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物理學(xué)方法論對高中物理概念的應(yīng)用論文
摘要:基于物理學(xué)方法論中概念建立、形成的思想與方法,審視、思索當前高中物理概念教學(xué):(1)高中物理概念教學(xué)應(yīng)有兩種教學(xué)思路,全面體現(xiàn)概念建立、形成的思想與方法;(2)當前高中物理概念教學(xué)局限于體現(xiàn)牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論的思想與方法;(3)應(yīng)創(chuàng)新高中物理概念教學(xué),致力于體現(xiàn)愛因斯坦的科學(xué)概念方法論的思想與方法。
關(guān)鍵詞:物理學(xué)方法論;思想與方法;概念教學(xué);思索
如果把物理學(xué)比作一座大廈,物理概念則是這座大廈的基石。物理概念教學(xué)是高中物理教學(xué)的基礎(chǔ)。教學(xué)中,不僅應(yīng)讓學(xué)生理解每個概念的物理意義及其在理論、實際生活中的應(yīng)用,更重要的是讓學(xué)生感悟物理學(xué)家從實在世界走向物理世界過程中建立物理概念的科學(xué)思想與方法,從中獲取和提高科學(xué)探究的能力。從以牛頓為代表的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論到以愛因斯坦為代表的科學(xué)概念方法論,物理概念的建立和形成的思想方法有著明顯的區(qū)別。當前高中物理概念教學(xué)是否較為全面地向?qū)W生展現(xiàn)了科學(xué)家們建立、形成概念的科學(xué)方法,是否讓學(xué)生較為全面地獲取了科學(xué)探宄的思想與方法,我們有必要基于兩種物理學(xué)方法論理論,對當前高中物理概念教學(xué)進行審視與思索。
1.物理學(xué)方法論中的概念建立、形成的思想方法分析
物理學(xué)方法論是自然科學(xué)方法論的重要組成部分,它是以唯物辯證法為指導(dǎo)對物理學(xué)的研宄方法進行研宄的學(xué)科理論,主要探討用什么方法去研宄物理現(xiàn)象、怎樣描述物理現(xiàn)象、如何探討并總結(jié)歸納物理規(guī)律等[1]。隨著物理學(xué)的發(fā)展,探宄物理世界的方法論經(jīng)歷了以牛頓為代表的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論和以愛因斯坦為代表的科學(xué)概念方法論兩個階段。
。保迸nD的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論
“自然哲學(xué)的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)和作用,并盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法則和一般的定律——用觀察和實驗來建立這些法則,從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果[2]!nD把發(fā)現(xiàn)問題的認識過程劃分為分析和綜合兩個過程!胺治鲞^程”就是通過對大量現(xiàn)象的觀察和大量的實驗,歸納找出諸多現(xiàn)象和實驗的共同特征,建立概念、得到普遍結(jié)論和一般定律!熬C合過程”是建立理論和驗證理論的過程,它包括兩個方面:一是根據(jù)己發(fā)現(xiàn)的一般定律,運用公理和數(shù)學(xué)演繹建立數(shù)學(xué)化的理論;二是對所建立的理論及推論進行實踐檢驗,由此證實理論的真理性[2]。概而言之,牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論是從大量的現(xiàn)象和實驗出發(fā),歸納出它們的共同特征、普遍結(jié)論,并尋找這些特征、結(jié)論之間的聯(lián)系,用數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)化理論,通過實踐檢驗這些理論的真理性。
。保矏垡蛩固沟目茖W(xué)概念方法論
