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浅谈探索问题的方法

 20XX-2-15 9:39:41    阅读88次     
中学物理教师应如何指导学生在学习中去研究、探索问题呢？笔者认为，有下列十种基本方法。
（一）提问法  法国著名文学家巴尔扎克认为：“打开一切科学的钥匙都毫无异议的是问号，我们大部分的伟大发现都应该归功于‘如何’，而生活的智慧大概就在于逢事都要问个为什么。”这说明学生在学习中要善于提问，提问大概有两个途径：
1.目标法。教师根据教学大纲和教材的要求，向学生提出学习目标，然后由学生自己去研究、探索。例如，在学习《机械效率》这一课题时，可以提出下列一连串的问题：①为什么要研究机械的效率？②如何定义机械效率？③怎样计算机械效率？机械效率的数值范围是多少？④如何提高机械的效率？此外教师还可以利用课外作业的形式引导学生研究和探索问题。如在学完《大气压强》后，要求学生解答“如已知大气的压强和密度，能否粗略地算出地球表面大气层的厚度？”
2.质疑法。要鼓励学生在观察、实验、阅读中提出各种疑问。我国宋代学者陆九渊说：“小疑则小进，大疑则大进、”说明质疑在学习中有巨大作用。质疑从何着手呢？①在学习课文、实验、练习时，有不明白、不理解的地方提出问题、②对观察到的物理现象有疑惑不解之处可提出疑问、③课文的论述与日常生活中的说法有不尽相同时可提出问题。如物理的功的概念和平常所说的“劳苦功高”、“徒劳无功的功的含意是否相同？又如离心干燥器把水甩干时是否离心力的作用等。①对课文论述或教师讲解有不同看法时 也要鼓励学生能大胆地提出问题，勇于阐明自己的观点。
（二）观察法
俄国生理学家巴甫洛夫说：“应当先学会观察、观察。不学会观察，你就永远当不了科学家。”学生首先要认真观察教师演示的图表、模型和实验、其次是通过参观，学会对自然现象和科技发展情况的观察。在研究、探索中应如何进行观察呢？
l.要加强目的性。亦即扣紧问题和目标进行观察。比如，教师演示一个内燃机模型，究竟要观察什么呢？目的就是弄清内燃机怎样使汽油在汽缸里燃烧使热能转化为机械能，而且能使这个过程持续不断地进行下去、只有扣紧这个问题，才能理解其工作原理，掌握一循环，四冲程，飞轮转二周的要领。
2.抓住特征。现象常常是纷繁复杂、变化万端的，在观察时必须抓住特征、比如观察沸腾现象，其主要特征就是液体表面和液体内部同时汽化。
3.要弄清本质。瓦特观察煮开水时，蒸汽把锅盖冲开，说明热能可以转变为机械能，从而发明蒸汽机、牛顿观察苹果落地，发现物体间有互相吸引的力，总结出万有引力定律。阿基米德浸在浴盆里洗澡觉察到浮力与排水量的关系，从而总结出阿基米德定律。因此，学生在学习中观察各种现象时，要研究其本质，探索其规律。
4.要善于运用现代科技手段。有些现象过于微小或过于遥远，有些变化过于快捷，或瞬息即逝，光靠人的五官难于观察清楚、准确因此，必须借助显微镜、望远镜、幻灯、电影、电视和计算机等等。日本出版了一套物理实验的录像，图像清晰，实验准确、生动、讲解明白，富于启发，还留有思考问题让观众研究、探索，可以收到很好效果。
（三）实验法
某些自然科学是以实验为基础的，研究、探索的基本手段是实验、伟大的发明家爱迪生说：“我平生从来没有做过一次偶然的发明、我的一切发明都是经过深思熟虑，严格试验的结果。”爱迪生一生的发明，在专利局登记过的就有1328种。就拿其中一种电灯泡来说吧，为了解决灯泡里的灯丝材料，他就做了近2千次试验。法拉第研究电磁感应现象，主要也是通过实验，经过10多年的顽强奋战，终于在1831年发现了电磁感应规律，为人类进入电的世界开辟了一条康庄大道。
