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论物理学之思想和方法

2008-8-15

论物理学之思想和方法 

 
    物理课改的目的:是通过对必要的物理基础知识的学习,发展个性、树立思想、掌握方法、培养素质、提高能力。“物理难学”是学生普遍认为的。怎样才能学好物理呢?我以为,认识物理学思想和掌握物理学方法是学好物理的保证。现就物理学之思想和方法谈谈自己的浅薄认识,供学生和同行老师商榷。
    一、关于物理学思想
    何谓物理学思想,物理学思想就是研究物质的运动形式、内在规律和物质基本结构的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果。这种思维活动是人的一种精神活动,是从社会实践中产生的。其内涵包括了物理科学本身的发展建立、物理学家的探索精神和研究方法以及我们学习物理的思想过程。狭义地说,就是学习物理过程而形成的符合物理体系、物理规律和物理逻辑、物理方法的结果。学会用物理思想去分析、解决物理问题。
    我们认识物理学思想就是要知道它的发展史,要尊重客观事实,遵循自然规律。物理学是不同于其他学科的一门自然科学,就中学物理而言,它是以观察和实验为基础的学科。物理学有它自己的特点,通过了解物理学的发展历史不难知道,所派生出的物理学体系无不来源于自然,来于实践。它是自然界客观存在的东西,又与生产、生活息息相关,与社会发展密切联系。由此所起的作用是显而易见了。“物理”即事物的内在规律。它的运动形式、物质结构等物理变化、发展必定服从某种特定的规律。我们只有认识和掌握了物理规律,才能更好地认识自然,改造自然,创造美好社会为人类服务。
    其次,认识物理学思想,是学习物理学家对物理科学的热爱和努力追求科学的严谨态度;学习他们不怕失败敢于胜利的精神;学习他们不畏艰辛勇于拼搏的工作作风;学习他们善于假设、实验、发现、创新的辨证思想;学习他们对物理的认识有着独创见解、并能自成体系的勇气和胆略;学习他们研究物理在表象、概念的基础上能进行抽象、模拟、分析、综合、判断、推理、总结等认识活动过程的思维方法。例如,牛顿运动三定律中的第一、二定律就是在伽利略的工作基础上由牛顿总结出来的。
    认识物理学思想是学好物理的前提,因此,我们在学习物理过程中,始终要领会物理学思想,并能逐步转化为自己的思想。掌握科学方法,提高解决物理问题的能力是极其重要的。我们在了解物理学发展史的同时,不仅要学习物理学家的精神,而且要学习他们研究物理的方法。努力汲取物理学家的精华,推进物理教学的改革。“改”即修正错误,“革”即去除旧的东西,积极探索,勇于创新。掌握物理思想和研究方法,对学习好物理具有重大的意义。
高中物理教学中的物理思想主要有:
    1.观察、实验探究思想
    2.数据图象处理思想
    3.概念规律形成思想
    4.科学设想、建立物理模型思想
    5.数理思想
    6.科学思维、科学态度和科学方法思想
    7.“时空”和“守恒”思想
    8.变量控制思想
    9.求微、求真思想
    10.创新思想
    但基本思想是怎样研究物理和怎样应用物理两条。
    二、关于物理学方法
    所谓物理学方法,简单的说就是研究或学习和应用物理的方法。方法是研究问题的一种门路和程序,是方式和办法的综合。首先,学好物理要识记、理解物理概念、规律及条件,要解决描述物理问题,就要会对物理问题进行唯象的研究,然后进一步研究它的原因、规律,再寻求解决的方法。在中学物理课中我们只要注意到参考系、速度、质量、力、动量、能量、功等概念和牛顿运动定律、万有引力定律、动量守恒定律、动能定理、动量定理、动量守恒定律、机械能守恒定律等规律,以及时空观、物理模型、数学工具(矢量、图象、变化率)等在热学、电学、光学、原子物理学中的应用和分析、解决的方法,就会对此有所体会。研究物理的规律,也要从历史上看,学会从描述物理过程开始,判断什么物理问题说明用什么物理概念、物理量去描述物体的状态,用什么方程可以描绘物体的运动状况,变化关系,从而可以解决控制物理的问题。如:质点的位置、速度、加速度及其时间是描述运动学的物理量,匀变速直线运动公式,抛体运动公式,匀速圆周运动公式等,都是我们在研究运动学动力学问题时常常要用到的。 从动力学角度看运动学概念、规律能加深理解,能知道它的本质。如:加速度是力产生的,它建立了运动学和动力学的联系;抛体运动是质点在恒力作用下的加速度恒定的曲线运动;简谐运动是质点在线性回复力作用下的运动等.又如:从动力学角度能判定运动独立性原理不存在,分运动的独立性是有条件的。 可见,明确题设的物理情境,理解物理过程是解决物理问题的关键。教学过程必须始终贯穿物理思想和物理方法,这是授之渔和受之渔的根本。
    三、方法论剖析
