物理學方法論對高中物理概念的應用論文

　　摘要：基于物理學方法論中概念建立、形成的思想與方法，審視、思索當前高中物理概念教學：（１）高中物理概念教學應有兩種教學思路，全面體現概念建立、形成的思想與方法；（２）當前高中物理概念教學局限于體現牛頓的科學發現方法論的思想與方法；（３）應創新高中物理概念教學，致力于體現愛因斯坦的科學概念方法論的思想與方法。

　　關鍵詞：物理學方法論；思想與方法；概念教學；思索

　　如果把物理學比作一座大廈，物理概念則是這座大廈的基石。物理概念教學是高中物理教學的基礎。教學中，不僅應讓學生理解每個概念的物理意義及其在理論、實際生活中的應用，更重要的是讓學生感悟物理學家從實在世界走向物理世界過程中建立物理概念的科學思想與方法，從中獲取和提高科學探究的能力。從以牛頓為代表的科學發現方法論到以愛因斯坦為代表的科學概念方法論，物理概念的建立和形成的思想方法有著明顯的區別。當前高中物理概念教學是否較為全面地向學生展現了科學家們建立、形成概念的科學方法，是否讓學生較為全面地獲取了科學探宄的思想與方法，我們有必要基于兩種物理學方法論理論，對當前高中物理概念教學進行審視與思索。

　　１．物理學方法論中的概念建立、形成的思想方法分析

　　物理學方法論是自然科學方法論的重要組成部分，它是以唯物辯證法為指導對物理學的研宄方法進行研宄的學科理論，主要探討用什么方法去研宄物理現象、怎樣描述物理現象、如何探討并總結歸納物理規律等［１］。隨著物理學的發展，探宄物理世界的方法論經歷了以牛頓為代表的科學發現方法論和以愛因斯坦為代表的科學概念方法論兩個階段。

　�。保�１牛頓的科學發現方法論

　　“自然哲學的目的在于發現自然界的結構和作用，并盡可能把它們歸結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，從而導出事物的原因和結果［２］�！�’牛頓把發現問題的認識過程劃分為分析和綜合兩個過程。“分析過程”就是通過對大量現象的觀察和大量的實驗，歸納找出諸多現象和實驗的共同特征，建立概念、得到普遍結論和一般定律。“綜合過程”是建立理論和驗證理論的過程，它包括兩個方面：一是根據己發現的一般定律，運用公理和數學演繹建立數學化的理論；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，牛頓的科學發現方法論是從大量的現象和實驗出發，歸納出它們的共同特征、普遍結論，并尋找這些特征、結論之間的聯系，用數學方法建立數學化理論，通過實踐檢驗這些理論的真理性。

　�。保�２愛因斯坦的科學概念方法論

　　從“光量子”概念出發，愛因斯坦成功地揭示了光電效應的規律并創立了“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性的探究和認識是在概念的運動中發展起來的Ｐ］。他開創了以概念為工具的科學概念方法論�？茖W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，物理學的基本概念和假設可以用邏輯方法從經驗中推導出來，但這不是唯一的方法；基本概念和假設的提出，可以是人類思想的自由發明；數學不只是演繹推理的工具，也是創造和表達基本概念的工具，人類可以用純粹數學的構造來發現概念［３］�！袄碚撐锢韺W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論這三者所構成的。這些結論必須與我們的各個單獨的經驗相符合；在任何理論著作中，導出這些結論的邏輯演繹幾乎占據了全部篇幅”［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論，再把“概念或結論同物理事件（實驗）是否有清晰的和單一而無歧義的聯系”［４］作為唯一的評判標準，演繹論證概念或結論的真理性，從而決定概念或結論的“生存權”。相對于牛頓的科學發現方法論的注重以經驗現象為基點的歸納推理，愛因斯坦的科學概念方法論則強調概念的“自由發明”、概念的推演以及概念或結論同物理事件（實驗）的清晰的和單一而無歧義的聯系，這是兩種物理方法論之區別，也是人類探宄自然和宇宙的科學方法論的一次全新的轉變。

