中学物理方法教育的数学模式

在中学物理教学中，进行方法教育的意义已逐渐被大家所认识。为了使方法教育在中学物理教学过程中得以实施，除了继续认识方法教育的价值外，还要建立适合中学教学实际的、有效的教学模式。作为合理的方法教育的教学模式，应满足以下几个方面的要求：

①中学方法教育的目的是使学生初步认识科学探究的过程，促进科学素

质的形成，并为建立正确的世界观打下良好的基础；使学生学会一些科学的方法，进而提高能力。方法教育的教学模式要体现素质教育和能力教育的教学过程特征，以保证方法教育目的的实现。

②“（自然科学的）科学方法是自然研究活动领域中行为方式”，它是研究科学活动过程的途径、手段和方式。所以，科学方法的知识有过程性和操作性的特征，而我们的教学是要让学生认识这些途径，学会使用手段，因此教学模式应有利于揭示科学方法的过程，并含有运用手段的操作过程。

③“科学方法论是关于认识世界和改造世界的方法理论”。作为一种科学理论，自然有由概念、规律、原理等组成的知识体系，并具有自身的系统性。我们并不开设独立的课程（选修课除外）进行科学方法教育，只是依附物理知识教学的过程，而物理知识也有它的系统性。鉴于这样的教学背景，方法教育的教学模式必须很好解决这两个系统的矛盾，使两个教学过程有机地结合起来，相互促进，而不是相互干扰。结合的方式可以是在知识的系统中发掘方法教育的因素，用方法论的知识结构加以组织，形成一条依附知识教学系统主线的副线。

根据以上认识，杭州二中徐承楠老师对几年来方法教育的教学实践进行总结，提出隐性和显性两种教学模式，下面就这两种教学模式进行讨论。

隐性模式

所谓隐性模式就是用反映科学认识基本过程的科学方法的一般程式去组织对科学知识的概念、规律、原理的教学过程，使学生的认识过程模拟科学探究过程。但教学过程中并不明确地去揭示所采用的科学方法一般程式的原理、各阶段具体方法的名称和有关知识。

这种模式是建立在科学的认识过程和教学的认识过程有相似之处的基础上。它们的认识过程有共同的认识对象并得到共同的结果，一般也服从共同的认识规律。如果教学的认识过程更接近科学认识过程，就能使学生感受科学探究过程，得到科学研究的启蒙，达到科学方法教学的目的。但由于科学方法的哲学原理是深奥的，科学认识基本过程各阶段所采用的方法是多样的，在很短的教学过程中阐明有关方法论的知识，使学生理解科学认识过程的原理是有困难的，所以采用了隐蔽的方式进行。

科学方法的一般程序可以简单地图示如下：

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根据以上程式及教学的实际情况，把教学的基本过程设计如下：

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下面以楞次定律的教学过程为例，来说明如何按照这种模式进行教学。

问题提出。在上一节产生感生电流条件研究的基础上，从进一步认识感生电流的角度提出研究感生电流的方向。
现象的收集和分析。启发学生回忆研究感生电流产生的条件的实验中电流表指针偏转的情况。从现象可直接知道，不同的实验过程中，感生电

流的方向是不同的。

典型实验事实的获得。先选择两个典型实验（如图 1、2 所示，该实验可以演示，也可以分组进行）。分两步进行实验，第一步试探性地进行，把不同极性的磁极插入线圈或从线圈中拔出；（图略）

在使原线圈中电流方向不同的情况下，改变它的大小，观察感生电流表指针偏转方向，从中猜测可能影响感生电流方向的因素。第二步进行有控制的单因子实验，即使线圈中原来磁场方向不变，改变它的大小。观察电流表指针偏转情况，再控制磁场改变的情况，比较不同磁场方向情况下电流表指针的偏转，并作下记录。

实验事实的分析并作推理。对实验所显示的磁场方向，电流（产生磁场的电流）方向，磁场变化的情况等因素与感生电流方向关系作分析，概括出带普遍性的，表述简洁的定律。为了使定律更具普遍性，淘汰用产生磁场的电流方向来描写感生电流方向的方法；由于用磁场的方向直接描写电流方向的困难，淘汰用原磁场的方向描写感生电流的方法。考虑到比较的方便，引入感生电流的磁场方向这个因素，在实验记录中把这个因素显示出来，再作比较，可发现原磁场增大时，感生电流磁场和它的方向相反，原磁场减弱时，感生电流磁场和它的方向相同。
提出假说并加以检验。在上面分析基础上概括成楞次定律（一般来说，由学生概括成书上的楞次定律的表达形式是困难的，故可在学生讨论基础上，经教师的引导而得到），但此时仍处假说阶段。对假说的检验可以是实验，也可以是理论。用实验检验时选用的实验应与原来得出规律的实验的情景差异大一些，这样可信性就增加。理论的检验是指这个假说是否得到“包含更广的假说或理论”的支持，“如果一个假说与当时公认为得到充分确证的假说和理论相冲突，那么假说的可信就受到不利的影响。”对于楞次定律可用能量守恒定律去检验。经检验后，才确认楞次定律，学生也从能量的高度获得对楞次定律产生更深刻的认识。

