田成良 祝常法

摘 要：國家課程標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文件中明確提出了發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的要求，科學(xué)方法教育對發(fā)展學(xué)生的思維能力有著重要的促進(jìn)作用，也是落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段.從上世紀(jì)八十年代以來，我們國家已對科學(xué)方法教育開展了深入、系統(tǒng)的研究，并取得了豐碩的成果.本文以新課改為背景，探索依托科學(xué)方法教育，促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的新路徑，論證科學(xué)方法教育的傳承與創(chuàng)新.

關(guān)鍵詞：素養(yǎng)時代;科學(xué)方法;傳承創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）18-0007-04

基金項目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“過程教學(xué)導(dǎo)向下的思維發(fā)展型課堂建構(gòu)”（項目編號：CDDB2020207）.

作者簡介：田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學(xué)高級教師，北京市特級教師，物理教研員，碩士生導(dǎo)師，研究方向：物理過程教學(xué)、物理科學(xué)方法教育、課堂教學(xué)藝術(shù)等;

祝常法（1974-），男，山東金鄉(xiāng)人，本科，中學(xué)高級教師，山東省特級教師，物理教研員，研究方向：課堂教學(xué)研究.

1 已有研究成就

1.1 厘清了科學(xué)方法與知識間的關(guān)系

對于“方法”這一概念，有不完全相同的理解和定義.通俗地講，所謂方法，就是為了解決某一個具體問題，從實踐或理論上所采取的各種手段或方式的總和.方法起源于人類的實踐活動，客觀存在的事物、過程本身是無方法可言的.

物理科學(xué)方法就是研究物理現(xiàn)象、描述物理現(xiàn)象、實施物理實驗、總結(jié)物理規(guī)律及檢驗物理規(guī)律時所應(yīng)用的各種手段與方法.張憲魁先生在物理學(xué)方法論中指出“科學(xué)認(rèn)識工具就是科學(xué)工作者從課題中獲取科學(xué)認(rèn)識成果的手段，認(rèn)識工具可分為兩種類型，物質(zhì)形態(tài)的認(rèn)識工具——科學(xué)儀器，以及思想形態(tài)的認(rèn)識工具——科學(xué)方法”.邢紅軍教授結(jié)合近代物理學(xué)史，梳理了人們在建立物理概念和物理規(guī)律中科學(xué)方法所起到的重要作用，厘清了生活事實、物理規(guī)律、科學(xué)方法、數(shù)學(xué)等之間的內(nèi)在關(guān)系，如圖1所示，為系統(tǒng)地認(rèn)識客觀世界，改變認(rèn)知方式，掌握科學(xué)方法奠定了基礎(chǔ).

張憲魁教授在90年代就倡導(dǎo)以“弘揚科學(xué)思想，掌握科學(xué)方法，樹立科學(xué)態(tài)度”為內(nèi)涵的“物理科學(xué)方法教育”，與“2011年版物理課程標(biāo)準(zhǔn)”提出的三維目標(biāo)中的 “過程與方法”目標(biāo)非常吻合.倡導(dǎo)在教學(xué)過程中顯化科學(xué)方法教育，是有效發(fā)展學(xué)生能力的重要途徑，在中學(xué)進(jìn)行了多年的試驗研究，并從實踐中得到成功的驗證.

1.2 建立了系統(tǒng)的科學(xué)方法體系

對于科學(xué)方法的分類，不同學(xué)者有不同觀點.張憲魁教授認(rèn)為科學(xué)方法包括常規(guī)方法：感性思維方法——觀察和實驗，理性思維方法——歸納和演繹、分析和綜合等邏輯思維的方法;非常規(guī)方法：直覺、靈感、想象、猜測和頓悟;另外物理學(xué)家的失誤以及物理學(xué)悖論，在物理學(xué)的發(fā)展中也具有方法論的作用和意義.由此，勾畫出了一套比較完整的、頗有新意的物理科學(xué)方法結(jié)構(gòu)體系.首都師范大學(xué)邢紅軍教授認(rèn)為，物理研究方法包括兩方面的內(nèi)容，一是科學(xué)方法，二是思維方法.科學(xué)方法與物理學(xué)科本身聯(lián)系緊密，結(jié)合了數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)及對應(yīng)的操作過程;而思維方法與物理學(xué)科本身的聯(lián)系相比科學(xué)方法來說并不緊密，它只在思維層面上說明了解決問題的基本思路.浙江義烏中學(xué)特級教師吳加澍，把科學(xué)方法分為物理方法、思維方法和數(shù)學(xué)方法，并按表1描繪了知識、方法、能力之間的關(guān)系，很有借鑒意義.