要掌握实验法，一要有熟练的实验技能，二要理论与实践相结合、实验一般可分为下列三种：
1.验证性实验。实践是检验真理的标准，用实验可以检验原理、定律、公式的正确性。如果实验结果与原理推算的理想数据相差甚远时，一种可能是实验有问题，要分析误差，改进实验；另一种可能是原理有问题，可根据实验的结果对原理进行修正，甚至推翻这个“原理”。
2.探索性实验。有些实验结论虽然是前人已经发现的，但对学生来说，从头开始进行探索性的实验就是再发现。
3.应用性实验。就是用理论指导实践，把所学原理应用于解决实际问题，为了提高学生的创造能力，还可以不受课本方法的约束，自己设计实验。
（四）推理法
在研究、探索中，常常需要从一个或几个判断推出一个新判断，这就叫推理。常用的推理方法有下列几种
1.归纳法。由一些个别的特殊事例推出同类事物的一般性结论。比如做探索波--马定律实验，取定量气体做五次实验 发现当温度不变时P1V1=P2V2=P3V3=P4V4=P5V5，从这些实验可以推出一般性结论：在温度不变时，一定质量的气体的压强跟它的体积成反比。
2.演绎法。从普遍性前提推出特殊结论。比如说要解释：为什么坐在船上的人用桨推岸时，船就会离岸而去?用演绎法推理，大前提（一般性原理）：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反的（牛顿第三定律）。小前提（特殊事例）：坐在船上的人用桨推岸时，桨对岸施加一个作用力。那么岸也会同时给桨一个等值反向的反作用力，这个反作用力通过桨和人的传递，就使船离岸而去。
3.类比推理。抓住事物之间的相同点和相似点进行推理，如人们可以设想从两个质点之间的相互作用力所遵循的牛顿万有引力定律：能推出两个点电荷之间的相互作用力所遵循的库伦定律：
当然这种类比推理是否正确，有待于用实验验证。

（五）数学法
数学是研究物理问题的重要工具、许多物理问题可以转化为数学问题来研究。主要方式如下：用数学语言来表达物理规律。2.用数学方法推导，如从波--马定律和查理定律，可以推导出气态方程。3.用函数观点研究物理过程和规律。4用数学方程求解物理问题。5.用图线描述物理的变化规律。
（六）理想化法
在理论研究中，因为现实世界的事物错综复杂，常常需要把研究的对象理想化。如力学中的质点，在研究物体的位置及变化时，在某些情况下，可以不考虑物体的大小和形状，而用一个具有确定质量的教学点来代替整个物体，这个点叫做质点。又如理想气体，也是把现实气体理想化了。
（七）模湖法
模糊法的理论根据是美国扎德的不相容原理：欲求精确，必求严格；欲求严格，必愈复杂。而当复杂性增大到一定限度时，复杂性与精确性就会相互排斥。因此，在实际研究中，为了避免过于复杂，只能用模糊法，求得相对精确。模糊法的具体应用于下：
1.忽略不计。如提到光滑平面时，表示摩擦力可以忽略不计；在研究抛物体运动时，一般都把空气阻力忽略不计。
2.取近似值。如圆周率π是一个无理数，通常取它的近似值；重力加速度在不同地区不同高度有所不同，一般在地面计算时取米／秒2等。 
3.取平均值。当一个物体的某一物理量时刻在变化无法精确计算时，常常取这一过程中变量的平均值。如当物体运动时所受摩擦阻力不是恒力时，通常从机械能的减少量，用功能关系计算其所受平均阻力；又如研究气体分子运动时，我们不可能对每一分子的运动状态进行研究，因为构成物质的分子是永不停息地无规则地运动着的，我们只能用统计规律计算气体分子的平均速率；对理想气体的微观解释，一定质量的气体，温度保持不变也就意味着分子的总数和分子的平均速度不变，当温度升高或降低时，也就表示分子的平均速度相应地增大或减少。
（八）逆反法
