試析高中物理教材中科學(xué)方法教育因素的挖掘——以“萬(wàn)有引力與航天”一章為例

劉金鳳 魏守國(guó) 李新鄉(xiāng) 田春鳳

（1.曲阜師范大學(xué)，山東 濟(jì)寧 273165；2.山東省青州第二中學(xué)，山東 濰坊 262500）

1 問題的提出

物理教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，因此，物理教學(xué)不應(yīng)該只是物理學(xué)知識(shí)的教育，還應(yīng)該包括科學(xué)方法的教育.物理科學(xué)方法教育的內(nèi)容包括3個(gè)方面，即弘揚(yáng)科學(xué)精神，掌握科學(xué)方法，樹立科學(xué)態(tài)度.

經(jīng)過(guò)幾年的基礎(chǔ)物理課程改革，教師普遍認(rèn)識(shí)到了科學(xué)方法教育的意義，但實(shí)施物理科學(xué)方法教育的效果仍然不盡人意.盡管原因是多方面的，但是不少教師不會(huì)對(duì)教材中的科學(xué)方法教育因素進(jìn)行分析是一個(gè)重要原因.

在物理教學(xué)過(guò)程中開展物理科學(xué)方法教育，必須結(jié)合教材進(jìn)行.但是，教材一般是以知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系為線索而展開的，不會(huì)或很少提及所用的方法.因此，就需要我們分析、挖掘教材中的科學(xué)方法教育因素，這樣才有可能結(jié)合教材進(jìn)行科學(xué)方法教育.

本文以人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》必修2第7章“萬(wàn)有引力與航天”為例，深入探討物理教材中科學(xué)方法教育因素的分析、挖掘方法.

2 高中物理規(guī)律教材中科學(xué)方法教育因素挖掘的案例分析

關(guān)于“物理科學(xué)方法因素的判定原理”，可認(rèn)為“在物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)的建立、引申和擴(kuò)展中，知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)之間的連結(jié)處，一定存在物理科學(xué)方法因素.”當(dāng)我們分析教材時(shí)，只要找出教材中所涉及的知識(shí)點(diǎn)（概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用、習(xí)題等），以及從一個(gè)知識(shí)點(diǎn)沿縱向或橫向到另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)渡處，就可以挖掘出科學(xué)方法因素.下面結(jié)合案例詳細(xì)闡述高中物理規(guī)律教材中科學(xué)方法教育因素的分析方法.

2.1 建立物理規(guī)律過(guò)程中隱含科學(xué)方法

在建立規(guī)律的過(guò)程中，一定存在物理科學(xué)方法因素.因?yàn)樵谔剿饕?guī)律、總結(jié)規(guī)律時(shí)，必須由人們借助于一定的工具（如實(shí)驗(yàn)儀器）、一定的手段（包括人的思維等），通過(guò)一定的操作去觀察、去發(fā)現(xiàn)，這就體現(xiàn)為方法了.在中學(xué)物理中，建立規(guī)律主要運(yùn)用觀察方法、實(shí)驗(yàn)歸納法、邏輯推理法、理想實(shí)驗(yàn)法、圖像法以及假說(shuō)方法等等.

上述教材第1節(jié)“科學(xué)足跡”中介紹了人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)過(guò)程，可以通過(guò)對(duì)3位主要科學(xué)家——哥白尼、第谷、開普勒的研究過(guò)程進(jìn)行深入分析，挖掘出其中蘊(yùn)含的科學(xué)方法教育因素.

托勒密提出“地球是宇宙中心”的學(xué)說(shuō)，流傳了1 400多年，一直為人們所接受，得到了神學(xué)家的支持，但是對(duì)行星逆行現(xiàn)象的解釋缺少簡(jiǎn)潔性.哥白尼堅(jiān)信宇宙和自然是美的，美的東西一定是簡(jiǎn)單與和諧的，提出了“太陽(yáng)中心學(xué)說(shuō)”，沉重打擊了教會(huì)的宇宙觀.伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了圍繞木星轉(zhuǎn)動(dòng)的“月球”，進(jìn)一步表明地球不是所有天體運(yùn)動(dòng)的中心.從表面上看，從地心說(shuō)到日心說(shuō)不過(guò)是參考系的改變，其實(shí)，這是一次真正的科學(xué)革命，使人們的世界觀發(fā)生了重大變革.這種觀念的變革，在哥白尼那里還是隱含的.意大利學(xué)者布魯諾將它公開說(shuō)了出來(lái)，為此被宗教裁判燒死在羅馬的鮮花廣場(chǎng)，為科學(xué)付出了生命的代價(jià).布魯諾相信真理而不迷信權(quán)威的實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度值得我們深思、學(xué)習(xí).哥白尼的學(xué)說(shuō)對(duì)開普勒的工作是一個(gè)不可缺少的序幕，為牛頓確定運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律提供了可能性，并且從中我們可以看出物理美學(xué)在物理學(xué)的發(fā)展中，也具有方法論的作用和意義.

