田成良　張憲魁

摘要：物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，物理學(xué)的每一次重大發(fā)現(xiàn)和突破，都是以觀察事實(shí)為基礎(chǔ)的.物理學(xué)研究?jī)?nèi)容都直接或間接地來(lái)自于觀察，始終離不開(kāi)觀察.在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生良好的觀察能力，能激發(fā)學(xué)生的觀察興趣，形成善于觀察、勤于思考的習(xí)慣，是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，發(fā)展核心素養(yǎng)的必備條件，同時(shí)也為探索物理世界的奧秘奠定了基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：科學(xué)觀察；探索規(guī)律；能力培養(yǎng)

作者簡(jiǎn)介：田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，特級(jí)教師，碩士生導(dǎo)師，物理教研員，研究方向：物理過(guò)程教學(xué)、物理科學(xué)方法教育、課堂教學(xué)藝術(shù)等.

1什么是科學(xué)觀察

觀察就是研究者有目的、有計(jì)劃地在自然條件下，通過(guò)感覺(jué)器官或借助科學(xué)儀器考察和描述自然發(fā)生的自然現(xiàn)象，感知客觀事物，獲取科學(xué)事實(shí)的一種科學(xué)研究方法.自然科學(xué)研究中的觀察方法又稱為科學(xué)觀察，人類探索自然和改造自然的一切實(shí)踐活動(dòng)都離不開(kāi)觀察方法.

古代觀察以純感官為主，但也有一些定量化的儀器，如我國(guó)古代測(cè)天體方位的渾天儀、測(cè)地震方位的地動(dòng)儀、測(cè)物體質(zhì)量的天平等.丹麥天文學(xué)家第谷帶領(lǐng)他的助手們對(duì)行星的位置進(jìn)行了大量觀測(cè)并做了準(zhǔn)確的記錄，用畢生精力積累了許多精確的行星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)資料，開(kāi)普勒的研究工作創(chuàng)造了條件.第谷創(chuàng)造性的建立了一套天象觀測(cè)方法，成為近代天文學(xué)的奠基者，并為后來(lái)開(kāi)普勒和牛頓的科學(xué)工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

觀察方法在物理學(xué)研究中占有重要地位.特別是對(duì)那些不易控制或改變其條件的物理過(guò)程更只有依靠觀察.近年來(lái)，由于遙感技術(shù)和空間科學(xué)的發(fā)展，觀察技術(shù)和觀察手段正在發(fā)生質(zhì)的變化，觀察的廣度、深度和精度大為提高，觀察的作用日益增強(qiáng)，觀察的范圍日益擴(kuò)大.如中國(guó)天眼FAST于2017年8月22日、25日首次新發(fā)現(xiàn)兩顆脈沖星（如圖1）.

2科學(xué)觀察的特點(diǎn)

2.1目的性

科學(xué)觀察總是與一定的研究課題相聯(lián)系，為解決一定的科學(xué)問(wèn)題而進(jìn)行的.它有明確的觀察目的、觀察任務(wù)和觀察對(duì)象，并采用一定的觀察方法.例如，“鎂條燃燒”實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果缺乏觀察的目的性，學(xué)生往往只注意“耀眼的白光”，而忽略了燃燒后生成的新物質(zhì).培養(yǎng)學(xué)生觀察的“目的性”，才能獲得準(zhǔn)確的觀察信息.

2.2理論性

科學(xué)觀察要有明確的理論作指導(dǎo)，以便全面地觀測(cè)和把握對(duì)象的各種屬性.經(jīng)典物理學(xué)中，一般是通過(guò)科學(xué)觀察和實(shí)驗(yàn)，對(duì)所獲得的資料進(jìn)行歸納、整理及加工，從而總結(jié)出物理規(guī)律和物理理論.而在現(xiàn)代物理學(xué)中，更多的則是運(yùn)用科學(xué)觀察去檢驗(yàn)?zāi)骋患僬f(shuō)、預(yù)言及理論的正確與否.科學(xué)觀察發(fā)展中的一個(gè)顯著特點(diǎn)是理論對(duì)觀察的指導(dǎo)作用越來(lái)越強(qiáng)，可以說(shuō)，現(xiàn)代物理學(xué)中的科學(xué)觀察是離不開(kāi)理論指導(dǎo)的.牛頓利用萬(wàn)有引力定律成功地預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了海王星.熱力學(xué)第二定律從理論上否定了第二類永動(dòng)機(jī).

