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(xiàn)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(xiàn)牛頓的科學發(fā)現(xiàn)方法論的思想與方法；（３）應創(chuàng)新高中物理概念教學，致力于體現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(qū)別。當前高中物理概念教學是否較為全面地向學生展現(xiàn)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(xiàn)象、怎樣描述物理現(xiàn)象、如何探討并總結歸納物理規(guī)律等［１］。隨著物理學的發(fā)展，探宄物理世界的方法論經歷了以牛頓為代表的科學發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)方法論

　　“自然哲學的目的在于發(fā)現(xiàn)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(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)學演繹建立數(shù)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(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、普遍結論，并尋找這些特征、結論之間的聯(lián)系，用數(shù)學方法建立數(shù)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(fā)，愛因斯坦成功地揭示了光電效應的規(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(fā)明；數(shù)學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)學的構造來發(fā)現(xiàn)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(jù)了全部篇幅”［２］。“概念的推演”過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(lián)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(fā)現(xiàn)方法論的注重以經驗現(xiàn)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(fā)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(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方法論的一次全新的轉變。

　�。保�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(xiàn)象、物理過程本質屬性的一種抽象［３］。在科學發(fā)現(xiàn)方法論中，牛頓強調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，再應用邏輯歸納發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)方法論是在經驗中發(fā)現(xiàn)概念，概念的形成過程就是經驗、現(xiàn)象共同本質的發(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(fā)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(shù)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(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(shù)學觀念的實際體現(xiàn)。我堅信，我們能夠用純粹數(shù)學的構造來發(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)學這種純粹的思維也從演繹推理的工具轉變?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，在牛頓的科學發(fā)現(xiàn)方法論中是先有經驗、現(xiàn)象，而后才有概念，強調的是從經驗、現(xiàn)象中歸納發(fā)現(xiàn)概念，是由經驗、現(xiàn)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(jù)于經驗、現(xiàn)象，但更強調于思維的自由創(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論同物理事件（經驗、現(xiàn)象、實驗）的清晰的和單一而無歧義的聯(lián)系�？茖W概念方法論是由概念而及經驗、現(xiàn)象的�？梢哉f，對于經驗、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(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(xiàn)象而及概念的教學思路。即從經驗、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。這種教學思路能讓學生從中獲取科學發(fā)現(xiàn)方法論的概念建立、形成的思想與方法；（２）由概念而及經驗、現(xiàn)象的教學思路。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。

　�。玻�２當前高中物理概念教學較為局限于體現(xiàn)牛頓的科學發(fā)現(xiàn)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(xiàn)科學發(fā)現(xiàn)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(xiàn)科學發(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，教材中概念教學的內容編排大都是首先向學生展現(xiàn)生活中常見的經驗、實例、現(xiàn)象和實驗，再引導學生抓住經驗、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用。這種對概念知識的編排方式正是科學發(fā)現(xiàn)方法論中概念建立的思想方法的體現(xiàn)。（２）教學設計思路大都以科學發(fā)現(xiàn)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(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(jù)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(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，這種教學設計思路體現(xiàn)了科學發(fā)現(xiàn)方法論中概念建立的思想方法，是一種由經驗、現(xiàn)象而及概念的以科學發(fā)現(xiàn)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(chuàng)新高中物理概念教學，致力體現(xiàn)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(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(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？引導學生得出Ｐ７Ａ？是一個與物體速度變化快慢有著密切關聯(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(lián)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(chuàng)新了教學思路。教學中，教師先引導學生創(chuàng)建加速度，再追究加速度與現(xiàn)實生活經驗的聯(lián)系，由概念而及經驗，體現(xiàn)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(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，但作為教學工作者，我們不能因此而疏遠這種方法論，我們應創(chuàng)新當前的物理概念教學，致力體現(xiàn)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(fā)展打好基礎。

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