第谷一生都致力于天文觀測(cè)，他的觀測(cè)結(jié)果不僅為哥白尼的學(xué)說(shuō)提供了關(guān)鍵性支持，而且是開普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ).教材對(duì)第谷精于“觀察自然”的描述，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀察手段在科學(xué)研究中的重要作用.觀察不僅僅是通過(guò)感官去觀察，還可以使用科學(xué)儀器，科學(xué)觀察還需要準(zhǔn)確而周密的觀察記錄.

開普勒從相信行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)思考問題開始，到對(duì)火星軌道70余次嘗試所得的結(jié)果都與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)有至少8′的角度偏差，相當(dāng)于從10m以外觀察一個(gè)一角的硬幣，就是這樣小的誤差，開普勒也不放過(guò)，直至最后他對(duì)第谷數(shù)據(jù)的精確性深信不疑，這不容忽視的8′也許正是因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動(dòng)并非勻速圓周運(yùn)動(dòng).第一次大膽地對(duì)人們長(zhǎng)期以來(lái)視為真理的觀念，天體在做完美的勻速圓周運(yùn)動(dòng)表示懷疑.我們不得不被開普勒尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度所折服.

同時(shí)我們也應(yīng)該看到，第谷和開普勒是兩個(gè)風(fēng)格截然不同的科學(xué)家，一個(gè)擅長(zhǎng)觀察，另一個(gè)是數(shù)學(xué)天才，但是誰(shuí)的作用也不可忽略，第谷從觀測(cè)實(shí)驗(yàn)入手，開普勒對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行邏輯推理、數(shù)學(xué)歸納，通過(guò)對(duì)部分行星運(yùn)動(dòng)的研究，運(yùn)用枚舉歸納揭示了行星運(yùn)動(dòng)的整體規(guī)律，雖然當(dāng)時(shí)尚有一些行星未被發(fā)現(xiàn)，他不可能窮盡所有例證，但他的思維卻透過(guò)部分而發(fā)現(xiàn)了整體規(guī)律，把幾千個(gè)數(shù)據(jù)歸納成如此簡(jiǎn)單的幾句話，物理學(xué)的簡(jiǎn)潔美、科學(xué)探索的樂趣與科學(xué)方法的魅力可見一斑.人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)過(guò)程充滿著曲折與艱辛，科學(xué)規(guī)律的建立不是一蹴而就的，它需要幾個(gè)人甚至幾代人的不懈努力.

2.2 由一個(gè)規(guī)律向另一個(gè)規(guī)律的過(guò)渡處隱含科學(xué)方法

由一個(gè)規(guī)律向另一個(gè)規(guī)律過(guò)渡時(shí)，并不是簡(jiǎn)單的堆列，當(dāng)一個(gè)規(guī)律建立時(shí)，必定會(huì)引發(fā)更深層次的問題，從而建立新的規(guī)律.解決這些深層次的問題需要科學(xué)方法.

開普勒定律發(fā)現(xiàn)后，人們開始更深入地思考：是什么原因使行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)？牛頓認(rèn)為，以任何方式改變速度（包括改變速度的方向）都需要力.使行星沿圓或橢圓運(yùn)動(dòng)，需要指向圓心或橢圓焦點(diǎn)的力，這個(gè)力應(yīng)該就是太陽(yáng)對(duì)它的引力.很容易想到太陽(yáng)對(duì)行星的引力跟行星到太陽(yáng)的距離有關(guān)，然而它們之間有什么定量關(guān)系？教材就是通過(guò)這樣的問題和方法引入第2節(jié)“太陽(yáng)與行星間的引力”的.一方面由于高一學(xué)生缺少橢圓知識(shí)和微積分知識(shí)，另一方面行星運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道十分接近圓，所以教材按照?qǐng)A軌道進(jìn)行推導(dǎo)，得出太陽(yáng)與行星之間作用力的規(guī)律.近似圓處理體現(xiàn)了理想化的方法、推導(dǎo)過(guò)程蘊(yùn)含了數(shù)學(xué)方法及規(guī)律本身具有方法論的意義.