2.3綜合性

科學(xué)觀察要綜合運(yùn)用各種感官或傳感器的作用，要有思維的積極參與.科學(xué)觀察不僅要通過(guò)眼睛看，而且要綜合運(yùn)用聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等感覺(jué)器官.更重要的是有思維的積極參與，進(jìn)行一定的分析、綜合、比較、分類、判斷和推理.沒(méi)有思維的觀察是無(wú)法進(jìn)行、也是不存在的.伽利略用實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析否定了亞里士多德關(guān)于物體下落的速度由其重量決定的理論.

2.4規(guī)范性

科學(xué)觀察需要有準(zhǔn)確而周密的觀察記錄.要用規(guī)定的術(shù)語(yǔ)和約定的符號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量單位并借助繪圖、攝影、計(jì)算機(jī)等手段，把觀察結(jié)果詳細(xì)地記錄下來(lái)，作為分析整理的原始資料.例如，在溫度計(jì)測(cè)量液體溫度時(shí)要注意規(guī)范性（如圖2）：一是溫度計(jì)的玻璃泡要全部浸入被測(cè)液體中，不要碰到容器底或容器壁；二是溫度計(jì)玻璃泡浸入被測(cè)液體后要待溫度值穩(wěn)定后再讀數(shù).

2.5工具性

科學(xué)觀察要借助于先進(jìn)的科學(xué)儀器、采用先進(jìn)的觀察技術(shù)來(lái)進(jìn)行.從上述觀察方法的歷史發(fā)展中可以看到，古代觀察主要是純感官的觀察.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐步采用觀察工具來(lái)輔助進(jìn)行觀察.現(xiàn)代科學(xué)觀察已離不開(kāi)一定的觀察工具，例如，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡作為天文史上最重要的儀器填補(bǔ)了地面觀測(cè)的缺口，幫助天文學(xué)家解決了許多根本上的問(wèn)題，對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí).

3科學(xué)觀察的步驟

科學(xué)觀察的步驟如圖3所示.

3.1觀看

觀看就是首先要學(xué)會(huì)觀看生活中的物理現(xiàn)象.例如，太陽(yáng)光穿過(guò)窗戶射進(jìn)教室里，由于屋內(nèi)漂浮的灰塵，會(huì)發(fā)現(xiàn)光通過(guò)的路線是直的.也可以觀察實(shí)驗(yàn)，看實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的現(xiàn)象.例如，在盛水的水杯中的筷子看上去是在水面處折斷了，而取出筷子時(shí)筷子并沒(méi)有折斷.讓一束光從空氣斜射向水面，我們會(huì)看到，除了有—部分光反射回空氣，改變了傳播方向外，還有一部分光進(jìn)入水中，也改變了傳播方向.這比前面的觀察又進(jìn)了—步.還可以觀察圖像，例如通過(guò)看課本上根據(jù)實(shí)驗(yàn)畫出的圖形，可以找出平面鏡、凸透鏡等光具成像的規(guī)律.

3.2尋找

尋找就是在反復(fù)觀察大量的物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)上找規(guī)律.也就是尋找觀察現(xiàn)象的共同點(diǎn).例如，射進(jìn)教室里的太陽(yáng)光、穿過(guò)云隙的太陽(yáng)光、黑夜里手電筒的光……，光的路徑都是直的.因此，我們就可以總結(jié)出“光在空氣里是沿直線傳播的”這一規(guī)律.找規(guī)律是觀察的主要目的之一.

3.3確定

確定就是確定條件.因?yàn)槿魏挝锢硪?guī)律的成立都是有條件的.因此，總結(jié)規(guī)律時(shí)，一定要考慮它在什么條件下成立.例如，光在同一種物質(zhì)中傳播是沿直線進(jìn)行的，如果光從一種物質(zhì)（如空氣）進(jìn)入另一種物質(zhì)（如水或玻璃），它的傳播方向通常是要改變的.因此，光“在同一種物質(zhì)里傳播”就是“光直進(jìn)”的條件.

