，荷兰物理学家斯涅尔发现入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数（笛卡尔作了理论证明），这样用图 2 表示 sini 与 sinr 的关系就是一
11、条简单的直线了。入射角 （度）折射角 （度）比值 比值 sinisin00不确定106.71.501.492013.31.501.493019.61.531.494035.21.591.515030.71.631.506035.11.711.517038.61.811.508040.61.971.513讲清楚在总结规律时容易出现的错误。谬误无所不在，无孔不入，没有一种方法是万无一失的。科学家在总结规律的过程中，也常常出现一些错误。例如对直观感觉的材料不作理性分析就会导致错误。因为自然规律总是隐藏在事物的大量现象的背后，有的现象反映了事物的本质，有的却是事物的假象。假象是事物易消失的俱然或次要因
12、素的反映，如果不加分析，单凭直觉出发常会得出错误的结论。亚里士多德关于运动的理论，就是犯了这种方法论的错误而往出的错误的结沦。而伽里略能够不被表面现象所迷惑，对直观现象进行认真的理性分析，尽管他也是看到不同的物体在空气里下落有快有慢，但他同时还注意到不同的物体在空气里于落速度的差异比在水中小，因此他设想，如果介质越稀薄物体下落速度的差异就越小，因此他推论“在一个完全没有阻力的介质中，所存物体以同一速度降落”。又如，盲目地根据一两个实验结果总结规律，往往造成谬误。研究椤次定律时，按照图 3 示进行实验，两次向线圈中插磁铁、结果线圈中感生电流的磁场总是使线圈上端的极件与磁铁下端的极性相同，如果据此
13、我们总结规律：“感生电流的磁场方向总是与原来磁场的方向相反”（这是学生在应用椤次定律时常出现的错误）。这显然是不对的。（三）结合介绍物理学家及物理学史上的重大发现，介绍物理学方法的综合运用。物理学史已经充分证明，每一项重大发现往往都是各种物理上方法综合运用的结果。例如在讨论自由落体运动时，可以结合教学伽里略的方法论去做。大家知道，伽里略在物理学史上占有重要地位。被后世誉为“近代科学之父”，这不仅与他在科学上的伟大成就有关、而且与他在科学方法上的革命性转变分不开。正是由于他在科学方法上的创新、引导自然科学走上了正确的道路。伽里略创立的科学实验方法，改变了从直观感觉或臆想出发纯粹逻辑地推演出结论的
14、思辨方法、强调对直观感觉材料要作理性分析，要由实验检验。他非常重视观察和实验，制造出望远镜对星体进行观察；为了证实重物下落不比神物快的结论。他亲自登上比萨斜塔作自由落体实验；作外面实验时没有准确的计时工具、就用自己制造的水漏计时。伽里略十分重视数学的作用，把它作为描述自然界的语言，使自然科学不仅停留在定性叙述上，而且开始迈进定量表示的阶段。同时又把它作为推理的工具，使自然科学能确切地预言新的事实，他把实验与数学紧密结合形成了实验数学方法。他为了证明自由下落加速度为常数（在当时是很困难的，因为很短，很小，很难测试），于是他借助于数学，根据 h平均速度时间,欲证 a 为常数，可转化为证明为常数，显
15、然 h 与 t 比、易测定，很巧妙！伽里略还把实际的实验与理论思维紧密结合起来，形成一种新的方法理想实验的方法。并用此法导致了惯性定律的发现。这种方法使逻辑推理有了坚实的实验基础，既改变了过去纯粹逻辑推时的思辩方法，又克服了只重经验、归纳的片面性。（四）挖掘教材中的方法论思想。教材不可能完全按科研的程序工编写，因此教材中的一些方法论思想还要靠我们有意识地去挖掘。例如初中物理“测量”这部分数村就包括着丰富的力法论思想：测量本身渗透着等效的观点（做测物体的长度与当作标准的尺的几倍相当）；测量特殊形状物体的尺度（如圆锥体的高）运用几何图形的方法；测量很薄的纸张的厚度）在本很小的物体的质量或者是很细的
16、金属丝的直径采用了积分求和之后再求平均的方法；而测量曲线的长度则是利用了以直求曲的方法，贯穿着微分求和的思想。在研究密度、比热、电阻等表证物质特性的量的买验时，采取了对比实验的方法。运用微小压强计测压强或者运用细管中小液注的移动来观察气体受热后的膨胀现象，则是利用了“广义的放大法”来提高演示实验效果的明显性。（五）注意吸取和介绍一些新的万法论思想，例如系统理论的方法论思想所谓系统方法，就是按照事物个身的系统性把对象放在系统中加以考察的一种方法；即从系统的观点，始终着重从整体与部分之间，整体与外部环境的相互联系、相互作用、相互制约的关系中，综合地、精确地考察对象以达到最佳地处理问题的一种方法。它的基本出发点就是把整体作为研究对象，这给我们提供了研究问题的有效方法。例如：有甲乙丙三种液体，其质量分别为 m1、m2、m3，温度分别为 t1、t2、t3如果将它们混合在一起，试求达到平衡时的温度。按照一般教材中介绍的热平衡方程，需要分两步计算，即先计算甲乙混合后的温度，然后再与第三种混合，这样要列两次热平衡方程，而且实质上是把本来同时进行