從“光量子”概念出發(fā),愛因斯坦成功地揭示了光電效應(yīng)的規(guī)律并創(chuàng)立了“光量子”理論;由對“時間”概念的批判性認識,愛因斯坦在嶄新的時空觀上建立了狹義相對論;通過對“引力’’概念的獨創(chuàng)性的認識,愛因斯坦提出了廣義相對論。愛因斯坦對物理世界獨創(chuàng)性的探究和認識是在概念的運動中發(fā)展起來的P]。他開創(chuàng)了以概念為工具的科學(xué)概念方法論?茖W(xué)概念方法論包括“概念的形成”與“概念的推演”兩個過程。對于概念的形成,愛因斯坦提出,物理學(xué)的基本概念和假設(shè)可以用邏輯方法從經(jīng)驗中推導(dǎo)出來,但這不是唯一的方法;基本概念和假設(shè)的提出,可以是人類思想的自由發(fā)明;數(shù)學(xué)不只是演繹推理的工具,也是創(chuàng)造和表達基本概念的工具,人類可以用純粹數(shù)學(xué)的構(gòu)造來發(fā)現(xiàn)概念[3]!袄碚撐锢韺W(xué)的完整體系是由概念、被認為對這些概念是有效的基本定律,以及用邏輯推理得到的結(jié)論這三者所構(gòu)成的。這些結(jié)論必須與我們的各個單獨的經(jīng)驗相符合;在任何理論著作中,導(dǎo)出這些結(jié)論的邏輯演繹幾乎占據(jù)了全部篇幅”[2]!案拍畹耐蒲荨边^程就是以概念為基點,運用有效的基本定律,通過邏輯推理得到一般的結(jié)論,再把“概念或結(jié)論同物理事件(實驗)是否有清晰的和單一而無歧義的聯(lián)系”[4]作為唯一的評判標準,演繹論證概念或結(jié)論的真理性,從而決定概念或結(jié)論的“生存權(quán)”。相對于牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論的注重以經(jīng)驗現(xiàn)象為基點的歸納推理,愛因斯坦的科學(xué)概念方法論則強調(diào)概念的“自由發(fā)明”、概念的推演以及概念或結(jié)論同物理事件(實驗)的清晰的和單一而無歧義的聯(lián)系,這是兩種物理方法論之區(qū)別,也是人類探宄自然和宇宙的科學(xué)方法論的一次全新的轉(zhuǎn)變。
。保硟煞N物理學(xué)方法論中的概念建立、形成的思想與方法
物理概念是反映物理現(xiàn)象、物理過程本質(zhì)屬性的一種抽象[3]。在科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論中,牛頓強調(diào)歸納法物理概念是對大量現(xiàn)象和實驗中的事物或過程的共同本質(zhì)屬性的邏輯歸納。人們通過觀察大量的現(xiàn)象、實驗得到感性認識,再應(yīng)用邏輯歸納發(fā)現(xiàn)事物或過程的共同特征、本質(zhì)屬性從而形成概念。牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論是在經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)概念,概念的形成過程就是經(jīng)驗、現(xiàn)象共同本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程。愛因斯坦在《論理論物理的方法》(1933)中寫道:“牛頓,這第一位關(guān)于理論物理的包羅而可行系統(tǒng)的創(chuàng)造者,還相信他系統(tǒng)里的觀念與諸律可以從經(jīng)驗導(dǎo)來。...此體系所獲致巨大而實際的成功,讓他以及十八、九世紀的物理學(xué)家們反而昧于其根基的虛構(gòu)性質(zhì)。...理論物理的公設(shè)基礎(chǔ)不能從經(jīng)驗抽繹得來,必須是心的發(fā)明,...!彼J為用邏輯方法從經(jīng)驗中推導(dǎo)出物理學(xué)的基本概念并不是概念形成的唯一方法,并且認為牛頓以及在他的影響下的大多數(shù)科學(xué)家和哲學(xué)家在科學(xué)方法論上的重大缺陷就在于錯誤地認為基本概念是從經(jīng)驗中歸納(或“通過推導(dǎo)”、“進行邏輯推理”)得到的[2]。在科學(xué)概念方法論中,概ir不是從感覺和歸納得到的,而是思維的自由創(chuàng)造,直覺、頓悟在概念的形成中起著主要的作用。愛因斯坦還提出“迄今為止,我們的經(jīng)驗已經(jīng)使我們有理由相信,自然界是可以想象到的最簡單的數(shù)學(xué)觀念的實際體現(xiàn)。