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淺談探索問題的方法
2003-2-15 9:39:41 閱讀88次
中學物理教師應如何指導學生在學習中去研究、探索問題呢？筆者認為，有下列十種基本方法。
（一）提問法 法國著名文學家巴爾扎克認為：“打開一切科學的鑰匙都毫無異議的是問號，我們大部分的偉大發(fā)現(xiàn)都應該歸功于‘如何’，而生活的智慧大概就在于逢事都要問個為什么�！边@說明學生在學習中要善于提問，提問大概有兩個途徑：
1.目標法。教師根據教學大綱和教材的要求，向學生提出學習目標，然后由學生自己去研究、探索。例如，在學習《機械效率》這一課題時，可以提出下列一連串的問題：①為什么要研究機械的效率？②如何定義機械效率？③怎樣計算機械效率？機械效率的數(shù)值范圍是多少？④如何提高機械的效率？此外教師還可以利用課外作業(yè)的形式引導學生研究和探索問題。如在學完《大氣壓強》后，要求學生解答“如已知大氣的壓強和密度，能否粗略地算出地球表面大氣層的厚度？”
2.質疑法。要鼓勵學生在觀察、實驗、閱讀中提出各種疑問。我國宋代學者陸九淵說：“小疑則小進，大疑則大進、”說明質疑在學習中有巨大作用。質疑從何著手呢？①在學習課文、實驗、練習時，有不明白、不理解的地方提出問題、②對觀察到的物理現(xiàn)象有疑惑不解之處可提出疑問、③課文的論述與日常生活中的說法有不盡相同時可提出問題。如物理的功的概念和平常所說的“勞苦功高”、“徒勞無功”的功的含意是否相同？又如離心干燥器把水甩干時是否離心力的作用等。①對課文論述或教師講解有不同看法時 也要鼓勵學生能大膽地提出問題，勇于闡明自己的觀點。
（二）觀察法
俄國生理學家巴甫洛夫說：“應當先學會觀察、觀察。不學會觀察，你就永遠當不了科學家�！睂W生首先要認真觀察教師演示的圖表、模型和實驗、其次是通過參觀，學會對自然現(xiàn)象和科技發(fā)展情況的觀察。在研究、探索中應如何進行觀察呢？
l.要加強目的性。亦即扣緊問題和目標進行觀察。比如，教師演示一個內燃機模型，究竟要觀察什么呢？目的就是弄清內燃機怎樣使汽油在汽缸里燃燒使熱能轉化為機械能，而且能使這個過程持續(xù)不斷地進行下去、只有扣緊這個問題，才能理解其工作原理，掌握一循環(huán)，四沖程，飛輪轉二周的要領。
2.抓住特征�，F(xiàn)象常常是紛繁復雜、變化萬端的，在觀察時必須抓住特征、比如觀察沸騰現(xiàn)象，其主要特征就是液體表面和液體內部同時汽化。
3.要弄清本質。瓦特觀察煮開水時，蒸汽把鍋蓋沖開，說明熱能可以轉變?yōu)闄C械能，從而發(fā)明蒸汽機、牛頓觀察蘋果落地，發(fā)現(xiàn)物體間有互相吸引的力，總結出萬有引力定律。阿基米德浸在浴盆里洗澡覺察到浮力與排水量的關系，從而總結出阿基米德定律。因此，學生在學習中觀察各種現(xiàn)象時，要研究其本質，探索其規(guī)律。
4.要善于運用現(xiàn)代科技手段。有些現(xiàn)象過于微小或過于遙遠，有些變化過于快捷，或瞬息即逝，光靠人的五官難于觀察清楚、準確，因此，必須借助顯微鏡、望遠鏡、幻燈、電影、電視和計算機等等。日本出版了一套物理實驗的錄像，圖像清晰，實驗準確、生動、講解明白，富于啟發(fā)，還留有思考問題讓觀眾研究、探索，可以收到很好效果。
（三）實驗法
某些自然科學是以實驗為基礎的，研究、探索的基本手段是實驗、偉大的發(fā)明家愛迪生說：“我平生從來沒有做過一次偶然的發(fā)明、我的一切發(fā)明都是經過深思熟慮，嚴格試驗的結果�！睈鄣仙簧陌l(fā)明，在專利局登記過的就有1328種。就拿其中一種電燈泡來說吧，為了解決燈泡里的燈絲材料，他就做了近2千次試驗。法拉第研究電磁感應現(xiàn)象，主要也是通過實驗，經過10多年的頑強奮戰(zhàn)，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應規(guī)律，為人類進入電的世界開辟了一條康莊大道。
要掌握實驗法，一要有熟練的實驗技能，二要理論與實踐相結合、實驗一般可分為下列三種：
