物理课堂中的科学方法教育.ppt
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1、物理课程中的科学方法教育,wuliketangzhongdekexuefangfajiaoyu,物理课程中的科学方法教育,一、物理科学方法概述1、物理科学方法的概念2、科学方法教育的内涵3、科学方法教育的意义4、物理科学方法存在的基本形式5、物理科学方法因素判定原理二、常用物理科学方法简介 1、设疑提问法 2、观察方法 3、实验方法 4、数学方法 5、比较与分类方法 6、分析与综合方法 7、归纳与演绎法 8、理想化方法 9、类比方法 10、物理假说及其检验 11、科学想像三、教材中的科学方法因素分析1、知识结构分析法2、教学逻辑程序分析法3、知识类型归类分析法1)建立物理概念的方法2)总结物理
2、规律的方法3)物理实验中的科学方法思想,一、物理科学方法概述,科学史家朱克曼曾走访过41名诺贝尔奖获得者,发现他们的两项能力“科学鉴赏力”和“高超能力”最主要的是得益于“从名师那里学到一种发现科学真理的思想方法和工作方法”,而不是“从导师那儿获得实际知识”。科学大师们正是以其“第一流研究方法”和“工作质量”来引导、训练和教育其弟子成为英才的。如卢瑟福(提出原子模型)一人就培养出11名诺贝尔物理奖获得者;卡文迪许实验室培养了17名诺贝尔得主。物理学家玻恩曾说:“我荣获1954年的诺贝尔奖,与其说是因为我所发表的工作里包括了一个自然现象的发现,倒不如说是因为那里面包括一个关于自然现象的新思想方法基
3、础的发现。”爱因斯坦在介绍自己取得科学成功的秘诀时,总结了一个公式:A(成功)X(艰苦的劳动)Y(正确的方法)Z(少说废话),一、物理科学方法概述,1、物理科学方法的概念一部物理学的发展史也就是一部物理科学方法的演化史。物理科学方法总是与物理学的研究相伴而生。知识是在一定方法上形成的,而一定的方法又是知识发展的产物。知识与方法是始终紧密地结合在一起的。学习物理知识,一定要学习物理科学方法。研究物理现象、描述物理现象、实施物理实验、总结物理规律、检验物理规律时所用的各种手段与方法。,一、物理科学方法概述,2、物理科学方法教育的内涵物理科学方法教育是一个综合的课题,它主要包括三个方面:弘扬科学精神
4、:怀疑精神、求真精神、创新精神,人文精神、实践精神树立科学态度:严谨的态度、实事求事的态度掌握科学科学方法三者的关系:科学方法是主体科学家的科学方法反映了科学家的科学思想和科学态度视频,一、物理科学方法概述,3、物理科学方法教育的意义物理课程目标指导解题跳出题海(方法学是聪明学),一、截然不同的几个物理习题,例1.一辆卡车与小汽车在同一公路上同向行驶,卡车在小汽车前方S0=1000m处,卡车的速度v1=15m/s,小汽车的速度v2=25m/s,经过多长时间小汽车可以追上卡车?例2.有一个铜、金合金块,总质量为185.5g,总体积为15cm3,则合金块中金、铜各多少g?(铜=8.9103 kg/
5、m3;金=19.3103 kg/m3)例3一个质量为m=270g的铝球,其体积为V=135cm3.通过计算说明这个铝球是空心的还是实心的?如果是空心的,中空部分的体积是多少?铝=2.7103 kg/m3,不太相同的几个数学题,例4.购买二种单价为2元和5元的图书85本,共用200元,问各卖多少本?例5.要求2天完成种树240棵,甲班每天能种50棵,那么乙班必须每天种多少棵树才能一起完成任务?例6今有鸡兔同笼,共有头,足,问鸡兔各多少?,异中求同 进行比较,归纳:可以归为鸡兔同笼的问题.,共同特点:二组有联系的二个量,组成的问题这些问题看上去,是不同的,实际上分析一下,有它们的共同点,都可以归为
6、鸡兔同笼的问题.,鸡兔同笼 1,今有鸡兔同笼,共有头,足,问鸡兔各多少?,1.代数列方程解法:设鸡兔个为x、y只,则可列方程:x+y=20 2x+4y=76 解之得 x=2,y=18,鸡兔同笼 理想实验 2,2.用理想实验法解:我们设想所有的兔同时抬起前面的两足,直立了起来(理想的),这时鸡兔共有只足?()抬起的足共有只?()(谁的足?),就是兔子的个数。鸡数:一般公式:兔数(总足数头数)鸡数总头数兔数其实以上过程,不要写出,只要一面想,一面心算即可 依此类推去解例1,例2.,今有鸡兔同笼,共有头20,足76,问鸡兔各多少?,二、理想实验法 解物理习题1,例1.一辆卡车与小汽车在同一公路上同向
