科學(xué)研究方法教育在學(xué)科競賽中的應(yīng)用

劉永愷 武嘉

摘要：物理學(xué)是集實(shí)驗(yàn)、理論、應(yīng)用、思想、方法為一體的自然科學(xué)，在物理學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)含了大量的科學(xué)研究方法，這些方法被人們所繼承、發(fā)揚(yáng)，極大地推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步?？茖W(xué)研究方法教育往往是我們教學(xué)過程中容易忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章以大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽為例，結(jié)合學(xué)生參加競賽經(jīng)驗(yàn)、論述科學(xué)研究方法在大學(xué)生學(xué)科競賽中的重要應(yīng)用，指出尋找和應(yīng)用科學(xué)研究方法對啟發(fā)大學(xué)生智慧和創(chuàng)新具有的重要意義。

關(guān)鍵詞：科學(xué)研究方法;學(xué)科競賽;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0050-02

物理學(xué)的發(fā)展過程伴隨著科學(xué)研究方法的應(yīng)用和演化?？v觀高中和大學(xué)物理課程，每一個(gè)定律或定理的發(fā)現(xiàn)，無不體現(xiàn)著物理科學(xué)家對科學(xué)研究方法的成功應(yīng)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時(shí)，更應(yīng)注重科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。在學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)過程中，方法論往往是被我們輕視的一步，教學(xué)成了實(shí)踐到認(rèn)識的簡單過程。但是從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新成才的角度來看，尋求和應(yīng)用科學(xué)研究方法的過程就像福爾摩斯探案一樣，往往是引起學(xué)生興趣的部分，對啟發(fā)大學(xué)生智慧和創(chuàng)新具有重要意義。這也是許多大學(xué)進(jìn)行探究性教學(xué)改革的重要原因。

科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)，除了課上和做實(shí)驗(yàn)時(shí)多問幾個(gè)為什么，最好的途徑就是多參加科研實(shí)踐，如學(xué)科競賽。CUPT是一項(xiàng)以團(tuán)隊(duì)對抗為形式的物理競賽，它以協(xié)同創(chuàng)新為根本理念，比賽題目新穎開放，其中有不少問題源自《科學(xué)》、《自然》這樣的旗艦綜合期刊，以及《物理評論快報(bào)》這樣的物理學(xué)頂級雜志。參加過競賽的學(xué)生，可以將研究中遇到的問題，通過物理思想和科學(xué)研究方法的合理運(yùn)用，進(jìn)行解決和拓展研究，感悟科學(xué)研究方法的精妙，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，為將來從事科研工作打下堅(jiān)實(shí)的方法基礎(chǔ)。

在物理學(xué)研究過程中，常用的科學(xué)研究方法有：觀察法、實(shí)驗(yàn)法、數(shù)學(xué)方法、分析與結(jié)合法、理想模型法等。下面我們將結(jié)合指導(dǎo)第九屆大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽的經(jīng)驗(yàn)，具體論述科學(xué)研究方法在物理學(xué)科競賽中的具體應(yīng)用，探究科學(xué)研究方法是怎樣幫助我們解決物理難題的。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)方法教育。

一、控制變量法

在我們課堂學(xué)習(xí)研究電流與電壓、電阻關(guān)系時(shí)，曾用此方法得到歐姆定律。

在CUPT的題目中，第3、4、7、10題等要求研究相關(guān)參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，如第4題海倫噴泉研究相關(guān)參數(shù)是如何影響水柱高度的，這里的相關(guān)參數(shù)包括高度差、導(dǎo)管的管徑、噴嘴口的直徑、盛水容器的體積等，對于這樣的多變量問題，在研究時(shí)則需要應(yīng)用控制變量法控制其他參數(shù)不變，對每一個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行探究，以實(shí)現(xiàn)題目的要求。另外，在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，排除無關(guān)變量，并且確定其他變量的范圍，減少實(shí)驗(yàn)的工作量，提高實(shí)驗(yàn)效率。同時(shí)，還要注意同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的組數(shù)要盡可能多，這樣才可以得出有說服力的結(jié)論，能夠更好地與理論進(jìn)行比較，少量的實(shí)驗(yàn)（三四組）是不能夠支撐結(jié)論的?？梢姡刂谱兞糠ㄔ趯W(xué)科競賽中的應(yīng)用是很廣泛的，是在實(shí)驗(yàn)探究中主要采用的方法，我們應(yīng)該熟練掌握。

二、理想模型法

物理是一門喜歡用模型來闡明復(fù)雜現(xiàn)象和本質(zhì)的學(xué)科。理想模型法是深入探索物理規(guī)律解決復(fù)雜物理機(jī)制的一種重要方法。

