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(rèn)為，有下列十種基本方法。

（一）提問法  法國(guó)著名文學(xué)家巴爾扎克認(rèn)為：“打開一切科學(xué)的鑰匙都毫無(wú)異議的是問號(hào)，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(gè)為什么�！边@說明學(xué)生在學(xué)習(xí)中要善于提問，提問大概有兩個(gè)途徑：

1.目標(biāo)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(biāo)，然后由學(xué)生自己去研究、探索。例如，在學(xué)習(xí)《機(jī)械效率》這一課題時(shí)，可以提出下列一連串的問題：①為什么要研究機(jī)械的效率？②如何定義機(jī)械效率？③怎樣計(jì)算機(jī)械效率？機(jī)械效率的數(shù)值范圍是多少？④如何提高機(jī)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(qiáng)》后，要求學(xué)生解答“如已知大氣的壓強(qiáng)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(lì)學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)、閱讀中提出各種疑問。我國(guó)宋代學(xué)者陸九淵說：“小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn)、”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(shí)驗(yàn)、練習(xí)時(shí)，有不明白、不理解的地方提出問題、②對(duì)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(shí)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(wú)功”的功的含意是否相同？又如離心干燥器把水甩干時(shí)是否離心力的作用等。①對(duì)課文論述或教師講解有不同看法時(shí) 也要鼓勵(lì)學(xué)生能大膽地提出問題，勇于闡明自己的觀點(diǎn)。

（二）觀察法

俄國(guó)生理學(xué)家巴甫洛夫說：“應(yīng)當(dāng)先學(xué)會(huì)觀察、觀察。不學(xué)會(huì)觀察，你就永遠(yuǎn)當(dāng)不了科學(xué)家�！睂W(xué)生首先要認(rèn)真觀察教師演示的圖表、模型和實(shí)驗(yàn)、其次是通過參觀，學(xué)會(huì)對(duì)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(jìn)行觀察呢？

l.要加強(qiáng)目的性。亦即扣緊問題和目標(biāo)進(jìn)行觀察。比如，教師演示一個(gè)內(nèi)燃機(jī)模型，究竟要觀察什么呢？目的就是弄清內(nèi)燃機(jī)怎樣使汽油在汽缸里燃燒使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而且能使這個(gè)過程持續(xù)不斷地進(jìn)行下去、只有扣緊這個(gè)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(wàn)端的，在觀察時(shí)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(shí)汽化。

3.要弄清本質(zhì)。瓦特觀察煮開水時(shí)，蒸汽把鍋蓋沖開，說明熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而發(fā)明蒸汽機(jī)、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(wàn)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(shí)，要研究其本質(zhì)，探索其規(guī)律。

4.要善于運(yùn)用現(xiàn)代科技手段。有些現(xiàn)象過于微小或過于遙遠(yuǎn)，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(zhǔn)確，因此，必須借助顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、幻燈、電影、電視和計(jì)算機(jī)等等。日本出版了一套物理實(shí)驗(yàn)的錄像，圖像清晰，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確、生動(dòng)、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(shí)驗(yàn)法

某些自然科學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，研究、探索的基本手段是實(shí)驗(yàn)、偉大的發(fā)明家愛迪生說：“我平生從來(lái)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(yán)格試驗(yàn)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(lái)說吧，為了解決燈泡里的燈絲材料，他就做了近2千次試驗(yàn)。法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，主要也是通過實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過10多年的頑強(qiáng)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(jìn)入電的世界開辟了一條康莊大道。

要掌握實(shí)驗(yàn)法，一要有熟練的實(shí)驗(yàn)技能，二要理論與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)一般可分為下列三種：

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，用實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)原理、定律、公式的正確性。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原理推算的理想數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)時(shí)，一種可能是實(shí)驗(yàn)有問題，要分析誤差，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)；另一種可能是原理有問題，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)原理進(jìn)行修正，甚至推翻這個(gè)“原理”。

2.探索性實(shí)驗(yàn)。有些實(shí)驗(yàn)結(jié)論雖然是前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的，但對(duì)學(xué)生來(lái)說，從頭開始進(jìn)行探索性的實(shí)驗(yàn)就是再發(fā)現(xiàn)。

3.應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。就是用理論指導(dǎo)實(shí)踐，把所學(xué)原理應(yīng)用于解決實(shí)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(jì)實(shí)驗(yàn)。

（四）推理法

在研究、探索中，常常需要從一個(gè)或幾個(gè)判斷推出一個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)，取定量氣體做五次實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度不變時(shí)P1V1=P2V2=P3V3=P4V4=P5V5，從這些實(shí)驗(yàn)可以推出一般性結(jié)論：在溫度不變時(shí)，一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)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(shí)，船就會(huì)離岸而去?用演繹法推理，大前提（一般性原理）：兩個(gè)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(shí)，槳對(duì)岸施加一個(gè)作用力。那么岸也會(huì)同時(shí)給槳一個(gè)等值反向的反作用力，這個(gè)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(diǎn)和相似點(diǎn)進(jìn)行推理，如人們可以設(shè)想從兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用力所遵循的牛頓萬(wàn)有引力定律：