既然是行星與太陽(yáng)之間的力使得行星不能飛離太陽(yáng)，那么，可以進(jìn)一步設(shè)想，是不是地球?qū)Φ孛嫖矬w的力使得地面物體不能離開地球，總要落回地面呢？高中物理教材多次運(yùn)用設(shè)疑提問的方法，使得問題環(huán)環(huán)相扣，層層深入.

上述教材第3節(jié)“萬(wàn)有引力定律”引導(dǎo)學(xué)生追尋牛頓的足跡發(fā)現(xiàn)規(guī)律.牛頓大膽猜想，把天上的力學(xué)與地上的力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，地球?qū)υ虑虻牧Α⒌厍驅(qū)Φ孛嫖矬w的力、太陽(yáng)對(duì)行星的力，也許真是同一種力.在這個(gè)問題的學(xué)習(xí)中，可向?qū)W生滲透科學(xué)猜想的方法.猜想要由事實(shí)來(lái)檢驗(yàn).月—地檢驗(yàn)說(shuō)明了地面物體所受地球的引力與月球所受地球的引力真的是同一種力.接著牛頓做了更大膽的設(shè)想，是否任意兩個(gè)物體之間都有這樣的力呢？牛頓將它推廣到宇宙中的一切物體之間.最后一步的假設(shè)，雖然無(wú)法得到直接驗(yàn)證，但是我們沒有反駁它的理由，而且以后無(wú)數(shù)的事實(shí)都支持了這一點(diǎn).物理學(xué)許多重大理論的發(fā)現(xiàn)，不是簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，它需要直覺和想象力、大膽的猜想和假設(shè)，再引入合理的模型，深刻的洞察力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)處理和邏輯思維，常常是一個(gè)充滿曲折和艱辛的過(guò)程.

2.3 表述規(guī)律時(shí)隱含科學(xué)方法

規(guī)律的表述過(guò)程中一定存在物理科學(xué)方法因素.規(guī)律可以用語(yǔ)言來(lái)描述，也可以運(yùn)用符號(hào)、公式和方程等來(lái)表征即采用數(shù)學(xué)模型的方法.數(shù)學(xué)模型可以反映物理原型的本質(zhì)特征和關(guān)系，又具有最簡(jiǎn)單的形式，使物理問題得到簡(jiǎn)化.

開普勒用數(shù)學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了規(guī)律、用簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言表述了規(guī)律，特別是第三定律運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的方法將一個(gè)天體周圍幾個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系了起來(lái).同樣地，牛頓也是利用他深厚的數(shù)學(xué)功底建立了萬(wàn)有引力定律，并給出了具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用最簡(jiǎn)單的形式描繪了自然界中一切物體之間存在的引力相互作用.這就說(shuō)明規(guī)律可以用簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言來(lái)表述，也可以用數(shù)學(xué)模型來(lái)呈現(xiàn).

教材在給出萬(wàn)有引力定律公式之后，對(duì)“距離”進(jìn)行了界定，強(qiáng)調(diào)萬(wàn)有引力定律成立的條件——兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間.這個(gè)條件可擴(kuò)展到均勻球體和質(zhì)點(diǎn)間以及兩均勻球體間.這一部分應(yīng)用了理想化的質(zhì)點(diǎn)模型.因?yàn)檠芯咳魏蝺蓚€(gè)物體之間的萬(wàn)有引力，實(shí)際上是很復(fù)雜的.此時(shí)，我們可以忽略原型中的次要因素，集中突出原型中起主導(dǎo)作用的因素，摒棄次要矛盾，突出主要矛盾，把物體抽象為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn).

2.4 規(guī)律的應(yīng)用隱含科學(xué)方法

當(dāng)運(yùn)用規(guī)律解決問題時(shí)，一定存在物理科學(xué)方法因素，一方面這個(gè)過(guò)程需要一定的方法，另一方面此時(shí)規(guī)律本身也具有方法論意義了.