7、行驶,卡车在小汽车前方S0=1000m处,卡车的速度v1=15m/s,小汽车的速度v2=25m/s,经过多长时间小汽车可以追上卡车?,列方程 t相同 v2tv1t=S0 v2t=v1t+S0(v2 v1)t=S0 其实,这里的速度差,就是相对于参照物的速度,二、理想实验法 解物理习题1,例1.一辆卡车与小汽车在同一公路上同向行驶,卡车在小汽车前方S0=1000m处,卡车的速度v1=15m/s,小汽车的速度v2=25m/s,经过多长时间小汽车可以追上卡车?,巧选参照物V21=25m/s15m/s=10m/st=S0/V21=1000m/10m/s=100s理想实验:假设:货车不动了(理想的),让
8、小汽车追货车,之所以能追上,是因为有车速之差所以二个车速之差 是此理想追车的关键t=S0/V21=1000m/10m/s=100s,二、理想实验法 解物理习题2,例2 有一个铜、金合金块,总质量为185.5g,总体积为15cm3,则合金块中金、铜各多少g?铜=8.9103 kg/m3 金=19.3103 kg/m3,解法1:理想实验:如果15cm3都是金(理想的),则m金=19.3gcm-315cm3=289.5g那么比合金质量多289.5g-185.5g=104g注意,我们把铜也当成了金,所以这104g就是铜的体积每cm3金比铜多的质量即104g=V铜10.4gcm-3V铜=10cm3;其他
9、即可求,二、理想实验法 解物理习题2,例2 有一个铜、金合金块,总质量为185.5g,总体积为15cm3,则合金块中金、铜各多少g?铜=8.9103 kg/m3 金=19.3103 kg/m3,解法2理想实验:如果15cm3都是铜(理想的),则m铜=8.9gcm-315cm3=133.5g那么比合金质量少185.5g-133.5g=52g注意,我们把金也当成了铜,所以这52g就是金的体积每cm3铜比金少的质量即52g=V金10.4gcm-3V金=5cm3;其他即可求,二、理想实验法 解物理习题3,例3 一个质量为m=270g的铝球,其体积为V=135cm3.通过计算说明这个铝球是空心的还是实心
10、的?如果是空心的,中空部分的体积是多少?铝=2.7103 kg/m3,解法一 理想实验 假设是实心的 270g铝的体积应为 V=270g/2.7gcm-3=100cm3 现在体积为V=135cm3 说明:V空=135cm3100cm3=35cm3 是空的,二、理想实验法 解物理习题3,例3 一个质量为m=270g的铝球,其体积为V=135cm3.通过计算说明这个铝球是空心的还是实心的?如果是空心的,中空部分的体积是多少?铝=2.7103 kg/m3,解法二理想实验:假设球是实心的,或者说制作一个135cm3的实心铝球,需要铝的质量为多少?m=2.7gcm-3135cm3=364.5g题目给的铝
11、球质量为270g,比实心铝球少了364.5g 270g=94.5g这94.5g铝的体积为 V=94.5g/2.7gcm-3=35cm3,一、物理科学方法概述,4、物理科学方法存在的基本形式 在总结大量事实的基础上,我们发现在以下三种情况下,一定有方法存在,或者说方法的存在有以下三种形式。1)对于同一事物来说,沿着纵向或横向发展过程中的转折过渡处一定存在着方法案例一:为了研究物体运动快慢程度,在匀速运动中,我们利用速度描述,而在变速运动中“速度”已经不能准确的描述物体运动快慢了,此时利用“平均速度”表示。从“速度”过渡到“平均速度”,用了近似的方法。到了高中物理学中,则可以用极限的方法来定义即时
12、速度,更能准确地反映物体运动的快慢。在速度概念的这几次发展中应用了近似、极限、微分等方法。案例二:牛顿第二定律的得出,首先是从物体受到一个力时的加速度与力、质量的关系,再扩展到受到几个力的作用时的情况,从而总结出牛二定律的内容。这里用了等效的方法加以过渡与连结。再如从部分电路欧姆定律出发到研究全电路欧姆定律时,用到实验归纳与理论演绎相结合的方法。,一、科学方法概述,2)不同事物之间(包括人与事物之间)建立联系或者发生关系时,一定存在方法案例:使闭合回路的一部分导体在磁场中作切割 磁感线运动,或者使闭合回路的磁通量发生变化,运用上述实验的方法都可以使磁与电这两种事物建立起联系。牛顿第二定律推导出
