淺談探索問題的方法

 

2003-2-15 9:39:41    閱讀88次       

中學(xué)物理教師應(yīng)如何指導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)家巴爾扎克認為：“打開一切科學(xué)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(yīng)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。”這說明學(xué)生在學(xué)習(xí)中要善于提問，提問大概有兩個途徑：

1.目標法。教師根據(jù)教學(xué)大綱和教材的要求，向?qū)W生提出學(xué)習(xí)目標，然后由學(xué)生自己去研究、探索。例如，在學(xué)習(xí)《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(dǎo)學(xué)生研究和探索問題。如在學(xué)完《大氣壓強》后，要求學(xué)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(zhì)疑法。要鼓勵學(xué)生在觀察、實驗、閱讀中提出各種疑問。我國宋代學(xué)者陸九淵說：“小疑則小進，大疑則大進、”說明質(zhì)疑在學(xué)習(xí)中有巨大作用。質(zhì)疑從何著手呢？①在學(xué)習(xí)課文、實驗、練習(xí)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(xué)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(xué)家巴甫洛夫說：“應(yīng)當(dāng)先學(xué)會觀察、觀察。不學(xué)會觀察，你就永遠當(dāng)不了科學(xué)家�！睂W(xué)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(xué)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(yīng)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(nèi)燃機模型，究竟要觀察什么呢？目的就是弄清內(nèi)燃機怎樣使汽油在汽缸里燃燒使熱能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)二周的要領(lǐng)。

2.抓住特征。現(xiàn)象常常是紛繁復(fù)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(nèi)部同時汽化。

3.要弄清本質(zhì)。瓦特觀察煮開水時，蒸汽把鍋蓋沖開，說明熱能可以轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)系，從而總結(jié)出阿基米德定律。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)中觀察各種現(xiàn)象時，要研究其本質(zhì)，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(xué)是以實驗為基礎(chǔ)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(jīng)過深思熟慮，嚴格試驗的結(jié)果�！睈鄣仙�一生的發(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(yīng)現(xiàn)象，主要也是通過實驗，經(jīng)過10多年的頑強奮戰(zhàn)，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)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(jié)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(jié)果與原理推算的理想數(shù)據(jù)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(jù)實驗的結(jié)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(jié)論雖然是前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的，但對學(xué)生來說，從頭開始進行探索性的實驗就是再發(fā)現(xiàn)。

3.應(yīng)用性實驗。就是用理論指導(dǎo)實踐，把所學(xué)原理應(yīng)用于解決實際問題，為了提高學(xué)生的創(chuàng)造能力，還可以不受課本方法的約束，自己設(shè)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(jié)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(dāng)溫度不變時P1V1=P2V2=P3V3=P4V4=P5V5，從這些實驗可以推出一般性結(jié)論：在溫度不變時，一定質(zhì)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(jié)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(shè)想從兩個質(zhì)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(dāng)然這種類比推理是否正確，有待于用實驗驗證。

（五）數(shù)學(xué)法

數(shù)學(xué)是研究物理問題的重要工具、許多物理問題可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題來研究。主要方式如下：用數(shù)學(xué)語言來表達物理規(guī)律。2.用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)，如從波--馬定律和查理定律，可以推導(dǎo)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(xué)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(fù)雜，常常需要把研究的對象理想化。如力學(xué)中的質(zhì)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(zhì)量的教學(xué)點來代替整個物體，這個點叫做質(zhì)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(jù)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(fù)雜。而當(dāng)復(fù)雜性增大到一定限度時，復(fù)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(fù)雜，只能用模糊法，求得相對精確。模糊法的具體應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(guān)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(gòu)成物質(zhì)的分子是永不停息地?zé)o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(zhì)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(dāng)溫度升高或降低時，也就表示分子的平均速度相應(yīng)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(yīng)后，法拉第認為，既然利用電流可以產(chǎn)生磁場，那么倒過來，利用磁場也必然可以產(chǎn)生電流，經(jīng)過十多年的研究，終于在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)規(guī)律：變化的磁力線能使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。在進一步研究感應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)系，效率也可以由功率來計算，η=P有用/P總。

2.性質(zhì)比較。如不同的電介質(zhì)有不同的介電常數(shù)ε，當(dāng)其他因素都相同時，不同的電介質(zhì)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(guān)系。如靜電感應(yīng)與磁感應(yīng)；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(guān)系：如機械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽�反過來，電能也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；在電子技術(shù)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(shè)法

假設(shè)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(zhì)、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(xué)研究中的實在因素。”假設(shè)有下列幾種：

l.反常假設(shè)。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(shè)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(shè)。假如能夠創(chuàng)設(shè)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(shè)。比如，設(shè)在低空飛機上水平發(fā)射一導(dǎo)彈，問導(dǎo)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(shè)這些條件，人造衛(wèi)星、登月探險已經(jīng)成為現(xiàn)實。

3．幻想假設(shè)。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�發(fā)作用，科學(xué)的幻想也有可能以某種形式實現(xiàn)。阿基米德曾經(jīng)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(fēng)耳，在現(xiàn)實生活中已由電視技術(shù)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(shè)。人們對客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律的認識往往要有一個過程。在理論建設(shè)方面也是這樣，如果一時還沒有足夠的事實根據(jù)或理論推證時，不妨大膽假設(shè)。從對光的本性的認識發(fā)展史來看，到17世紀形成兩種學(xué)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(xué)說在當(dāng)時都是一種假設(shè)，在提高認識中都起過一定的作用。經(jīng)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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