在學(xué)習(xí)透鏡對(duì)光的作用時(shí)，讓學(xué)生觀察圖4，并作出正確判斷.如觀察光線經(jīng)過(guò)透鏡前后光路的變化，比較出射光線和入射光線，并根據(jù)凸透鏡對(duì)光線具有會(huì)聚作用、凹透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，從而得出圖4（1）為凹透鏡、圖4（2）為凸透鏡的正確結(jié)論.如果觀察時(shí)只看到表面現(xiàn)象或者片面地看射出的光線，就可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論.

進(jìn)行觀察時(shí)，除了以上的步驟，還要有一定的順序，可以從上到下、從前到后、從左到右、由近及遠(yuǎn)、由簡(jiǎn)到繁、由表到里按順序觀察某一物體的外形特征.也可以先觀察物體最明顯的特征，而后再觀察它的一般特征.如把一些比較復(fù)雜的物體分成幾個(gè)部分，對(duì)各個(gè)部分逐一地進(jìn)行細(xì)致觀察，然后再把各個(gè)部分綜合起來(lái)以了解其全貌.

4科學(xué)觀察的方法

知道了觀察的意義，還要掌握正確的觀察方法，才能從似乎平常的事物和現(xiàn)象中找出有意義的信息，從偶然的事物和現(xiàn)象中找出規(guī)律.

4.1長(zhǎng)期觀察

自然事物或現(xiàn)象的發(fā)展變化微妙曲折、周期長(zhǎng)短不一，所以，只有堅(jiān)持長(zhǎng)期觀察，才能得出有價(jià)值的資料.例如，現(xiàn)代物理學(xué)中對(duì)“基本粒子”的研究，就是靠長(zhǎng)期對(duì)宇宙射線的系統(tǒng)觀察，從而發(fā)現(xiàn)許多新的基本粒子的.但是人生短暫，對(duì)有些現(xiàn)象無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期完整的觀察，此時(shí)，充分利用前人的觀測(cè)資料就顯得十分重要了.例如，天文學(xué)家哈雷收集前人有關(guān)彗星的記錄，根據(jù)牛頓力學(xué)理論以及他人的實(shí)際觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了他所關(guān)心的那顆彗星（后人稱之為哈雷彗星，如圖5），預(yù)言了它的再次出現(xiàn)，并被天文觀測(cè)所證實(shí).

4.2細(xì)致觀察

事物的變化有時(shí)是細(xì)微的和偶然的，而細(xì)微的變化中往往又蘊(yùn)藏著質(zhì)的飛躍，偶然的變化中包含著必然性.所以，對(duì)偶然觀察到的奇怪現(xiàn)象也不能輕易放過(guò).許多重要發(fā)現(xiàn)雖然常常在特定的條件下帶有偶然性，但在偶然性觀察中也會(huì)發(fā)現(xiàn)必然的規(guī)律.

例如，倫琴發(fā)現(xiàn)x射線、貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性、奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)等，無(wú)一不是從觀察到的某種偶然現(xiàn)象中開(kāi)始的.又如盧瑟福通過(guò)基本粒子的轟擊實(shí)驗(yàn)，在2500張41萬(wàn)個(gè)基本粒子的徑跡照片中認(rèn)出了6張沒(méi)有出現(xiàn)α粒子的照片（如圖6），從而找到了人工制造同位素和轉(zhuǎn)變?cè)卮箝T的“鑰匙”.

觀察貴在精確，既要注意事物狀態(tài)的變化，又要注意事物量的變化，這樣才能更有效地揭示物質(zhì)的變化規(guī)律.例如，丁肇中與助手們花了兩年時(shí)間制造出高分辨率的雙臂質(zhì)譜儀，提高了精確度，才使這個(gè)小組在1974年發(fā)現(xiàn)了j/ψ粒子.

