科学方法在大学物理课程教学中的应用

0 引言

大学物理是理工科非物理学专业学生的一门公共基础课.在教学实践中，发现大学物理课程面临着如下一些困难：1)学生所在的院系和学生对大学物理课程的重要性认识不足.表现为每次进行培养方案修订的时候，都会尽可能地压缩大学物理课程的学时；而学生则因为大学物理课程不像计算机或者英语需要考级，而对课程学习不重视，得过且过. 2)随着物理学的发展，大学物理课程的教学内容中引入了很多最新的科研成果，这就和日益减少的课时之间产生了矛盾，如何在有限的学时既保证物理学科知识的完整性，又保持物理学科发展的时代性，这成为教学中的一个大难题.3)实验条件比较落后，课堂演示实验很多受硬件条件所限无法实现，而学生实验的仪器设备甚至实验项目则相对比较过时，很多近代物理实验无法开展.

面对大学物理课程不受重视的这一现状，国内有很多专家学者提出了自己的见解，但都首先强调了大学物理课程的重要性.何娟美认为“大学物理课程在人才培养中起着其它课程不可替代的作用”，并进一步指出：物理学既是一门实验科学, 定量科学, 又是一门崇尚理性、注重抽象思维和逻辑思维的科学, 还是一门极富有想象力的科学[1].物理学已成为一切自然科学的带头学科, 是一切工程技术的理论基础和技术革命的先导, 还是科学的世界观和方法论的代表[2].甚至很多综合性大学还开设了文科物理课程，就是为了培养学生科学发展观和方法论.

鉴于此，将科学方法论引入大学物理课程教学是符合物理学本身的学科特点的.在教学中，在讲解物理学知识的同时引导学生学习科学研究方法，使学生得到科学方法论方面的熏陶和训练，对学生的长远发展也是有利的.

1 在大学物理课程教学中引入科学方法的原则

首先，不是为了讲科学方法而进行大学物理教学，而是要在讲解物理学知识的过程中自然引入科学方法.因此科学方法的引入必须是服务于或者说是辅助于大学物理课程内容教学的，在讲解中，需要根据学生的理解情况、教学内容的难易程度以及教学课时许可的情况下对科学方法的应用案例进行取舍.

其次，科学方法的教学不应拘泥于课堂理论教学中，在实验教学和课后习题中也应注意引入科学方法，在培养学生的物理素养的同时培养学生的思维能力.

(1)定义：拟人类比又称“亲身类比”或“角色扮演”，是指在解决某些问题时，可以让学生设想自己变成了问题中的某些事物，从而去设身处地、亲临其境地感受或体验问题的本质[7].

2 在大学物理课程教学中引入科学方法的案例

大学物理课程涵盖了力、热、光、电磁和原子物理学这些普通物理学的主要内容，也包括量子力学、相对论等近代物理学知识[3].其学科特点是内容庞杂、实验多、公式多、难度较大，而由于现在普遍学时偏少，因此学生在学习中都感到难以掌握其中的知识要点.在教学中引入科学方法，经过笔者最近两届的教学实践，发现可以起到良好的教学效果，并有利于激发学生的学习兴趣，甚至可以开发一些学生的科研能力.在下文中，就将给出一些引入科学方法教学的具体做法.

图10为两种电流供电情况下振动加速度频谱。对比正弦波供电,当逆变器供电时,振动幅值整体增加。不同电流供电下振动加速度的最大幅值点均出现在8 500 Hz,9 533 Hz,10 700 Hz,11 400 Hz附近,接近模态分析结果中0阶和8阶固有频率。开关频率10 kHz附近振动加速度增加较大,究其原因是引入逆变器开关频率的谐波电流加剧了高频段的结构共振。

2.1 类比法和比较法

(1)定义：控制变量法即是在研究多个因素关系时，将一些因素固定不变，从而使问题简化的方法[8].这是学生在中学阶段就比较熟悉的方法之一，其应用也非常广泛.

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(2)举例：在研究质点的圆周运动或者刚体的定轴转动问题时，因为都和质点的直线运动一样可以作为一维运动处理，因此可以推测在质点的圆周运动或者刚体的定轴转动中，其角位移、角速度和角加速度公式也可能与质点直线运动的位移、速度和加速度公式类似；在研究静电场的库仑定律时，可以发现其与万有引力定律相似，是平方反比定律，则可以推测静电场力的叠加性、做功的特点等方面也可能与万有引力相似.诸如此类的例子还有很多，例如动量定理和动量矩定理的类比，质量和转动惯量的类比等.