在第4節(jié)“萬(wàn)有引力理論的成就”中，計(jì)算天體質(zhì)量，對(duì)于地球質(zhì)量教材是通過(guò)忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，利用地面物體所受的重力等于地球?qū)ξ矬w的引力計(jì)算得出的，體現(xiàn)了理想化的方法.太陽(yáng)的質(zhì)量是利用行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是由它們之間的萬(wàn)有引力提供的，由此列出方程，由于行星運(yùn)動(dòng)的角速度不能直接測(cè)出，但是測(cè)出它公轉(zhuǎn)的周期，可將角速度用周期替換，從而解出太陽(yáng)的質(zhì)量，這里體現(xiàn)了等效替代的科學(xué)方法.發(fā)現(xiàn)未知天體，通過(guò)對(duì)海王星發(fā)現(xiàn)過(guò)程的敘述，人們發(fā)現(xiàn)根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的天王星軌道與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果總有一些偏差.有人認(rèn)為萬(wàn)有引力定律的準(zhǔn)確性有問題，另一些人推測(cè)是因?yàn)橛形窗l(fā)現(xiàn)的行星對(duì)天王星的吸引使其軌道產(chǎn)生了偏離，最終發(fā)現(xiàn)了海王星，體現(xiàn)了懷疑、創(chuàng)新、求真的科學(xué)精神.

在以上過(guò)程中，計(jì)算天體的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)未知天體，以及在第5節(jié)“宇宙航行”中計(jì)算3個(gè)宇宙速度等都把萬(wàn)有引力定律作為研究問題的直接方法.也就是說(shuō)，在運(yùn)用規(guī)律解決實(shí)際問題時(shí)，規(guī)律本身也就具有方法論的意義了.

2.5 從物理學(xué)家的失誤看科學(xué)方法

人們總是希望成功，但沒有一種方法是萬(wàn)無(wú)一失的.科學(xué)家在總結(jié)規(guī)律的過(guò)程中，也常常出現(xiàn)一些錯(cuò)誤.教材中有計(jì)劃地介紹主要物理學(xué)家的科學(xué)方法與科學(xué)思想，總結(jié)物理學(xué)家的失誤及失敗的教訓(xùn)，同樣具有方法論的意義.

教材在“科學(xué)足跡”欄目中介紹了開普勒由“失敗”到“研究”到“成功”的過(guò)程，從中找出失敗的原因，繼續(xù)研究，就會(huì)獲得成功.牛頓有許多年陷入煉金術(shù)、《圣經(jīng)》的年代學(xué)及其他神秘探索，他犯過(guò)的錯(cuò)誤和性格上的弱點(diǎn)也許比人們知道的更多，但他仍是一位無(wú)與倫比的巨人.人無(wú)完人，任何大家都會(huì)陷入錯(cuò)誤的漩渦，適當(dāng)介紹他們的失誤，就會(huì)讓讀者有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，避免產(chǎn)生盲目崇拜.同時(shí)介紹他們堅(jiān)韌不拔地為科學(xué)事業(yè)作出的不朽貢獻(xiàn)，不僅不會(huì)降低科學(xué)家的威望，反而更會(huì)讓讀者因?yàn)樗麄兊目茖W(xué)精神和科學(xué)態(tài)度所折服.

3 總結(jié)與建議

教材一般是按照知識(shí)體系和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律編寫的，不可能將科學(xué)方法都一一明確呈現(xiàn).然而物理科學(xué)方法教育應(yīng)當(dāng)采用顯性方式，也就是說(shuō)，教學(xué)中教師公開進(jìn)行科學(xué)方法教育，學(xué)生有意識(shí)地接受科學(xué)方法訓(xùn)練，方法教育的形式是外顯的.一方面，教師應(yīng)該補(bǔ)充與科學(xué)方法教育有關(guān)的理論知識(shí)，能夠按照科學(xué)方法因素判定原理，挖掘教材中隱含的科學(xué)方法教育因素.另一方面，由于多種因素的制約，教材對(duì)相關(guān)物理學(xué)史的介紹相當(dāng)有限.面對(duì)這種情況，教師應(yīng)該通過(guò)多種渠道主動(dòng)搜集與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的物理學(xué)史資料，并在物理課堂上結(jié)合教學(xué)內(nèi)容向?qū)W生介紹物理學(xué)家在探究過(guò)程中使用的一些科學(xué)方法.

1 張憲魁.物理科學(xué)方法教育.青島：青島海洋大學(xué)出版社，2000.13，28

2 李正福，李春密，邢紅軍.從隱性到顯性：物理科學(xué)方法教育方式的重要變革.課程·教材·教法，2010（12）：73