“從物理規(guī)律的溯源出發(fā)培養(yǎng)學生物理思維方法的研究”課題

開題報告

南京市金陵中學   陳連余

一、問題的提出

    1．選題的背景

    2003年，教育部頒布了全日制普通高級中學《物理課程標準》，在“課程性質(zhì)”中明確“高中物理是普通高中科學學習領域的一門基礎課程，與九年義務教育物理或科學課程相銜接，旨在進一步提高全體高中學生的科學素養(yǎng)。”“高中物理課程有助于學生繼續(xù)學習基本的物理知識與技能；體驗科學探究過程，了解科學研究方法。”在“課程的基本理念”中明確“高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養(yǎng)，從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等三個方面培養(yǎng)學生，為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎。”可見，在帶領學生學習物理知識的同時，進行思維方法的訓練、提高學生的科學素養(yǎng)是一項重要教學任務。

    物理學史表明，每次重大物理理論突破總是帶來了方法論的重大發(fā)展。正如英國著名物理學家波恩在接受諾貝爾獎時所說：“我榮獲1954年的諾貝爾獎與其說是我的工作里包括了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是那里面包括了一個自然現(xiàn)象的新思想方法的發(fā)現(xiàn)。”再如，奧斯特電生磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，法拉第場概念的提出，伽利略的理想實驗，愛因斯坦提出相對論，牛頓建立經(jīng)典力學體系，麥克斯韋建立電磁場理論，普朗克提出量子說等等，無不顯示出非凡的想象力和獨特的科學研究方法。在學習物理知識的同時，認識物理學的研究方法，對于學習者良好思維習慣的養(yǎng)成具有點化之功效。

    關于物理知識的形成過程，愛因斯坦這樣說過：“科學結(jié)論幾乎總是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前。讀者體會不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程，也很難達到清楚地理解全部情況。”要弄清這些知識的全部情況，就必須感受知識的形成經(jīng)過，重演知識的發(fā)生過程，理解知識內(nèi)容的本義。在物理課堂教學活動中，或是教學課時的限制，或是教學理念的差異，或是知識水平的限制，或是為了“高效”課堂教學的實現(xiàn)，教師常常會省略知識的溯源過程，直奔主題——知識的顯性結(jié)論，實現(xiàn)了認知目標的快速達成。毫無疑問，通過知識形成過程的再現(xiàn)，實現(xiàn)對知識內(nèi)容本義的掌握，對于學習者科學知識的掌握具有活化之功效。

    物理知識的枯燥影響了學生學習物理知識的興趣。把物理學史中一些有趣的事與枯燥的教材內(nèi)容相結(jié)合，使它們產(chǎn)生聯(lián)系，這樣學生就容易理解和記憶，而且這種記憶學生一旦形成是非常牢固的，極難忘卻。這已被現(xiàn)代教育心理學研究證實。比如，講重力時講蘋果落地，牛頓怎樣發(fā)現(xiàn)萬有引力；講力和運動的關系時講亞里士多德和伽利略的不同看法；講密度時講了阿基米德為國王測皇冠的故事等。生動有趣的科學故事，科學家們的成功與失敗，讓學習者觸摸科學家的喜怒哀樂，給學習者留下難忘印象，提高學習興趣和學習效率。對于教學內(nèi)容的消化吸收具有催化之功效。