一切事物都充满着矛盾，有顺必有逆，有正必有反。在研究、探索一事物的发展变化时，不妨倒过来想一想，往相反的方向想一想：有作用必有反作用，有正电荷就有负电荷，磁铁有N极就必有S极。
1820年奥斯特发现了电流的磁效应后，法拉第认为，既然利用电流可以产生磁场，那么倒过来，利用磁场也必然可以产生电流，经过十多年的研究，终于在1831年发现了电磁感应规律：变化的磁力线能使导体中产生感应电流。在进一步研究感应电流的方向时；还发现了另一种逆反现象，这就是楞次定律。
（九）比较法
比较是指把有关的事物放在一起，找出它们之间的相同点相似点和不同点，弄清它们之间的关系，并通过分析综合，概括出其中规律。
1.概念比较。如功率和效率是两个完全不同的概念，功率的定义式是P=w／t；效率的定义式为η=W有用/W总，但它们之间有关系，效率也可以由功率来计算，η=P有用/P总。
2.性质比较。如不同的电介质有不同的介电常数ε，当其他因素都相同时，不同的电介质将影响：（1）点电荷之间的作用力是与介电常数ε成反比。（2）平行板电容器的电容与介电常数ε成正比。
3．原理比较。（1）相似关系。如静电感应与磁感应；电场与磁场；万有引力定律与库仑定律；弹簧振子的周期、单摆周期与电磁振荡的周期等等，名自都有相类似的地方，通过比较，有助于类比推理，有助于记忆。（2）逆反关系：如机械能可以转变为电能，反过来，电能也可以转变为机械能；在电子技术中，既然有办法“通直流，阻交流”（利用低频扼流圈），反过来，也必然有办法“阻直流，通交流”（利用隔直电容器）。
（十）假设法
假设是发挥想象力的极好方法，而想象力是研究、探索中必不可少的素质、爱因斯坦说：“想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识的泉源。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”假设有下列几种：
l.反常假设。比如说现实世界是有摩擦力的，如果没有摩擦力，世界上的事物将变成什么样子呢？又比如说，人是有重量的，如果人失去重量或者重量突然加大几倍将会怎样呢？粗看起来这种假设没有什么现实意义，其实不然，人们在电梯的加速或减速运动过程中就会遇到这个问题，宇航员在宇航中会碰到失重和超重问题就更明显了。
2.条件假设。假如能够创设某种条件，在实现某种计划时，将发生什么现象，这是一种条件假设。比如，设在低空飞机上水平发射一导弹，问导弹的速度最少要多大才能绕地球飞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约是地球表面重力加速度的1／6，在地球表面能跳2米高的运动员，如果到月球表面能以多少高？像这类问题，并非无法创设这些条件，人造卫星、登月探险已经成为现实。
3．幻想假设。有一种想象是无法实现的，叫幻想。幻想在研究中也有一定的启发作用，科学的幻想也有可能以某种形式实现。阿基米德曾经说过，给他一根足够长的杠杆和立足点，他可以把地球橇动、神话小说中的千里眼、顺风耳，在现实生活中已由电视技术实现了，很难说，将来有一天人类是否能改变地球的运动。
4.理论假设。人们对客观事物的本质和规律的认识往往要有一个过程。在理论建设方面也是这样，如果一时还没有足够的事实根据或理论推证时，不妨大胆假设。从对光的本性的认识发展史来看，到17世纪形成两种学说，一种是牛顿主张的微粒说，另一种是惠更斯提出的波动说；到19世纪60年代，麦克斯韦又提出光的电磁说；到本世纪初爱因斯坦又提出了光子说。这些学说在当时都是一种假设，在提高认识中都起过一定的作用。经过曲折的发展，现在人们认识到，光既有波动性，又具有粒子性，也就是说，光具有波粒二象性。