能推出兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力所遵循的庫(kù)倫定律：

當(dāng)然這種類比推理是否正確，有待于用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(lái)研究。主要方式如下：用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)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(diǎn)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?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界的事物錯(cuò)綜復(fù)雜，常常需要把研究的對(duì)象理想化。如力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)，在研究物體的位置及變化時(shí)，在某些情況下，可以不考慮物體的大小和形狀，而用一個(gè)具有確定質(zhì)量的教學(xué)點(diǎn)來(lái)代替整個(gè)物體，這個(gè)點(diǎn)叫做質(zhì)點(diǎn)。又如理想氣體，也是把現(xiàn)實(shí)氣體理想化了。

（七）模湖法

模糊法的理論根據(jù)是美國(guó)扎德的不相容原理：欲求精確，必求嚴(yán)格；欲求嚴(yán)格，必愈復(fù)雜。而當(dāng)復(fù)雜性增大到一定限度時(shí)，復(fù)雜性與精確性就會(huì)相互排斥。因此，在實(shí)際研究中，為了避免過于復(fù)雜，只能用模糊法，求得相對(duì)精確。模糊法的具體應(yīng)用于下：

1.忽略不計(jì)。如提到光滑平面時(shí)，表示摩擦力可以忽略不計(jì)；在研究拋物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般都把空氣阻力忽略不計(jì)。

2.取近似值。如圓周率π是一個(gè)無(wú)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(jì)算時(shí)取9.8米／秒2等。 

3.取平均值。當(dāng)一個(gè)物體的某一物理量時(shí)刻在變化無(wú)法精確計(jì)算時(shí)，常常取這一過程中變量的平均值。如當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所受摩擦阻力不是恒力時(shí)，通常從機(jī)械能的減少量，用功能關(guān)系計(jì)算其所受平均阻力；又如研究氣體分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們不可能對(duì)每一分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，因?yàn)闃?gòu)成物質(zhì)的分子是永不停息地?zé)o規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著的，我們只能用統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算氣體分子的平均速率；對(duì)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(shí)，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(shí)，不妨倒過來(lái)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(fù)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(rèn)為，既然利用電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么倒過來(lái)，利用磁場(chǎng)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(jìn)一步研究感應(yīng)電流的方向時(shí)；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(diǎn)相似點(diǎn)和不同點(diǎn)，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(gè)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(lái)計(jì)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(shí)，不同的電介質(zhì)將影響：（1）點(diǎn)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(chǎng)與磁場(chǎng)；萬(wàn)有引力定律與庫(kù)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(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，反過來(lái)，電能也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(lái)，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(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)的泉源。嚴(yán)格地說，想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素�！奔僭O(shè)有下列幾種：

l.反常假設(shè)。比如說現(xiàn)實(shí)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(huì)怎樣呢？粗看起來(lái)這種假設(shè)沒有什么現(xiàn)實(shí)意義，其實(shí)不然，人們?cè)陔娞莸募铀倩驕p速運(yùn)動(dòng)過程中就會(huì)遇到這個(gè)問題，宇航員在宇航中會(huì)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(shí)現(xiàn)某種計(jì)劃時(shí)，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(jī)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(yùn)動(dòng)員，如果到月球表面能以多少高？像這類問題，并非無(wú)法創(chuàng)設(shè)這些條件，人造衛(wèi)星、登月探險(xiǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

3．幻想假設(shè)。有一種想象是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，叫幻想。幻想在研究中也有一定的啟發(fā)作用，科學(xué)的幻想也有可能以某種形式實(shí)現(xiàn)。阿基米德曾經(jīng)說過，給他一根足夠長(zhǎng)的杠桿和立足點(diǎn)，他可以把地球橇動(dòng)、神話小說中的千里眼、順風(fēng)耳，在現(xiàn)實(shí)生活中已由電視技術(shù)實(shí)現(xiàn)了，很難說，將來(lái)有一天人類是否能改變地球的運(yùn)動(dòng)。

4.理論假設(shè)。人們對(duì)客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)往往要有一個(gè)過程。在理論建設(shè)方面也是這樣，如果一時(shí)還沒有足夠的事實(shí)根據(jù)或理論推證時(shí)，不妨大膽假設(shè)。從對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)發(fā)展史來(lái)看，到17世紀(jì)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(dòng)說；到19世紀(jì)60年代，麥克斯韋又提出光的電磁說；到本世紀(jì)初愛因斯坦又提出了光子說。這些學(xué)說在當(dāng)時(shí)都是一種假設(shè)，在提高認(rèn)識(shí)中都起過一定的作用。經(jīng)過曲折的發(fā)展，現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，光既有波動(dòng)性，又具有粒子性，也就是說，光具有波粒二象性。

     

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