我堅信,我們能夠用純粹數(shù)學(xué)的構(gòu)造來發(fā)現(xiàn)概念以及把這些概念聯(lián)系起來的定律,這些概念和定律是理解自然現(xiàn)象的鑰匙。”[4]他把數(shù)學(xué)這種純粹的思維也從演繹推理的工具轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造和表達基本概念的工具,成為建立和形成概念的一個重要手段。由以上分析可知,在牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論中是先有經(jīng)驗、現(xiàn)象,而后才有概念,強調(diào)的是從經(jīng)驗、現(xiàn)象中歸納發(fā)現(xiàn)概念,是由經(jīng)驗、現(xiàn)象而及概念;在愛因斯坦的科學(xué)概念方法論中概念的形成雖依據(jù)于經(jīng)驗、現(xiàn)象,但更強調(diào)于思維的自由創(chuàng)造,是先有概念的創(chuàng)造,而后有概念的推演以及追究概念或結(jié)論同物理事件(經(jīng)驗、現(xiàn)象、實驗)的清晰的和單一而無歧義的聯(lián)系?茖W(xué)概念方法論是由概念而及經(jīng)驗、現(xiàn)象的?梢哉f,對于經(jīng)驗、現(xiàn)象在概念形成中的作用和地位,兩種物理方法論有著截然相反的邏輯順序。
2.對當前高中物理概念教學(xué)的思索
。玻备咧形锢砀拍罱虒W(xué)應(yīng)有兩種教學(xué)思路,全面體現(xiàn)概念建立、形成的思想與方法
兩種物理方法論中,概念的建立、形成有著不同的思想與方法。全面落實“過程與方法”的教學(xué)目標,高中物理概念教學(xué)就應(yīng)該讓學(xué)生體驗、感悟概念建立形成的兩種不同的思想與方法。以物理學(xué)方法論理論為指導(dǎo),當前高中物理概念教學(xué)應(yīng)有兩種教學(xué)思路。(1)由經(jīng)驗、現(xiàn)象而及概念的教學(xué)思路。即從經(jīng)驗、現(xiàn)象出發(fā),提出問題,探宄歸納出問題的共同特征、解決方法,從而建立、形成概念。這種教學(xué)思路能讓學(xué)生從中獲取科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論的概念建立、形成的思想與方法;(2)由概念而及經(jīng)驗、現(xiàn)象的教學(xué)思路。即先通過創(chuàng)造思維建立概念,再追宄概念同物理事件(經(jīng)驗、現(xiàn)象、實驗)的清晰的和單一而無歧義的聯(lián)系。這種教學(xué)思路能讓學(xué)生從中獲取科學(xué)概念方法論的概念建立、形成的思想與方法。
。玻伯斍案咧形锢砀拍罱虒W(xué)較為局限于體現(xiàn)牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論的思想與方法
當前高中物理概念教學(xué)強調(diào)“過程與方法”的教學(xué)目標,但較為局限于體現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論的思想與方法。(1)教學(xué)內(nèi)容編排思路較為局限于體現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論中概念建立的思想方法以人教版物理必修教材為例,教材中概念教學(xué)的內(nèi)容編排大都是首先向?qū)W生展現(xiàn)生活中常見的經(jīng)驗、實例、現(xiàn)象和實驗,再引導(dǎo)學(xué)生抓住經(jīng)驗、實例、現(xiàn)象和實驗的共同特征提出問題,探宄形成概念,然后編排概念在生活中的應(yīng)用。這種對概念知識的編排方式正是科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論中概念建立的思想方法的體現(xiàn)。(2)教學(xué)設(shè)計思路大都以科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論中概念建立的思想方法為指導(dǎo)原則例:常見的“加速度”概念的教學(xué)設(shè)計一般包括三個環(huán)節(jié):①生活實例引入,提出問題如視頻播放火車、轎車、飛機的啟動過程,讓學(xué)生遞進感受運動物體有速度,運動物體速度有變化,運動物體的速度變化有快有慢,從而自然地引入描述運動物體的速度變化快慢的必要性并提出問題:如何描述運動物體的速度變化快慢?