    方法是沟通思想、知识和能力的桥梁,物理方法是物理思想的具体表现。研究物理的方法很多,如有观察法、实验法、假设法、极限法、类比法、比较法、分析法、综合法、变量控制法、图表法、归纳法、总结法、发散思维法、抽象思维法、逆向思维法、模拟想象法、知识迁移法、数学演变法等。运用方法的过程也是思维的过程,思维主要包括抽象思维和形象思维。下面谈谈高中物理教学中常见的一些思维方法及其运用:
    实验法:实验法是利用相关的仪器仪表和设计的装置通过对现象的观测,数据的采集、处理、分析后得出正确结论的一种方法。它是研究、探讨、验证物理规律的根本方法,也是科学家研究物理的主要途径。正因如此,物理学是一门实验科学,也是区别于其它学科的特点所在。当然,其中也包括了观察法,观察实验应注意重复试验,去伪存真、去表抓本,去粗存精,数据观测正确,理论与实验的误差,理想与实际的差异,发现规律。
    假设法:假设法是解决物理问题的一种重要方法。用假设法解题,一般是依题意从某一假设入手,然后运用物理规律得出结果,再进行适当讨论,从而找出正确答案。这种解题科学严谨、合乎逻辑,而且可拓宽思路。在判断一些似是而非的物理现象,一般常用假设法。科学家在研究物理问题时也常采用假设法。我们同学在解题时往往不敢大胆假设,不懂的怎样去创设物理图景和物理量,也就觉的无从下手了。还有一些题中的物理量较少,虽然结果只与其有关,但在分析物理过程中又需要一些新的物理量介入时,也要进行相关量的假设,最后可以再消去。
    极限法:极限法是利用物理的某些临界条件来处理物理问题的一种方法,也叫临界(或边界)条件法。在一些物理的运动状态变化过程中,往往达到某个特定的状态(临界状态)时,有关的物理量将要发生突变,此状态叫临界状态,这时却有临界值。如果题目中出现如“最大、最小、至少、恰好、满足什么条件”等一类词语时,一般都有临界状态,可以利用临界条件值作为解题思路的起点,设法求出临界值,再作分析讨论得出结果。此方法是一种很有用的思考途径,关键在于抓住满足的临界条件,准确地分析物理过程。
    综合法(也叫程序法):综合法就是通过题设条件,按顺序对已知条件的物理各过程和各因素联系起来进行综合分析推出未知的思维方法。即从已知到未知的思维方法,是从整体到局部的一种思维过程。此法要求从读题开始,注意题中能划分多少个不同的过程或不同状态,然后对各个过程、状态的已知量进行分析,追踪寻求与未知量的关系,从而求得未知量。一般适用于存在多个物理过程的问题。
    分析法:分析法是综合法的逆过程,它是从求未知到已知的推理思维方法。是从局部到整体的一种思维过程。其优点在于把复杂的物理过程分解为简单的要素分别进行分析,便于从中找出最主要的、最本质的、起决定性的物理要素和规律。具体是从待求量的分析入手,从相关的物理概念或公式中去追求到已知量的一种方法。要求这个量,必须知道那些量,逐步寻求直至全部找出相联系的物理过程和已知的关系,而后再从已知量写到未知量。综合法和分析法是最常用的解题思维方法。分析和综合又是相互联系的,没有分析也就没有综合。综合是以分析为基础,分析又是以综合为指导。
    模拟法:模拟法是将题设中文字描述的物理过程、状态通过实物模型或图示模型形象地描绘出来以帮助思维分析的一种方法。它能直观的反映出物理过程,也有助于理解、分析、记忆物理过程。是一种化复杂为简单、化模糊为清晰的有效方法。尤其对一些空间问题、抽象情景,如运动的追踪、电磁场等问题的分析就显而易见了。注意的是在设置模型时必须相对的准确、形象,以免造成误解。
    类比法:类比法是指通过对内容相似、或形式相似、或方法相似的一类不同问题的比较来区别它们异同点的方法。这种方法往往用于帮助理解,记忆、区别物理概念、规律、公式很有好处。通常用于同类不同问题的比较。如:电场和磁场,电路的串联和并联,动能和动量,动能定理和动量定理,单位物理量的物理量的形式(如单位体积的质量、单位面积的压力)等的比较。而比较法可以是不同类的比较,更有广义性。比如数学中曲线的斜率在物理图象里表示的物理意义是不同的,应学会比较,有比较才能有区别。
    控制变量法:其方法是指在多个物理量可能参与变化影响中时,为确定各个物理量之间的关系,以控制某些物理量使其固定不变来研究另外两个量变化规律的一种方法。它是研究物理的一种科学的重要方法。限于篇幅,以上方法略去举例说明。
    在高中物理教学中,能量转化和守恒的观点是解决物理综合问题的重要方法之一。还有等量替换法、等效法等也常在高中物理中运用。
    在教学中务必有意识地贯穿物理思想和物理方法,思想指导方法,方法体现思想。当然,随着科学的发展,物理学习的深入,新思想新方法会不断出现,只要我们不懈的努力,勇于探索,大胆创新,一定能为物理教学作出贡献。

主要参考资料:高中物理教材和大纲
              物理教学法
              中学物理教学参考
              汉语字典

 

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