4.3歸納觀察

通過(guò)對(duì)個(gè)別現(xiàn)象的觀察，得到一些個(gè)別的結(jié)論后，再歸納概括得出一般的規(guī)律.這種方法在物理教學(xué)中應(yīng)用廣泛，特別是分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)物理規(guī)律時(shí)，通常采用歸納觀察法.例如，歐姆為了研究電流強(qiáng)度、電壓和電阻三者的關(guān)系，先在確定電壓不變的情況下，觀察電流強(qiáng)度與電阻之間的關(guān)系；然后再確定電阻不變的情況下，觀察電流強(qiáng)度與電壓的關(guān)系；最后，通過(guò)歸納得出歐姆定律.再如，建立密度的概念時(shí)，先研究同種物質(zhì)質(zhì)量跟體積的關(guān)系，并用多種不同物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量.最后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納觀察，找出同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值不同，而不同物質(zhì)這個(gè)比值并不相同，比值與物質(zhì)的種類有關(guān)，為描述這一特性，用比值定義法引入了密度這一概念.

4.4對(duì)比觀察

將兩個(gè)事物或現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，或?qū)δ骋滑F(xiàn)象發(fā)生變化的前后情況進(jìn)行對(duì)比是人們研究物理世界的重要方法.對(duì)比觀察，有利于發(fā)現(xiàn)事物或現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別，從而引發(fā)思考，激發(fā)學(xué)習(xí)的欲望，直至得出結(jié)論.

例如，觀察液體沸騰這一物理現(xiàn)象時(shí)，對(duì)液體沸騰前和沸騰時(shí)的情況進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)：沸騰前，液體內(nèi)部形成氣泡并在上升過(guò)程中逐漸變小，以至未達(dá)到液面就消失了；沸騰時(shí)，氣泡在上升過(guò)程中逐漸變大，達(dá)到液面后破裂.通過(guò)對(duì)比觀察得知：沸騰是在液體內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行的劇烈的汽化現(xiàn)象.再如，在學(xué)習(xí)《閉合電路歐姆定律》一節(jié)時(shí)，利用學(xué)生初中學(xué)習(xí)的歐姆定律知識(shí)，用一節(jié)電池、燈泡、開(kāi)關(guān)及電壓表組成一個(gè)電路.然后問(wèn)學(xué)生，如果增加一節(jié)電池，燈泡和電壓表有什么變化？學(xué)生認(rèn)為，燈會(huì)變亮，電壓表示數(shù)會(huì)變大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果，恰恰相反，利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，引發(fā)了認(rèn)識(shí)沖突，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣.

4.5技術(shù)觀察

受研究者觀察能力的限制，有些物理現(xiàn)象或狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間短暫，變化不夠明顯，需要借助技術(shù)工具處理，才能進(jìn)行有效的觀察.

例如，研究平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，讓兩個(gè)物體分別做自由落體和平拋運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證同時(shí)落地，但由于物體下落的比較快，實(shí)驗(yàn)瞬間完成，眼睛的觀察能力有限，運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性并不容易觀察到.課堂上，常采用多媒體技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行錄制，然后進(jìn)行慢放，提高了觀察的效果.再如，研究牛頓第三定律時(shí)，由于憑借手的的拉力，并不能準(zhǔn)確地判斷作用力和反作用的大小，常用傳感器把拉力轉(zhuǎn)化成圖像進(jìn)行分析，使觀察變得直觀明顯，易于理解兩力的關(guān)系.

無(wú)論采用什么觀察方法，都應(yīng)將觀察與思考相結(jié)合，只觀察不思考，總結(jié)不出規(guī)律來(lái).觀察是科學(xué)研究的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，教師應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，為學(xué)生提供更多的觀察機(jī)會(huì)，并恰當(dāng)而適時(shí)的指導(dǎo)，將會(huì)對(duì)學(xué)生的觀察起到積極的引導(dǎo)和點(diǎn)撥作用，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力.讓觀察成為學(xué)生開(kāi)啟探索世界的金鑰匙.

參考文獻(xiàn)：

[1]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島：海洋大學(xué)出版社，2000.