②探究、揭示加速度的概念及其物理意義有的設(shè)計依據(jù)生活實例引導(dǎo)學(xué)生探究比較速度變化快慢的三種方式,即時間相同,比較速度的變化;速度變化相同,比較時間;時間、速度變化均不同,比較速度變化與時間的比值;有的設(shè)計通過學(xué)生的實驗測定,作出速度——時間圖像,再討論表示物體速度變化快慢的方法。通過探宄,最后都歸納出可以用“速度變化與時間的比值”表示速度變化的快慢,從而揭示加速度的概念及其物理意義③講解對加速度的理解及其在生活中的應(yīng)用教師在設(shè)計概念教學(xué)時,正如以上“加速度”的教學(xué)設(shè)計一樣,并不直接揭示概念,而是從生活中的經(jīng)驗、實例、現(xiàn)象和實驗出發(fā),提出問題,探宄歸納出問題的共同特征或解決方法,從而建立概念,這種教學(xué)設(shè)計思路體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論中概念建立的思想方法,是一種由經(jīng)驗、現(xiàn)象而及概念的以科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論概念建立的思想方法為指導(dǎo)原則的教學(xué)思路。
2.3創(chuàng)新高中物理概念教學(xué),致力體現(xiàn)愛因斯坦的科學(xué)概念方法論的思想與方法
例:“加速度’’概念的教學(xué)設(shè)計①類比創(chuàng)建加速度概念例舉1:做直線運動的小車從位置;位置運動到ZB位置,所用時間為△/;提問:在此例中,可以確定哪些反映小車運動的物理量?例舉2:做直線運動的小車從速度6變化到速度朽,所用時間為Ah提問:在此例中,可以構(gòu)建哪些反映小車運動的物理量?引導(dǎo)學(xué)生從位置的變化(位移)構(gòu)建速度的變化從速度F=AX/A/,構(gòu)建速度的變化與時間的比值,即Af7A(,創(chuàng)建一個新的物理量(此時并不給出加速度名稱)。②回歸生活,追究AF/A?與經(jīng)驗的聯(lián)系,給以物理量名稱——*‘加速度”在視頻展示1中,呈現(xiàn)火車、小車、飛機的啟動過程,并提供數(shù)據(jù),讓學(xué)生計算三種交通工具在啟動過程的AF/Af,并提問:三種交通工具啟動時的區(qū)別,AF/Af能否描述此區(qū)別?引導(dǎo)學(xué)生得出P7A?是一個與物體速度變化快慢有著密切關(guān)聯(lián)的量,AF/Af可以表示物體速度變化的快慢;在視頻展示2中,呈現(xiàn)火車、小車、飛機的制動過程,并提供數(shù)據(jù),讓學(xué)生計算三種交通工具在制動過程的AF/Af,引導(dǎo)學(xué)生得出AK/Af不僅可以表示物體速度變化的快慢,還可以表示速度變化的方向,并給出Ar/Af的物理量名稱“加速度”。③簡介汽車的加速性能及其加速性能的測試,進一步追宄加速度與經(jīng)驗的聯(lián)系在以上教學(xué)設(shè)計中,教師雖然列舉了與常見的教學(xué)相同的事例,但創(chuàng)新了教學(xué)思路。教學(xué)中,教師先引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)建加速度,再追究加速度與現(xiàn)實生活經(jīng)驗的聯(lián)系,由概念而及經(jīng)驗,體現(xiàn)的是科學(xué)概念方法論的概念建立和形成的思想方法。愛因斯坦的科學(xué)概念方法論是人類探宄自然和宇宙過程中的科學(xué)方法論的一次全新的轉(zhuǎn)變。正是有了這次全新的轉(zhuǎn)變,二十世紀的物理學(xué)才出現(xiàn)了革命性的飛躍,人類對自然與宇宙的認識才向前跨進了一步。在科學(xué)概念方法論中,概念的提出需要思維的自由創(chuàng)造,具有一定的難度,但作為教學(xué)工作者,我們不能因此而疏遠這種方法論,我們應(yīng)創(chuàng)新當前的物理概念教學(xué),致力體現(xiàn)科學(xué)概念方法論的思想方法,讓學(xué)生感悟、體驗、學(xué)習(xí)這種全新的思想方法,為學(xué)生未來的發(fā)展打好基礎(chǔ)。
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