    科學思想的顯著特征是創(chuàng)新。沒有創(chuàng)新，就沒有科學研究；缺乏創(chuàng)新，就不能對客觀事物的認識發(fā)生革命性變化，從而不能對社會發(fā)展和人類進步產(chǎn)生深刻影響。玻耳茲曼和吉布斯在麥克斯韋之后開創(chuàng)性地將統(tǒng)計思想徹底地引人物理學，用以揭示具有數(shù)量巨大，高度復雜的系統(tǒng)的規(guī)律，這樣就突破了牛頓因果決定論思想方法的局限，創(chuàng)立了統(tǒng)計物理學，并孕育了百年之后產(chǎn)生的系統(tǒng)學科，極大地增進了人類新思維的發(fā)展。湯姆孫曾經(jīng)說過：“在能夠?qū)茖W做出的一切貢獻中，觀念的突破是最偉大的。”近代物理學正是在沖破牛頓不變時空觀而創(chuàng)立；勞厄成為因發(fā)現(xiàn)晶體衍射現(xiàn)象而獲諾貝爾獎的得主之一，他只是提出了想法，并未做出實際發(fā)現(xiàn)；近年來，超導方面的諾貝爾獎，并未給發(fā)現(xiàn)最高超導溫度材料的人，卻發(fā)給了觀念和想法的提出者，原因也在于此。物理學上的每個發(fā)現(xiàn)和每次突破，無不都是對常規(guī)思維的突破和已有體系的挑戰(zhàn)，也就是創(chuàng)造思維的成果。學習者研究物理學事實，剖析物理學發(fā)現(xiàn)的案例，了解科學大師們科學創(chuàng)造的思路，得出新思維成果的思維過程，對于學習者創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)具有孵化之功效。

    2．研究現(xiàn)狀述評

   （1）物理學史的研究

    物理學史是研究物理學知識、物理學方法發(fā)生與發(fā)展規(guī)律的科學。研究物理學史，有助于了解物理學知識的全貌，有利于鞏固和加深理解已學的物理知識，抓住知識的來龍去脈，增強學習主動性與自覺性，提高學習興趣性。通過對物理學史的學習，可以培養(yǎng)學生的人文素質(zhì)、創(chuàng)新素質(zhì)和科學素質(zhì)。重視科學課程中的科學史教育已是國內(nèi)外大勢所趨，它是中學科學教學改革的有效手段之一。近年來，國際科學教育界大力提倡進行“科學的歷史、哲學和科學教育”，以提高學生的科學素養(yǎng)。

    （2）物理思維方法的研究

    物理方法是物理思想的具體表現(xiàn)，善于運用思維方法解決物理問題是良好物理思維的表現(xiàn)。關于思維方法的研究現(xiàn)狀，呈現(xiàn)三“多”：方法分類多，如科學思維方法、邏輯思維方法、創(chuàng)新思維方法等。方法命名多，如實驗法、假設法、極限法、類比法、比較法、分析法、綜合法、換元法、控制變量法、圖表法、歸納法、極限思維法、數(shù)學法、物理模型法、等效法、守恒法、對稱法、觀察法、替代法、補缺法、總結(jié)法、發(fā)散思維法、抽象思維法、逆向思維法、模擬想象法、知識遷移法、數(shù)學演變法等。自創(chuàng)方法多，在實際運用中產(chǎn)生了大量自創(chuàng)、自主命名的特殊方法，如，運用物理模型解決物理問題的過程稱為物理模型法。在解決問題時選取特殊值代入快速判斷問題結(jié)果是否可行的方法叫做特殊值代入法。

    3．選題的意義

    意義之一 落實新課標下的高中物理教學目標。方法是知識通向能力的橋梁，物理方法是物理思想的具體表現(xiàn)。在新課標下的高中物理教學目標，有“知識與技能”、“過程與方法”和“情感態(tài)度與價值觀”等三個維度。在“知識與技能”維度，要理解物理知識，認識實驗的地位和作用，領悟物理學基本思想；在“過程與方法”維度，要了解物理學的發(fā)展歷程，理解科學的探究本質(zhì)，學習科學方法，訓練科學思維；在“情感態(tài)度與價值觀”維度，要培養(yǎng)科學態(tài)度和科學精神，養(yǎng)育人文精神和愛國主義情懷，樹立科學世界觀和人生觀。對物理規(guī)律的溯源過程，能夠?qū)崿F(xiàn)上述三個目標，實現(xiàn)新課標提出的“提高全體學生的科學素養(yǎng)，為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎”的培養(yǎng)目標。

    意義之二 突出思維培養(yǎng)的重要地位。與知識技能的教學相比，思維方法的培養(yǎng)要求更高、難度更大，可操作性途徑薄弱。本課題的研究目的，一方面是為了強調(diào)思維方法培養(yǎng)的重要性，另一方面嘗試搭建思維方法培養(yǎng)的新載體，多角度多載體培養(yǎng)學生思維方法。