13、动量定理,用的就是数学推导的方法,将动力学关系式与运动学关系式结合,建立了力的冲量与动量之间的关系。,一、物理科学方法概述,3)理论用于实践解决实际问题时,理论本身就具有了方法的意义。案例:研究一个物体从光滑斜面的顶端下滑到底部所具有的速度时,可用机械能守恒定律,或者用牛顿第二定律与运动学公式相结合来求解,此时机械能守恒定律和牛顿第二定律等理论,实际上就成了解题方法了。知道了方法存在的基本形式,对于确定教材中的科学方法因素、学习物理科学的应用很有帮助。,一、物理科学方法概述,5、物理科学方法因素判定原理在教学过程中开展物理科学方法教育,必须结合教材进行。但是,教材一般是以知识的内在联系为线索而
14、展开的,不会或很少提起所应用的方法。因此,就需要我们分析、挖掘出教材中的科学方法因素,这样才有可能结合教材再进行科学方法教育。,我们都是用教材进行教学,可是在教材里,并没有明显的标出哪里有科学方法,该怎么办?,好问题!让我们一起来探讨,如何分析、挖掘教材中的科学方法因素?,命题:在物理学知识点的建立、引申和扩展中,知识点以及知识点与知识点之间的连结处(我们把它叫作“键”),一定存在物理科学方法因素。,通过研究和实践,张宪魁教授总结了一个寻找物理科学方法因素的方法,并于1990年把它命名为物理学方法论因素判定原理,发表在教学月刊1990年第10期。,张宪魁教授,方法 从实践或理论上研究物理学所采
15、用的一切操作和手段,都称之为方法。,首先,让我们来明确几个名词,物理科学方法因素 指教材中研究物理学所应用的各种基本方法。,非常规方法直觉、猜想、灵感等。,这里主要是指每个具体的物理概念(包括物理量)、物理规律(包括原理、定律、定理、公式、法则、定则等)、物理实验、物理应用(如习题)等四类。,知识点 即中学物理教材中遇到的知识。,知识点的建立 指概念的引入与定义,规律的总结与表述,实验的原理与设计构思,以及物理学理论体系的确定等。,知识点的引申 指知识向纵深发展。,知识点的扩展 指知识本身沿横向展开。,我们把它称作为“键”,就如同人身上骨骼之间连接处的肌键一样。,知识点的连结处 指知识点的建立
16、与发展过程中,沿横向或纵向由一个知识点发展到另一个知识点的过渡处。,我不太理解,物理学的知识点如电流、电压等概念,及欧姆定律等规律,它们是客观存在的,本身并无方法可言的呀?,当我们引入这些概念并加以定义时,或者在探索总结规律时,必须由人们借助一定的工具(如实验仪器)、一定的手段(包括人的思维等),通过一定的操作去观察、去发现,这就体现为方法了。,这就好象画家以他掌握的画法技巧,利用画笔描绘出各式各样题材的画卷。,这就好象木工师傅利用各种工具,根据一定的数据(图纸),把木材做成桌椅板凳一样。,提、拉、推、压等现象,本质归结为物体与物体之间的相互作用,引入“力”的概念,此处,归纳概括就是方法。,通
17、过实验总结规律时,实验就是方法。,知识点的引申或扩展也要运用一些方法,我们利用实验的方法研究电磁感应,那么,电磁感应的实质又是什么?,我知道!能量的转换!,这里能量的转换就是研究问题的手段与方法。而且在以后的许多问题中都可以应用此种方法。,另外,当我们运用知识解决实际问题时,知识本身也就具有方法论意义,此时密度知识就具有方法的意义了。,空心?还是实心?,用密度的知识就可以判断!,再如,此时右手定则就是研究问题的方法了,用右手定则!,如何判断感生电流的方向?,有了上述命题,当我们分析教材时,只要找出教材中所涉及的知识点(概念、规律、实验、应用、习题等)以及从一个知识点沿纵向或横向到另一个知识点的
18、过渡处,我们就可以找出科学方法因素。也就是说,物理科学方法因素判定原理给我们一把分析教材中分析方法论因素的钥匙。,二、常用物理科学方法简介,、观察方法观察是最基本、最古老、最直接的科学方法,也是当今严密的科学研究中最常用的方法之一,从某种意义上说,没有观察就没有科学研究。要在科学研究可有所发现,有所创造,必须掌握观察的方法。科学观察的特点:1)科学观察总是与一定的研究课题相联系,为解决一定的科学问题而进行的。也即它有明确的观察目的、观察任务和观察对象,并采用一定的观察方法。2)科学观察有明确的理论作指导,以便全面观测和把握对象的各种属性。在经典物理学中,一般是通过科学观察和实验,对所获得的资料