1.3 提出了科學(xué)方法判斷原理

2012年張憲魁教授提出了“物理科學(xué)方法存在的基本形式和判定原理”，為教師梳理、分析和開展科學(xué)方法教育提供了可借鑒的依據(jù)，得到了專家和物理學(xué)者的認(rèn)可.“在物理學(xué)知識點的建立、引申和擴展中，知識點以及知識點與知識點之間的連結(jié)處，一定存在物理科學(xué)方法因素”.物理學(xué)的一些知識點，如“電流”“電阻”“電壓”等概念，以及“歐姆定律”等規(guī)律，它們是客觀存在的，是物理現(xiàn)象或過程的本質(zhì)屬性或規(guī)律的反映，它們本身是無方法可言的.但是，當(dāng)引入這些概念并加以定義時，或者在探索規(guī)律、總結(jié)規(guī)律時，必須由人們借助于一定的工具（如實驗儀器）、一定的手段（包括人的思維等），通過一定的操作去觀察、去發(fā)現(xiàn)，這就體現(xiàn)為“方法”.通過實驗總結(jié)規(guī)律時，實驗就是方法，知識點的引申或擴展也要運用一些方法.這一命題的確立，為廣大物理教育工作者分析任何教材或教學(xué)資料中的方法論因素提供了依據(jù)，進(jìn)一步為開展物理科學(xué)方法教育奠定了基礎(chǔ).

1.4 開展持久的理論和實踐研究

科學(xué)方法教育先行者張憲魁教授，歷經(jīng)40年的實踐探索，不僅主編了《物理科學(xué)方法教育》等專著，2011年在張憲魁教授的領(lǐng)導(dǎo)下，全國240多位高校教師、研究生、中學(xué)教師、教研人員、大學(xué)生參與編制《物理科學(xué)方法教育視頻教程》等視頻資料，試圖以科學(xué)的內(nèi)容、歷史的脈絡(luò)、文學(xué)藝術(shù)的形式、信息技術(shù)的手段呈現(xiàn)科學(xué)方法，達(dá)到解讀“物理科學(xué)方法教育”之目的，在全國引起了強烈的反響.張憲魁先生先后組織召開了十一次全國性的物理科學(xué)方法教育學(xué)術(shù)年會，自2010年開始每年一次，成為全國物理學(xué)術(shù)年會的品牌活動，是中國教育學(xué)會、物理教學(xué)專業(yè)委員會支持下的唯一的、全國性的專業(yè)學(xué)術(shù)性活動，這在全國有很大的影響.其倡導(dǎo)的“知法并行”教學(xué)模式已有全國24個省市879位教師主動報名參與，37個學(xué)校主動申請作為科學(xué)方法教育研究基地，數(shù)百個學(xué)校進(jìn)行實踐，影響了全國一大批物理名師.

2 目前存在問題

2.1 科學(xué)方法教育碎片化，缺乏整合

經(jīng)過幾十年的課程改革，科學(xué)方法教育有了一定的影響，上一輪課改中，“過程和方法”作為三維目標(biāo)中重要的一個維度，引起了廣大教師的重視.但實際的物理課堂教學(xué)，大部分教師還是只重視知識的落實，科學(xué)方法教育只是碎片化地開展，心目中沒有一個完整的體系，不利于物理思想的形成.比如，在學(xué)習(xí)“聲音的產(chǎn)生”時，我們用轉(zhuǎn)換法證明發(fā)聲的音叉在振動，現(xiàn)象明顯，通俗易懂.但若只是碎片化地傳授轉(zhuǎn)換法，學(xué)生并不容易形成轉(zhuǎn)換思想，這需要在后續(xù)的學(xué)習(xí)中系統(tǒng)、有意識地滲透轉(zhuǎn)換法.只有在教師的心中形成科學(xué)方法體系，才能做到有的放矢，靈活地開展科學(xué)方法教育.