1.驗證性實驗。實踐是檢驗真理的標準，用實驗可以檢驗原理、定律、公式的正確性。如果實驗結果與原理推算的理想數(shù)據相差甚遠時，一種可能是實驗有問題，要分析誤差，改進實驗；另一種可能是原理有問題，可根據實驗的結果對原理進行修正，甚至推翻這個“原理”。
2.探索性實驗。有些實驗結論雖然是前人已經發(fā)現(xiàn)的，但對學生來說，從頭開始進行探索性的實驗就是再發(fā)現(xiàn)。
3.應用性實驗。就是用理論指導實踐，把所學原理應用于解決實際問題，為了提高學生的創(chuàng)造能力，還可以不受課本方法的約束，自己設計實驗。
（四）推理法
在研究、探索中，常常需要從一個或幾個判斷推出一個新判斷，這就叫推理。常用的推理方法有下列幾種
1.歸納法。由一些個別的特殊事例推出同類事物的一般性結論。比如做探索波--馬定律實驗，取定量氣體做五次實驗 發(fā)現(xiàn)當溫度不變時P1V1=P2V2=P3V3=P4V4=P5V5，從這些實驗可以推出一般性結論：在溫度不變時，一定質量的氣體的壓強跟它的體積成反比。
2.演繹法。從普遍性前提推出特殊結論。比如說要解釋：為什么坐在船上的人用槳推岸時，船就會離岸而去?用演繹法推理，大前提（一般性原理）：兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反的（牛頓第三定律）。小前提（特殊事例）：坐在船上的人用槳推岸時，槳對岸施加一個作用力。那么岸也會同時給槳一個等值反向的反作用力，這個反作用力通過槳和人的傳遞，就使船離岸而去。
3.類比推理。抓住事物之間的相同點和相似點進行推理，如人們可以設想從兩個質點之間的相互作用力所遵循的牛頓萬有引力定律：
能推出兩個點電荷之間的相互作用力所遵循的庫倫定律： 當然這種類比推理是否正確，有待于用實驗驗證。（五）數(shù)學法
數(shù)學是研究物理問題的重要工具、許多物理問題可以轉化為數(shù)學問題來研究。主要方式如下：用數(shù)學語言來表達物理規(guī)律。2.用數(shù)學方法推導，如從波--馬定律和查理定律，可以推導出氣態(tài)方程。3.用函數(shù)觀點研究物理過程和規(guī)律。4.用數(shù)學方程求解物理問題。5.用圖線描述物理的變化規(guī)律。
（六）理想化法
在理論研究中，因為現(xiàn)實世界的事物錯綜復雜，常常需要把研究的對象理想化。如力學中的質點，在研究物體的位置及變化時，在某些情況下，可以不考慮物體的大小和形狀，而用一個具有確定質量的教學點來代替整個物體，這個點叫做質點。又如理想氣體，也是把現(xiàn)實氣體理想化了。
（七）模湖法
模糊法的理論根據是美國扎德的不相容原理：欲求精確，必求嚴格；欲求嚴格，必愈復雜。而當復雜性增大到一定限度時，復雜性與精確性就會相互排斥。因此，在實際研究中，為了避免過于復雜，只能用模糊法，求得相對精確。模糊法的具體應用于下：
1.忽略不計。如提到光滑平面時，表示摩擦力可以忽略不計；在研究拋物體運動時，一般都把空氣阻力忽略不計。
2.取近似值。如圓周率π是一個無理數(shù)，通常取它的近似值3.14；重力加速度在不同地區(qū)不同高度有所不同，一般在地面計算時取9.8米／秒2等。
3.取平均值。當一個物體的某一物理量時刻在變化無法精確計算時，常常取這一過程中變量的平均值。如當物體運動時所受摩擦阻力不是恒力時，通常從機械能的減少量，用功能關系計算其所受平均阻力；又如研究氣體分子運動時，我們不可能對每一分子的運動狀態(tài)進行研究，因為構成物質的分子是永不停息地無規(guī)則地運動著的，我們只能用統(tǒng)計規(guī)律計算氣體分子的平均速率；對理想氣體的微觀解釋，一定質量的氣體，溫度保持不變，也就意味著分子的總數(shù)和分子的平均速度不變，當溫度升高或降低時，也就表示分子的平均速度相應地增大或減少。
（八）逆反法
一切事物都充滿著矛盾，有順必有逆，有正必有反。在研究、探索一事物的發(fā)展變化時，不妨倒過來想一想，往相反的方向想一想：有作用必有反作用，有正電荷就有負電荷，磁鐵有N極就必有S極。