　　１．３兩種物理學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象、物理過程本質屬性的一種抽象［３］。在科學發現方法論中，牛頓強調歸納法物理概念是對大量現象和實驗中的事物或過程的共同本質屬性的邏輯歸納。人們通過觀察大量的現象、實驗得到感性認識，再應用邏輯歸納發現事物或過程的共同特征、本質屬性從而形成概念。牛頓的科學發現方法論是在經驗中發現概念，概念的形成過程就是經驗、現象共同本質的發現過程。愛因斯坦在《論理論物理的方法》（１９３３）中寫道：“牛頓，這第一位關于理論物理的包羅而可行系統的創造者，還相信他系統里的觀念與諸律可以從經驗導來。．．．此體系所獲致巨大而實際的成功，讓他以及十八、九世紀的物理學家們反而昧于其根基的虛構性質。．．．理論物理的公設基礎不能從經驗抽繹得來，必須是心的發明，．．．。”他認為用邏輯方法從經驗中推導出物理學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科學家和哲學家在科學方法論上的重大缺陷就在于錯誤地認為基本概念是從經驗中歸納（或“通過推導”、“進行邏輯推理”）得到的［２］。在科學概念方法論中，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，我們的經驗已經使我們有理由相信，自然界是可以想象到的最簡單的數學觀念的實際體現。我堅信，我們能夠用純粹數學的構造來發現概念以及把這些概念聯系起來的定律，這些概念和定律是理解自然現象的鑰匙�！保郏矗菟�把數學這種純粹的思維也從演繹推理的工具轉變為創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，在牛頓的科學發現方法論中是先有經驗、現象，而后才有概念，強調的是從經驗、現象中歸納發現概念，是由經驗、現象而及概念；在愛因斯坦的科學概念方法論中概念的形成雖依據于經驗、現象，但更強調于思維的自由創造，是先有概念的創造，而后有概念的推演以及追究概念或結論同物理事件（經驗、現象、實驗）的清晰的和單一而無歧義的聯系�？茖W概念方法論是由概念而及經驗、現象的�？梢哉f，對于經驗、現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的思索

　�。玻�１高中物理概念教學應有兩種教學思路，全面體現概念建立、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”的教學目標，高中物理概念教學就應該讓學生體驗、感悟概念建立形成的兩種不同的思想與方法。以物理學方法論理論為指導，當前高中物理概念教學應有兩種教學思路。（１）由經驗、現象而及概念的教學思路。即從經驗、現象出發，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。這種教學思路能讓學生從中獲取科學發現方法論的概念建立、形成的思想與方法；（２）由概念而及經驗、現象的教學思路。即先通過創造思維建立概念，再追宄概念同物理事件（經驗、現象、實驗）的清晰的和單一而無歧義的聯系。這種教學思路能讓學生從中獲取科學概念方法論的概念建立、形成的思想與方法。

　　２．２當前高中物理概念教學較為局限于體現牛頓的科學發現方法論的思想與方法

　　當前高中物理概念教學強調“過程與方法”的教學目標，但較為局限于體現科學發現方法論的思想與方法。（１）教學內容編排思路較為局限于體現科學發現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，教材中概念教學的內容編排大都是首先向學生展現生活中常見的經驗、實例、現象和實驗，再引導學生抓住經驗、實例、現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用。這種對概念知識的編排方式正是科學發現方法論中概念建立的思想方法的體現。（２）教學設計思路大都以科學發現方法論中概念建立的思想方法為指導原則例：常見的“加速度”概念的教學設計一般包括三個環節：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計依據生活實例引導學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；有的設計通過學生的實驗測定，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用教師在設計概念教學時，正如以上“加速度”的教學設計一樣，并不直接揭示概念，而是從生活中的經驗、實例、現象和實驗出發，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，這種教學設計思路體現了科學發現方法論中概念建立的思想方法，是一種由經驗、現象而及概念的以科學發現方法論概念建立的思想方法為指導原則的教學思路。

　�。玻�３創新高中物理概念教學，致力體現愛因斯坦的科學概念方法論的思想與方法

　　例：“加速度’’概念的教學設計①類比創建加速度概念例舉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，可以構建哪些反映小車運動的物理量？引導學生從位置的變化（位移）構建速度的變化從速度Ｆ＝ＡＸ／Ａ／，構建速度的變化與時間的比值，即Ａｆ７Ａ（，創建一個新的物理量（此時并不給出加速度名稱）。②回歸生活，追究ＡＦ／Ａ？與經驗的聯系，給以物理量名稱——＊‘加速度”在視頻展示１中，呈現火車、小車、飛機的啟動過程，并提供數據，讓學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別，ＡＦ／Ａｆ能否描述此區別？引導學生得出Ｐ７Ａ？是一個與物體速度變化快慢有著密切關聯的量，ＡＦ／Ａｆ可以表示物體速度變化的快慢；在視頻展示２中，呈現火車、小車、飛機的制動過程，并提供數據，讓學生計算三種交通工具在制動過程的ＡＦ／Ａｆ，引導學生得出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驗的聯系在以上教學設計中，教師雖然列舉了與常見的教學相同的事例，但創新了教學思路。教學中，教師先引導學生創建加速度，再追究加速度與現實生活經驗的聯系，由概念而及經驗，體現的是科學概念方法論的概念建立和形成的思想方法。愛因斯坦的科學概念方法論是人類探宄自然和宇宙過程中的科學方法論的一次全新的轉變。正是有了這次全新的轉變，二十世紀的物理學才出現了革命性的飛躍，人類對自然與宇宙的認識才向前跨進了一步。在科學概念方法論中，概念的提出需要思維的自由創造，具有一定的難度，但作為教學工作者，我們不能因此而疏遠這種方法論，我們應創新當前的物理概念教學，致力體現科學概念方法論的思想方法，讓學生感悟、體驗、學習這種全新的思想方法，為學生未來的發展打好基礎。

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