2.2 科學(xué)方法與知識割裂，融合不深

目前國家教育部門非常重視科學(xué)方法教育，出臺了相關(guān)政策和文件，特別是“2017年版高中物理新課標(biāo)”和新教材中，科學(xué)方法教育得到了進(jìn)一步的凸顯.教學(xué)中，大部分教師雖有知識和方法兩條線的意識，但是二者的融合并不深入，過于重視知識的傳授，方法的教育往往會被“短路”，以說教的方式進(jìn)行講授，被貼上某某方法的標(biāo)簽.這樣的科學(xué)方法教育，學(xué)生只是記住了方法的名字，沒有體現(xiàn)在解決問題的過程中，學(xué)生體會不到科學(xué)方法的智慧.

2.3 不會用方法解決問題，遷移不夠

對于科學(xué)方法的應(yīng)用，一般體現(xiàn)在一個新的物理概念或規(guī)律的建立中，與課堂學(xué)習(xí)聯(lián)系比較密切，但是與生活聯(lián)系不夠緊密，缺少利用科學(xué)方法解決實際問題的意識和能力.注重知識的應(yīng)用，忽視科學(xué)方法的遷移與應(yīng)用，造成學(xué)生遇到生活問題時感覺無從下手、不知所措.解決問題的過程是綜合應(yīng)用所學(xué)知識和科學(xué)方法的過程，知識和方法不是割裂的.例如我們在課堂中運用的轉(zhuǎn)換法，跟生活密切聯(lián)系，如“心電圖儀”“血壓計”以及各種“傳感器”，雖然它們應(yīng)用的領(lǐng)域不同，但基本原理都是轉(zhuǎn)換的思想.加強科學(xué)方法的應(yīng)用，不僅能拓展學(xué)科視域，還能形成良好思維方式.

3 實施策略

科學(xué)方法教育的關(guān)鍵，是讓學(xué)生經(jīng)歷一個真實問題解決的過程，其解決問題的流程如圖2所示.在問題解決后，回顧或反思解決問題的方法，學(xué)生才會對方法有一個深入的理解.正如我國古代的兵法中的“三十六計”一樣，若只是去背誦和記憶三十六個計謀的名字，是沒有意義的，只有深入了解每一個計謀背后的故事，才能體會和感悟三十六計的智慧，為孫臏的謀略所折服.

科學(xué)方法教育也需要讓學(xué)生經(jīng)歷一個個不同的 “學(xué)習(xí)故事”，才能感悟方法的巧妙，影響人的思維方式.科學(xué)方法的學(xué)習(xí)與內(nèi)化往往伴隨在問題解決的過程中，如圖3所示，從生活中的情景發(fā)現(xiàn)問題，在教師搭建的思維認(rèn)知臺階的引領(lǐng)下，在師生互動下，學(xué)生自主解決問題，建構(gòu)知識，最終獲得思維能力，形成良好的科學(xué)態(tài)度和價值觀，促進(jìn)素養(yǎng)的發(fā)展.

在實際的課堂教學(xué)中，不同的教學(xué)內(nèi)容會涉及不同的科學(xué)方法，結(jié)合物理學(xué)科的特點，我們以發(fā)展學(xué)生的思維能力為目的，按照從學(xué)科知識到學(xué)科方法，再由學(xué)科方法到思維方法的邏輯，依據(jù)“2017年版物理課程標(biāo)準(zhǔn)”和“中國高考評價體系”的要求，著重培養(yǎng)分析、綜合、推理、論證和實驗觀察等方法.

3.1 以知識為載體，通過課堂教學(xué)滲透科學(xué)方法

有人用一棵大樹，比喻知識與方法的關(guān)系，把樹葉看作知識，樹干看作方法，樹根看作科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.首先映入眼簾的是“樹葉”，大樹枝葉茂盛，這猶如學(xué)科知識，它們是顯性的，最容易讓學(xué)生接受;而樹葉的生長靠樹枝和樹干的支撐，以及輸送營養(yǎng)，方法對知識的重要性不言而喻.但是整個大樹是靠樹根吸取養(yǎng)分，才能成長為參天大樹，沒有正確的科學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，科學(xué)教育就會失去根基.