1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應后，法拉第認為，既然利用電流可以產生磁場，那么倒過來，利用磁場也必然可以產生電流，經過十多年的研究，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應規(guī)律：變化的磁力線能使導體中產生感應電流。在進一步研究感應電流的方向時；還發(fā)現(xiàn)了另一種逆反現(xiàn)象，這就是楞次定律。
（九）比較法
比較是指把有關的事物放在一起，找出它們之間的相同點相似點和不同點，弄清它們之間的關系，并通過分析綜合，概括出其中規(guī)律。
1.概念比較。如功率和效率是兩個完全不同的概念，功率的定義式是P=w／t；效率的定義式為η=W有用/W總，但它們之間有關系，效率也可以由功率來計算，η=P有用/P總。
2.性質比較。如不同的電介質有不同的介電常數(shù)ε，當其他因素都相同時，不同的電介質將影響：（1）點電荷之間的作用力是與介電常數(shù)ε成反比。（2）平行板電容器的電容與介電常數(shù)ε成正比。
3．原理比較。（1）相似關系。如靜電感應與磁感應；電場與磁場；萬有引力定律與庫侖定律；彈簧振子的周期、單擺周期與電磁振蕩的周期等等，名自都有相類似的地方，通過比較，有助于類比推理，有助于記憶。（2）逆反關系：如機械能可以轉變?yōu)殡娔埽催^來，電能也可以轉變?yōu)闄C械能；在電子技術中，既然有辦法“通直流，阻交流”（利用低頻扼流圈），反過來，也必然有辦法“阻直流，通交流”（利用隔直電容器）。
（十）假設法
假設是發(fā)揮想象力的極好方法，而想象力是研究、探索中必不可少的素質、愛因斯坦說：“想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識的泉源。嚴格地說，想象力是科學研究中的實在因素�！奔僭O有下列幾種：
l.反常假設。比如說現(xiàn)實世界是有摩擦力的，如果沒有摩擦力，世界上的事物將變成什么樣子呢？又比如說，人是有重量的，如果人失去重量或者重量突然加大幾倍將會怎樣呢？粗看起來這種假設沒有什么現(xiàn)實意義，其實不然，人們在電梯的加速或減速運動過程中就會遇到這個問題，宇航員在宇航中會碰到失重和超重問題就更明顯了。
2.條件假設。假如能夠創(chuàng)設某種條件，在實現(xiàn)某種計劃時，將發(fā)生什么現(xiàn)象，這是一種條件假設。比如，設在低空飛機上水平發(fā)射一導彈，問導彈的速度最少要多大才能繞地球飛行而不至于掉落地面？又比如，已知月球表面的重力加速度大約是地球表面重力加速度的1／6，在地球表面能跳2米高的運動員，如果到月球表面能以多少高？像這類問題，并非無法創(chuàng)設這些條件，人造衛(wèi)星、登月探險已經成為現(xiàn)實。
3．幻想假設。有一種想象是無法實現(xiàn)的，叫幻想�；孟朐谘芯恐幸灿幸欢ǖ膯l(fā)作用，科學的幻想也有可能以某種形式實現(xiàn)。阿基米德曾經說過，給他一根足夠長的杠桿和立足點，他可以把地球橇動、神話小說中的千里眼、順風耳，在現(xiàn)實生活中已由電視技術實現(xiàn)了，很難說，將來有一天人類是否能改變地球的運動。
4.理論假設。人們對客觀事物的本質和規(guī)律的認識往往要有一個過程。在理論建設方面也是這樣，如果一時還沒有足夠的事實根據或理論推證時，不妨大膽假設。從對光的本性的認識發(fā)展史來看，到17世紀形成兩種學說，一種是牛頓主張的微粒說，另一種是惠更斯提出的波動說；到19世紀60年代，麥克斯韋又提出光的電磁說；到本世紀初愛因斯坦又提出了光子說。這些學說在當時都是一種假設，在提高認識中都起過一定的作用。經過曲折的發(fā)展，現(xiàn)在人們認識到，光既有波動性，又具有粒子性，也就是說，光具有波粒二象性。
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