以上的设计自然不能脱离教材而另搞一套，而是对教科书的内容加以补充、组织。另外，我们还要解决时间和效果的矛盾。因为教学过程越接近科学探索过程，学生参加探讨的活动就越多，学生对科学过程的“感受量”就越大，科学方法教育的效果就越好，但这需要很多的时间，所以要掌握适度原则，在教学时间许可的条件下，争取更好的效果。

显性模式

所谓显性模式是指进行科学方法教育时，明确指出这种科学方法的名称，传授有关该方法的知识，揭示方法的形式、操作过程，说明原理。也就是说教师公开宣称进行科学方法的教育，学生处于有意识地接受科学方法知识的状态，教学过程的方法教育的形式是外显的，所以称为显性模式。

运用这种模式进行教学所选用的方法可以是科学认识过程中各阶段采用的方法，如观察法、实验法、理想化方法、模型方法等。也可以是解决问题

过程中技巧性的方法，如隔离法、等效代替法、虚设法、特殊值法等。就每一个方法来说，涉及该方法的知识不多，形式是确定的，原理也容易接受，学生也有可能模仿进行操作练习，教师可以设计目标，让学生达成。而且这些方法的掌握是形成能力的基础，从培养能力的角度来看是必要的。

这种教学实质是知识和技能相结合的教育。教学过程要阐明方法的定义，方法操作的基本形式、作用、原理依据、适用范围；而且还要有操作练习。下面以理想化的方法为例，说明这种教学过程。

通过特殊到一般的过程，概括理想化方法的定义。第一步在学习质点、单摆、理想气体、自由落体、匀速圆周运动、简谐振动等概念以后，对它们作对比分析，它们虽然有的是理想的“实物”，有的是理想的过程，但它们的共同点是对客观存在的纯化反映，是抽象的绝对理想形态，所以我们把这些称之为理想模型。在介绍伽利略的一些理想实验后，又指出这类的实验是纯化条件、塑造理想过程、进行逻辑推理而得到一定的结论。

第二步把理想模型和理想实验作比较。指出它们不同点是：理想模型是作为一种形态的形式存在，而理想实验作为一种推理过程的形式存在。它们的共同点是“以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略了次要因素”，从而更深刻地反映客观，这样的方法就是理想化方法。

通过理想化方法过程的展示，明确理想化方法的形式和操作方式。理想化过程是抽象过程，这个抽象的内容是提取主要因素，所以展示过程就要对对象所含的因素进行分析，根据研究问题的需要和具体情况确定主要因素和次要因素，保留主要因素略去次要因素，再根据主要因素的特征，建立模型。作这样的抽象可以是理性分析，如一个物体有大小、形状、刚性等外表形态和质量等内在性质。为了研究物体的整体运动状态，在物体处于动和物体的大小比运动的空间小得多的两种情况下，大小、形状、刚性等均为次要因素，而质量为主要因素（这一点学生在学完牛顿第二定律才能体会到），于是建立只有质量而无大小的质点模型。有时也可用实验的方法来说明理想化过程和它的合理性。如为了建立理想化透镜模型，可用图示装置的实验。先用比较厚的透镜对平行于主光轴的光线聚焦，实验显示出通过透镜的光线明显地不聚在一点上，然后换作较薄的透镜，各交点逐渐靠拢。再把离主光轴较远的光线用遮光板挡住，剩下的光线就几乎交在一点上。于是在薄透镜和近轴光线的条件下，平行于主轴的光线经透镜折射交于主轴的一点上，这一主要因素就被提练出来，由此我们建立了能把平行于主轴的光线会聚在一点的理想透镜模型。（图略）
运用模型的过程中体会理想化方法的作用。在理想模型基础上建立的定律有简洁性特征，而且实验可说明结果又与实际符合得很好，我们可以用事实说明以上两点。如在单摆模型基础得出的周期公式很简单，但用它来测定重力加速度时，获得的结果也很准确。学生在接受这些事实的情况后，能体会到理想化方法的作用。
在学生逐步理解理想方法的基础上，让学生参与“理想化过程”，对几个典型的模型进行理想化过程的分析，以作为练习。也可以在习题中进行把实际对象转变为理想模型的练习。

显性模式的教学过程要处理好系统性问题，学生接受一个方法的知识需要过程，如果不安排好次序，会影响教学效果。组织这个系统可以从两方面着手，一是挖掘教材中的方法教育因素，二是分析方法过程特征。另外还要处理好各方法之间的关系，在有限的教学时间内只能选用几个主要的方法进行教学。教学中也可以把各方法作比较，如学生会把理想化方法和模型方法混淆，我们可以指出前者是设计模型过程中的手段，而后者则包含模型的建立、检验、修改、从模型中推导出假说等多个过程的理论思维发展的方式，从而把两者加以区别。科学方法还具有层次性，前面提到的这些自然科学方法中含有推理、分析和综合、抽象等逻辑方法，这些方法是自然科学方法的元方法，教学中不必对元方法展开深入讨论。自然科学方法中还含有哲学原理，根据学生可接受性原则，也只能“点到为止”。

两种模式不是完全对立的，隐性教学过程中可以有显性的表现，为了教学的方便，提出方法名称，很简单地指明方法的手段，也是必要的。显性模式中也有隐蔽阶段，显示科学方法是教学的需要，一个方法在中学物理知识系统中多次用到，不可能也无必要让它全部地显示出来。