目前的教材編寫和課堂教學(xué)，大部分都是以知識為主線開展的，這比較符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.教師授課應(yīng)以知識線為基礎(chǔ)，顯性開展;以方法線為暗線，隱性開展.這也是張憲魁教授提出的“知法并行”的模式.關(guān)于科學(xué)方法教育采取“顯性”和“隱性”的問題，有著不同的觀點.筆者認(rèn)為隱性教育是顯性教育的基礎(chǔ)，顯性教育是隱性教育的飛躍，二者需要密切配合，根據(jù)實際采取適當(dāng)?shù)男问介_展科學(xué)方法教育，才能發(fā)揮其最大效果.

3.2 以實驗為基礎(chǔ)，從探尋證據(jù)中掌握科學(xué)方法

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗的目的就是獲得數(shù)據(jù)，尋找自然界中的現(xiàn)象（概念），以及現(xiàn)象之間的關(guān)系（規(guī)律）.無論是演示實驗、驗證實驗還是探究實驗，都會涉及實驗觀察、實驗數(shù)據(jù)的分析、實驗結(jié)論的歸納總結(jié).所以，以實驗為基礎(chǔ)是開展科學(xué)方法教育的重要渠道.教學(xué)中，教師不只是盯著物理知識，更要有思維方法目標(biāo)，在不同的實驗教學(xué)中確定不同的科學(xué)方法教育目標(biāo)，然后學(xué)生在實驗中獲得證據(jù)，在探尋證據(jù)中發(fā)展思維能力，感悟科學(xué)方法的巧妙.例如在學(xué)習(xí)“楞次定律”時，由于本實驗變量較多，學(xué)生理解起來比較困難，我們以科學(xué)方法為手段突破教學(xué)難點.見表2，讓學(xué)生利用觀察、對比和分析等方法進(jìn)行歸納概括楞次定律，并設(shè)計問題引領(lǐng)學(xué)生的思維，搭建思維認(rèn)知臺階，突破教學(xué)難點.

I感向與Φ原方向及Φ原增減有關(guān)，難以判斷I感向. 感應(yīng)磁場與原磁場磁通量變化之間“阻礙”與“被阻礙”的關(guān)系，學(xué)生難以自己悟出來，需要逐步提煉出“增反減同”，如何進(jìn)一步用一個更精煉的詞來描述B感與原磁通變化的關(guān)系呢？引導(dǎo)學(xué)生提到“阻礙”，需要反過來看感應(yīng)電流磁場的方向與原磁通量Φ的變化情況，進(jìn)而確定其中的關(guān)系.

3.3 以學(xué)史為線索，在知識來龍去脈中體會方法

學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程與物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識的過程具有相似性，依據(jù)“教育重演律”，即在學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程中重演人類探索物理的過程.教學(xué)中，要按照歷史的順序，把科學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識的原過程，經(jīng)過必要的剪輯，讓學(xué)生重演知識的發(fā)生過程.需要強調(diào)的是，重演不能簡單地等同于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)知識的重復(fù)過程，我們只需讓學(xué)生經(jīng)歷關(guān)鍵的步子，特別是前人遇到了什么問題、運用什么方法解決問題，吸取前人的智慧.

所以，物理學(xué)史中蘊含了豐富的教育智慧，一些經(jīng)典實驗中蘊含著前人的智慧，我們不僅要厘清物理學(xué)史中的知識脈絡(luò)，更要挖掘其中的思想方法，以史為鑒才能明智.例如在學(xué)習(xí)“托里拆利實驗”時，不能僅僅講清實驗的裝置，讓學(xué)生記住大氣壓的值，更要讓學(xué)生經(jīng)歷用水銀液柱的壓強替代大氣壓的過程，讓學(xué)生明白這種轉(zhuǎn)換法的巧妙，遵循物理學(xué)史開展教學(xué)，設(shè)計學(xué)習(xí)活動，不僅能落實學(xué)科方法教育，還能有效開展科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的教育.

3.4 以實踐為渠道，在解決實際問題中運用方法

新課標(biāo)強調(diào)“從生活走向物理，從物理走向世界”，我們強調(diào)知識與生活的聯(lián)系，體現(xiàn)學(xué)以致用的理念.但是，上述做法只是強調(diào)了知識的應(yīng)用，沒有考慮到方法的應(yīng)用.北大教師趙凱華先生說過“物理科學(xué)方法用到什么領(lǐng)域，什么就是物理”，這足以說明科學(xué)方法遷移運用的重要性.例如在新冠疫情中，利用科學(xué)方法有效防控疫情的實例，其中的防控措施值得借鑒.例如：

（1）如何辨別一個人是否感染新冠病毒？

常規(guī)鑒別：看其是否咳嗽發(fā)熱？ 專業(yè)的鑒別方式是開展核酸、CT、血清等檢查.這里采用對比法，同中求異，能確定是否感染新冠病毒.