在大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽的題目中，主要有第3、4、5題等采用了理想模型法。在第3題跳舞的硬幣中，我們構(gòu)建了一個(gè)熱量傳遞的理想熱學(xué)模型，忽略了瓶內(nèi)氣體的熱對流，將瓶內(nèi)氣體看作是溫度均勻的，以及將水膜看作硬幣一跳起時(shí)即破裂，不去研究水膜破裂這一復(fù)雜的問題，忽略水膜破裂時(shí)機(jī)的不可確定性對本題所描述的物理過程的影響。這樣我們就可以對熱量傳遞進(jìn)行定量計(jì)算，得出定量的理論分析，求得硬幣跳起的時(shí)間間隔，同時(shí)，在研究硬幣的跳起高度時(shí)，硬幣跳起后瓶內(nèi)氣體向外溢出形成氣流，此時(shí)看作理想氣體，應(yīng)用伯努利方程進(jìn)行分析，運(yùn)用了理想模型法，則可以定量地求得硬幣的跳起高度。這樣理論分析后的結(jié)論，能夠更準(zhǔn)確地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。同樣，在第4題海倫噴泉中，應(yīng)用伯努利方程進(jìn)行分析，忽略B、C瓶之間的壓強(qiáng)差、動(dòng)壓的影響和水頭損失，能夠得出理想的噴泉高度，對后續(xù)的實(shí)驗(yàn)起到一定的指導(dǎo)作用。

應(yīng)用理想模型法，要抓住問題中影響的主要因素，需要忽略次要條件，進(jìn)行近似，但這些近似要有一定的理論基礎(chǔ)，不能憑空忽略，并且要與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，之后需要對理論進(jìn)行修正，才能得到完整的理論分析。理想模型法在競賽中是很重要的，構(gòu)建模型后可以進(jìn)行定量的理論分析和計(jì)算，否則只能定性分析，研究得不深入，如果不構(gòu)建理想模型，對所有的因素都進(jìn)行分析，則很難進(jìn)行下去。理想模型法，其實(shí)就是將因素進(jìn)行主次之分，主要因素構(gòu)建模型，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對理論進(jìn)行修正。

三、實(shí)驗(yàn)法、假設(shè)法、類比法

實(shí)驗(yàn)法在學(xué)科競賽的每個(gè)題中都有應(yīng)用，物理問題要從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，最終再回歸到實(shí)驗(yàn)上，在研究過程中，需要通過一定的手段、方法，不斷進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，建造出現(xiàn)象穩(wěn)定明顯的裝置，一方面是便于觀察現(xiàn)象，為理論分析提供思路和多種角度，另一方面通過定量的實(shí)驗(yàn)?zāi)芘c理論進(jìn)行比較，檢驗(yàn)理論的正確性。同時(shí)與假設(shè)法相結(jié)合，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)觀察到一些現(xiàn)象，需要利用學(xué)過的基礎(chǔ)知識，進(jìn)行大膽的猜想，做出推測性的解釋，這能夠?yàn)槔碚摲治鎏峁┧悸罚瑤椭覀冞M(jìn)行更深一步的探究。

在CUPT的第四題中應(yīng)用了類比法，我們使用了一種簡單的噴泉裝置進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)探究，這種簡單的噴泉裝置和海倫噴泉都是由于壓強(qiáng)差才形成噴泉的，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)得出了可能會影響海倫噴泉高度的影響因素，對實(shí)驗(yàn)有指導(dǎo)意義。

以上是我們對參加本次競賽過程，采用科學(xué)研究方法的總結(jié)。其實(shí)在競賽每一題的探究過程中，各種科學(xué)研究方法并不是孤立存在的，而是處于密切的相互聯(lián)系中，比如第四題就用到了實(shí)驗(yàn)法、控制變量法、理想模型法、類比法，第3題綜合運(yùn)用了理想模型法、控制變量法等，可見，科學(xué)研究方法的綜合運(yùn)用在學(xué)科競賽中是十分重要的。

在學(xué)科競賽過程中，我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)用物理科學(xué)研究方法能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生真切地體會物理學(xué)研究方法的一些具體應(yīng)用，使學(xué)生受到抽象思維、嚴(yán)格的邏輯思維和創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練。學(xué)生們學(xué)會了如何利用課堂上學(xué)過的基礎(chǔ)理論，運(yùn)用物理科學(xué)研究方法逐步地、由淺入深地進(jìn)行分析研究，探究物理學(xué)術(shù)問題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)、分析和解決問題的能力，為以后從事科研工作打下了良好基礎(chǔ)。

通過學(xué)生本次競賽優(yōu)異成績的獲得，堅(jiān)定了我們教師在教學(xué)或競賽指導(dǎo)中對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究方法教育的決心，讓學(xué)生在尋求和應(yīng)用科學(xué)研究方法的過程中，體驗(yàn)探究的樂趣。

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