    意義之三 創(chuàng)新物理思維方法的培養(yǎng)途徑。關于物理學思維方法的培養(yǎng)，話題由來已久，成果已經(jīng)相當豐富。在思維方法的培養(yǎng)途徑上，一般多從習題教學出發(fā)。在本課題的研究中，則是從溯源物理規(guī)律的形成過程出發(fā)，探究科學家的思維歷程，再現(xiàn)知識發(fā)生、發(fā)展的過程。在生動具體的體驗過程中，認識思維方法、學習思維方法，讓學習變得更加具體、更加有趣，讓學習的內(nèi)容更易于消化和吸收、掌握得更為準確。

    4．課題研究的創(chuàng)新之處

   （1）落實新課標下的高中物理教學目標

新課標下的高中物理教學目標，提出了“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”等三個維度。在“知識與技能”維度，要理解物理知識，認識實驗的地位和作用，領悟物理學基本思想；在“過程與方法”維度，要了解物理學的發(fā)展歷程，理解科學的探究本質(zhì)，學習科學方法和訓練科學思維；在“情感態(tài)度與價值觀”維度，要激發(fā)好奇心與探究欲，培養(yǎng)科學態(tài)度和科學精神，養(yǎng)育人文精神和愛國主義情懷，樹立科學世界觀和人生觀。溯源物理規(guī)律的形成過程，就是落實高中物理課堂教學三維目標的過程，實現(xiàn)新課標提出的“提高全體學生的科學素養(yǎng)，為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎”的培養(yǎng)目標。

   （2）探索培養(yǎng)物理思維方法的新途徑

    關于物理學思維方法的培養(yǎng)，話題由來已久，成果也很豐富。培養(yǎng)的途徑多是從習題教學出發(fā)，偶有貫穿在課堂理論探討過程中。本課題的研究，從溯源物理規(guī)律的形成過程出發(fā)，探究科學家的思維，再現(xiàn)事物發(fā)生、發(fā)展的過程，抽象思維方法伴隨著生動的具體過程，讓學生在過程中感知方法、學習方法，使得學習變得更容易，更有趣，易于吸收，掌握準確。

二、課題的文獻研究

    1．國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀

    物理學史和物理思維方法的重要性已經(jīng)是共識。在中國知網(wǎng)上檢索“物理思維方法”，在2000年到2014年期間相關論文論著文獻，有10529條結(jié)果。若檢索“物理思維”，則有97,563 條結(jié)果。

    在培養(yǎng)學生物理思維方法的途徑方面，習題教學是一個主要載體。從習題教學出發(fā)，以習題為依托，以解題過程為載體，以順利解題為落腳點。在物理學史教學的功能定位上，多是創(chuàng)設情境、激發(fā)興趣，從中挖掘思維方法的不多。個中原因很多，如課堂空間所限，教學任務所迫，研究精力不夠等。

    2．課題研究的理論依據(jù)

    英國生物學家達爾文說過：“最有價值的知識是關于方法的知識。”在傳授知識的同時，要重視物理方法的滲透。美國當代著名心理學家斯滕伯格教授認為：“教授思維的方法是教學的核心問題，也是一個重要任務。”聯(lián)合國教科文組織編寫的《學會生存》一書中指出：“未來的文盲不是目不識丁的人，而是不會學習的人。”

    綜觀物理學發(fā)展史，每一條規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，每一個理論的創(chuàng)立都與物理學家運用正確的科學方法密切相關。

三、課題研究中核心概念的界定

    1．物理規(guī)律  規(guī)律即指事物之間的內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系。物理規(guī)律是指在物理現(xiàn)象、物理過程中客觀存在的、在一定條件下起作用的本質(zhì)聯(lián)系。本課題所指的物理規(guī)律包括物理定律、實驗規(guī)律和重大發(fā)現(xiàn)的過程。

    2．溯源  溯源意即向上尋找歷史的根源。本課題中“物理規(guī)律的溯源”則是依托物理學史實，以一些著名物理定律、物理學重大發(fā)現(xiàn)、重要物理實驗為研究對象，探究物理學重要成果的形成過程，體驗科學家的工作歷程，體會科學家的科學精神。通過這種過程經(jīng)歷，加深對物理規(guī)律的認識，準確把握物理規(guī)律。