比较法的运用可以体现在电磁学的教学中，通过对比电场强度和磁场强度在计算公式、方向判断等方面的异同，从而深刻理解电磁场的相关概念和性质.

(2)举例：除了学生熟悉的质点模型、点电荷模型、刚体模型和流体模型等这样一些研究对象的理想模型之外，在研究中还有很多理想化条件模型，例如单摆实验中的“无伸长质量可忽略”的细线、振动实验中的“轻质弹簧”，质点运动时的“光滑”平面或斜面等.还有一些化抽象为具体的模型，例如为研究光现象，引入“光线”这一模型；为研究电场，引入电场线；为研究流体的运动，引入流线等.在研究物理过程时，也会采用一些理想的状态模型或过程模型：例如研究热学现象采用的平衡态模型、等温过程、绝热过程等；又比如研究电磁学现象时的稳恒磁场、均匀变化磁场模型等.

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2.2 模型法

(1)定义：逆向思维也叫求异思维,它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式[11].

通过上述各实验波形及带载对比实验基本可以得到以下几点:首先,实验平台可以保证系统的单位功率因数运行。其次,从各组对比实验及波形可知,系统可以实现50 Hz市电变换成20 kHz高频高压交流电,最后从介质阻挡放电管的带载对比实验可以看出系统的带载能力满足要求,在变换负载电极参数时系统比较稳定,没有出现震荡或者过流过压等故障情况。因此,所搭建的实验平台基本满足设计要求。

2.3 拟人类比法

第三，引入科学方法的时候要针对学生自身所学专业的特点.以模型法为例，在化学专业，更强调热学和光学中采用的模型研究方法；在电子电气专业，更强调电磁学和原子物理学中建立的理想模型.这样既能拉近大学物理课程与学生自身专业课程的距离，又能够实实在在为学生打下进一步学习专业课程的基础.

(2)举例：在研究刚体的位置描述时，可以让学生设想自己头部就是刚体，当自己在空间走动时，头部的质心位置发生了改变，这就需要三个独立的空间位置坐标来描述；当自己站在水平地面，质心位置不动时，点头则是头部绕平行于地面和身体平面的轴转动，当自己摇头时，是头部绕垂直于地面的轴转动；当自己左右偏头时，是绕垂直于身体平面的轴转动.还可以引导学生想象自己坐三维摩天轮，自己的空间位置和空中朝向的变化是如何由三个位置坐标和三个转动角度描述的.

2.4 控制变量法

(1)定义：类比法指由一类事物所具有的某种属性，可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的比较方法，所以又叫“比较类推法”[4]；和比较法有所区别，比较法是比较两类事物之间的相似之处和不同之处，没有类比法中的“类推”之意[5].

本研究依据研究问题和变量的性质,结合问卷调查结果,采用spss19.0对样本进行t检验等方法,探究在前测和后测中,每个因变量是否具有显著差异。

(2)举例：研究电流与电压、电阻关系时，先将电阻固定不变，研究电流与电压的关系.还可以将这种方法应用于牛顿第二定律的验证、探究转动惯量的大小和哪些因素有关以及探究电容和哪些因素有关.

2.5 模拟法

(1)定义：模拟法在物理实验中的应用非常广泛，模拟是用一种容易实现、现象明显且便于测量的物理实验过程来模拟难以实现、现象难于测量或无法测量的实验过程[9].

(2)举例：实验“静电场的描绘”就采用了这一方法.一般来说带电体的形状并不是规则的，导致带电分布也比较复杂，因此用理论的方法计算出来比较困难，且用实验方法直接研究或测绘静电场的分布也难以实现，因为仪表探测头放入静电场就会对被测场产生影响，所以采用模拟法测绘静电场的分布，即仿造一个与静电场分布完全一样的电流场来模拟静电场[10].

2.6 逆向思维法

(1)定义：将研究的问题在抓住要点的基础上进行简化、抽象，建立模型，运用模型去更方便地研究那些难以直接观察到的事物的内部构造、事物的变化以及事物之间的关系[6]，这就是模型法，意在抓住主要矛盾，而不是纠缠于细枝末节的次要矛盾，这也符合方法论的思想.

20世纪80年代以来，长江流域社会经济快速发展，受流域人类活动的叠加累积影响，长江水生态总体呈退化趋势。

(2)举例：日常生活中处处存在摩擦力，可以引导学生逆向思维，如果突然失去了所有的摩擦力，那生活会变成怎样，这样可以更好地理解摩擦力的性质.又比如在讲解点电荷的库仑定律时，公式为可以引导学生思考如果两个点电荷之间的距离r12趋于零时，怎么理解公式中的电场力无穷大的问题，能更深刻理解点电荷这一模型的重要性.