（2）談?wù)動心男┐胧┛梢钥刂埔咔閭鞑ィ?/p>

首先可以管理傳染源，如采取隔離、治愈病人等方法;其次，切斷傳播途徑，如戴口罩、勤洗手、不聚集等措施;再次，保護(hù)易感染人群：如打疫苗、提高免疫力等.以上措施采用控制變量的思路，進(jìn)行逐條因素分析，綜合治理，能做到精準(zhǔn)防控的效果.

（3）在人數(shù)感染較多時會采取什么措施？

當(dāng)散發(fā)病例較多時，采用小區(qū)或社區(qū)全員核酸檢驗的辦法，進(jìn)行新冠排查;當(dāng)一個地區(qū)感染人數(shù)更多時，則采取全區(qū)（市）核酸檢驗，進(jìn)行排查.這種排查方式則是采用了整體的思想方法理念.這種用科學(xué)方法解決現(xiàn)實問題的思路，值得借鑒.

由此可以看到，科學(xué)方法的遷移能拓寬學(xué)科視野，還能有效解決生活中的實際問題.

3.5 以復(fù)習(xí)為抓手，在鞏固提升中梳理科學(xué)方法

在習(xí)題復(fù)習(xí)中適時開展科學(xué)方法教育，不僅能鞏固學(xué)科知識，還能促進(jìn)學(xué)生運用科學(xué)方法解決實際問題，促進(jìn)思維能力提升.在習(xí)題復(fù)習(xí)中開展科學(xué)方法教育，可以采取顯性化處理，首先明確解題的思路，或者采用什么方法，引領(lǐng)學(xué)生尋找解決問題的思路，更容易讓學(xué)生感悟到科學(xué)方法的巧妙.當(dāng)某一個方法用的多了，就會改變?nèi)藗兊乃季S方法，形成物理思想，比如我們經(jīng)常使用轉(zhuǎn)換法設(shè)計實驗，使用較多時，學(xué)生就會形成轉(zhuǎn)換的思想.

例題 中歐班列在歐亞大陸開辟了“生命之路”，為國際抗疫貢獻(xiàn)了中國力量.某運送防疫物資的班列由40節(jié)質(zhì)量相等的車廂組成，在車頭牽引下，列車沿平直軌道勻加速行駛時，第2節(jié)對第3節(jié)車廂的牽引力為F.若每節(jié)車廂所受摩擦力、空氣阻力均相等，則倒數(shù)第3節(jié)對倒數(shù)第2節(jié)車廂的牽引力為

A.F B.19F20 C.F19 D.F20

解析：答案選C，根據(jù)題意可知第2節(jié)車廂對第3節(jié)車廂的牽引力為F，因為每節(jié)車廂質(zhì)量相等，阻力相同，故第2節(jié)對第3節(jié)車廂根據(jù)牛頓第二定律有F-38f=38ma，設(shè)倒數(shù)第3節(jié)車廂對倒數(shù)第2節(jié)車廂的牽引力為F1，則根據(jù)牛頓第二定律有F1-2f=2ma，聯(lián)立解得F1=F19.本題的解答就是根據(jù)實際的問題，建立物理模型，在應(yīng)用牛頓第二定律分析求解時，采用整體與隔離的方法，針對研究的對象進(jìn)行受力分析.

4 結(jié)束語

新時代，科學(xué)方法教育的責(zé)任與使命就是發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)新時代的創(chuàng)新人才，在核心素養(yǎng)下的新課改中，要發(fā)展人的思維能力，就必須開展科學(xué)方法教育，讓學(xué)生親歷知識的形成過程，感受知識發(fā)生的前提或原因，再現(xiàn)知識的來龍去脈，才能揭示知識的本質(zhì)，真正促進(jìn)思維能力和思維品質(zhì)的發(fā)展，有效落實核心素養(yǎng).

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（收稿日期：2021-06-29）