    3．物理思維方法 通過思維活動為了實現(xiàn)特定思維目的所憑借的途徑、手段或辦法，也就是思維過程中所運用的工具和手段，人們們稱之為思維方法。在解決物理問題的過程中運用到的手段和辦法，我們稱之為物理思維方法。

四、課題研究的目標與內(nèi)容

    本課題的研究內(nèi)容包括：在科學研究過程中物理學家如何運用思維方法來確定研究方向、制訂實驗方案；如何運用思維方法智慧化解研究過程中遇到的困難。

具體地，可以將本課題的研究分為以下三個方面：

   （1）追溯一些重要物理實驗的研究過程，如α粒子散射實驗現(xiàn)象、分子速率的測定、密立根油滴實驗、庫侖扭秤實驗、卡文迪許扭秤實驗等。

   （2）溯源一些重要物理定律的形成過程，如阿基米德定律、自由落體運動定律、開普勒第三定律、萬有引力定律、歐姆定律、折射定律等。

   （3）追溯物理學的一些重要物理實驗的研究過程，如萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)、電子的發(fā)現(xiàn)、中子的發(fā)現(xiàn)、勞倫斯的后悔等。

五、課題研究的過程與方法

   （一）準備階段（2013.10—2014.6）

    (1)通過理論探索，研究思維、方法、物理思維、物理思維方法的內(nèi)涵、特點及其研究的意義，為課題研究提供理論支撐和方向界定。

    (2)采用歷史資料檢索，通過各種途徑對高中物理教材中涉及的物理學史知識進行檢索，收集了大量的物理學史文本、圖片等，通過查閱、比較、求證和對比，從中歸納整理出有效的物理學史教學素材，為開展物理學思維方法研究和校本教材開發(fā)提供豐富的資源，同時對國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行全面系統(tǒng)的歸納與評估，確定操作路徑和目標。

    (3)對課題進行論證，通過學習教育心理學理論，提高認識，設計課題研究方案，完成申報與開題工作。

   （二）實施階段（2014.6—2015.12）

    (1)通過理論分析及行動研究，根據(jù)專家對課題的論證與建議，完善課題方案，根據(jù)課題內(nèi)容，對課題進行分解研究，全面展開課學教學實踐研究。

    (2)整理歸納中學物理涉及到的各種思維方法，探索培養(yǎng)實施新途徑，形成可操作的典型教學案例。

    (3)采用行動研究法進行實踐探索。在教學實踐中促進我們的思考，并對教學效果進行即時反饋與評價。

   （4）設計量表，對學生進行問卷調(diào)查，對比分析學生在被培養(yǎng)前后所發(fā)生的變化。

    (5)通過經(jīng)驗總結(jié)與梳理，完成教學案例集等。

    (6)定期召開課題研討會議，做好階段性課題研究過程性資料的收集整理工作。

   （三）總結(jié)階段（2016.1—2016.6）

    (1)運用經(jīng)驗總結(jié)法歸納整理課題研究資料。完善教學案例集、論文整理、論著文稿的整理等。

    (2)做好鑒定和結(jié)題工作。整理研究過程性資料，提交結(jié)題申請，撰寫《研究報告》，做好結(jié)題準備。

六、課題研究的預期成果

七、主要參考文獻

    1．《物理學史》，郭奕玲、沈慧君編著，清華大學出版社1993年版

    2．《著名經(jīng)典物理實驗》，郭奕玲、沈慧君編著，北京科技出版社 1991年版

    3．《物理學史二十講》，胡化凱編著，中國科學技術大學出版社2009年版

    4．《物理學史》，（美）弗·卡約里著、戴念祖譯，廣西師范大學出版社2008年版

    5．《物理學基本概念和基本定律溯源》，向義和著，高等教育出版社1994年版

    6．《中學物理教師手冊》，上海教育出版社1982年版

    7．《物理發(fā)現(xiàn)的藝術》，程九標、張憲魁、陳為友編著，中國海洋大學出版社

    8．《思維方法高級教程》，朱奇、朱一鳴、張英著，中國長安出版社

    9．《中學物理思維方法叢書》，王溢然、張耀久著，1993年版