3 在大学物理课程教学中引入科学方法的效果

3.1 有效提高了学生的学习积极性，并促进了学生对其他相关课程的理解

在课堂教学中，通过融入科学方法拓展了学生的思维，并引导学生回忆中学所学物理知识和在其他的学科中是否也用到过类似的方法.例如讲解质点的运动时采用了模型法，通过启发学生思考在其他的学科里是否遇到相似的需要建立模型分析问题的情况.这样不仅让学生在物理课堂上学习更为积极主动，同时对学生自身的专业学科学习也很有帮助

沙漠地区风沙的存在是不同于其他地区的一个最为关键的因素，在风沙掏蚀和磨蚀作用下，路堤路段，路肩被风沙掏蚀；路堑路段，反射气流掏蚀边坡。气流携沙经过路面时，高速运动的砂砾强烈磨蚀沥青路面表面，随着时间的推移，沥青面层会越来越薄，沥青路面的寿命也就会大打折扣。同时，在风沙对道路形成积沙和埋沙，在车辆经过沥青路面，在高温状况下，沥青软化，路面泛油，路面很快会形成车辙。如积沙不能有效清理，风积沙在车辆碾压作用下，细沙会混入沥青混合料中，使沥青路面出现松散，坑槽。

3.2 增加了学生的创造力

在讲授动量定理等知识点后，借助2017西南地区物理学术竞赛的第一个问题“制作一个体积最小的鸡蛋保护器，使鸡蛋从2.5 m的高度落地仍保持完好”给学生布置了任务.通过该任务的完成，发现学生在学习了科学方法之后，物理思维能力大大提高，创造力也增强了.在研究中，采用控制变量法研究如何让鸡蛋保护器的体积越来越小；用逆向思维法进行鸡蛋保护装置从1 m高度逐渐增大高度验证其保护效果的测试.

3.3 改善了学生对大学物理课程的态度

在引入科学方法进行教学的过程中，不断引导学生在上课时就一些问题进行讨论，并要求学生就某些物理学史或物理理念上的问题进行讨论，让学生发现物理学习的乐趣.例如，在进行热力学第三定律教学的时候，让学生思考是否可以把热力学第三定律视为热力学第二定律的特例，怎么理解热力学四大定律各自的地位等问题，并进行小组讨论和课堂展示.在这些讨论中，学生不但进一步体会了科学方法的重要作用，还对大学物理课程产生了学习兴趣，对大学物理课程的态度也从逃避、畏惧或者漠然慢慢改善为期待、喜欢和有热情，这种态度的转变对提高学习主动性和效率都有很大帮助.

4 总结和展望

在大学物理教学中引入科学方法是一种提高学习效率的有效措施，今后还可以继续在这个方面下功夫，例如还可以结合教学内容引入批判思维、等效思维、极限思维等.同时，在教学中发现，学生对专题讲座和动手项目特别感兴趣，而这两种教学形式对学生掌握物理知识都很有帮助，也最适合将科学方法融入其中.在大学物理教学中如何开设专题讲座，如何选择适合的项目让学生进行思考并动手操作，这是今后应该思考并实施的一个方向.

参考文献：

[1] 何娟美.大学物理与人才培养[J].中国成人教育,2007(20):163-164.

[2] 沈大华.物理学在技术型人才培养中的作用[J].江苏理工学院学报,2004,10(4):81-83.

[3] 阎金铎.对理科专业普通物理学力学课程的要求[J].电视大学,1983(1):39-40.

[4] 洪明焕.运用类比推理 改进教学方法[J].云南教育,2004(23):39-40.

[5] 薛洪.谈谈高等数学中“比较法”的应用[J].河南广播电视大学学报,1996(z1):75-76.

[6] 陈五立.模型法在物理教学中的应用[J].大众科技,2006(7):157-158.

[7] 谭迪敖,张天如.逻辑推理型创造技法[J].现代特殊教育,1999(6):42-44.

[8] 覃绮珊.控制变量法及其应用[J].广西物理,2002(2):50-51.

[9] 刘丽荣.物理实验中的模拟法[J].西部皮革,2016,38(2):232-232.

[10] 苏成仁,胡芳林,刘永智.静电场描绘实验原理的简捷证明[J].大学物理实验,2010,23(5):47-48.

[11] 汪丽.逆向思维在中学物理教学中的应用[J].课程教材教学研究:教育研究,2017(5):34-36.