19、进行归纳整理加工,从而总结出物理规律和物理理论。而在现代物理学中,更多的是运用科学观察去检验某一假说、预言及理论的正确与否。科学观察发展中的一个显著特点是理论对观察的指导作用越来越强,可以说,现代物理学中的科学观察是离不开理论指导的。,二、常用物理科学方法介绍,3)科学观察要综合运用各种感官的作用,要有思维的积极参与科学观察不仅要通过眼睛看,而且要综合运用听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉器官;更重要的是,要有思维的积极参与,进行一定的分析、综合、比较、分类、判断和推理。没有思维的观察是无法进行也是不存在的。4)科学观察需要准确而周密地观察记录要用规定的术语、约定的符号。标准的计量单位并借助绘图。摄
20、影。微机等手段,把观察结果详细地记录下业,作为分析整理的原始资料。5)科学观察要借助地先进的科学仪器,采用先进的观察技术来进行从观察方法的历史发展中可以看出,古代观察主要是纯感官的观察。随着科学技术的不断发展,人们逐步采用观察工具来辅助进行观察。在现代物理学中,科学观察已离不开一定的观察工具,例如,借助于天文望远镜及遥感等先进、精密的科学观察仪器和技术,使科学观察的广度、精度、深度都大大提高,为现代物理学的研究提供了珍贵的资料。,二、常用的物理科学方法介绍,2、实验方法按研究问题的质与量划分:定性实验、定量实验.定性实验是用以判定某因素是否存在,某些因素之间是否有关系的实验。如惯性实验、热传导
21、实验。液体的沸腾、气体的扩散、小孔成像、光的直线传播和电流的等都属于定性实验。当然,定性实验并非绝对不研究定量问题,实质上某种实验现象的从无到有,本身就有量的意义。定量实验用以测量某对象的数值,求出某些因素之间的数量关系,或者用数量关系去表明某些规律的实验。如长度、质量、密度等物理量的测量;研究电流强度与电阻、电压的定量关系,研究加速度与力、质量之间关系的实验才都属于定量实验。,按实验的直接目的分:探索性实验、验证性实验和判决性实验探索性实验:是指人们从事开创性的研究工作时,为了探寻自然事物或现象的性质以及规律所进行的实践活动。其特点是实验前人们对研究对象不了解。验证性实验:是根据已知的理论和
22、实验,对一些物理现象的存在、原因或规律推测、提出假说或形成新的理论时,为了检验它们正确与否而设计的实验叫做验证性实验。中学物理教材中的实验大多数是验证性实验。判决性实验:人们为了验证科学假说,理论或设计方案的正确与否而设计的予发最后判决的实验。,按实验的手段分:对比实验与模拟实验对比实验:是通过对照比较、分析研究的方法,达到异中求同或同中求异,以揭示所研究事物的某种性质或规律的实验。可采取横向对比或纵向对比。横向对比一般是把研究对象分为两个或两个以上组群,一个是对照组,作为比较的标准;另一个是实验组,通过某种实验步骤以便确定对实验组的影响。纵向对比 是时间前后的对比,即对同一组进行施加影响因素
23、前和施加影响因素后的对比。如中学物理教学中,当研究密度、比热、电阻等表征物质特性的物理量时,采用对比实验是很有效的方法。模拟实验:物理学研究中,有时受客观条件的限制,不能对某些自然现象进行直接实验,这时就要人为地创造一定的条件或因素,在模拟的条件下进行实验。,二、常用的物理方法介绍,3、数学方法数学是专门研究量的科学,是人们从量的方面去认识客观事物的有效途径。物理学研究中的数学方法是解决和说明物理问题时采用的数学理论工具,它要求人们根据物理学研究对象质的特点,分别或综合地运用各个数学分支提供的概念、理论、方法和技巧,对对象进行结构、数量方面的描述、计算和推导、进而作出分析、判断,揭示物理对象的
24、运动规律。数学方法的特点:一是抽象性抽象性是数学本身的特点所决定的。数学是一种研究思想事物(虽然它们是现实的摹写)的抽象的科学。数学方法就是运用这种抽象的思想来分析、考察和表述事物的量的关系和量变零规律的。数学概念及其理论的抽象性决定了数学抽象性。物理学研究中,根据研究的需要,人们往往抓住其主要性质,撇开具体内容,只保留其数量关系和空间形式,然后把复杂的物理问题抽象成数学符号之间的运算关系,对此进行分析研究,即可得出理想化的数学概念和定量描述事物的普遍规律。如牛二定律等物理规律一般都是用数学的形式表达的。二是精确性和逻辑性三是辨证性,二、常用的物理科学方法介绍,4、比较与分类方法比较是确定研究
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