科学方法教育在教科版高中物理教材中的体现与实施研究方案

《科学方法教育在教科版高中物理教材中的体现与实施研究》

课题研究方案

一、课题背景

（一）、20世纪世界科学教育中教学方法教育理念的凸显

综观20世纪科学教育的历程，可以粗略地把它划分为三个阶段，即知识本位、方法本位和人本位阶段。

在知识本位阶段，科学教育的重心在科学知识本身。教师们信奉斯宾塞的名言——“科学知识最有价值”。美国学者卡尔·罗杰斯在考察了澳大利亚一个土著居民部落以后阐明了传授知识对人的生存价值：“怎样找水源、怎样追踪猎物、怎样在荒无人迹的沙漠中不迷失方向„„在一种敌意的和相对无变化的环境中，教授知识，为它提供了生存之路。”（注：转引自方展画：《罗杰斯“学生为中心”教学理论述评》，教育科学出版社1990年版，第73—74页。）

科学教育局限于科学知识的教育情况在20世纪60年代初受到了挑战。人们发现，社会在科学技术的影响下变化加速起来，一个人终身享用在校习得的知识已不再可能。“对现代人来说，如果只有一个真理的话，那么，这就是他生活在一个不断变化的环境中„„现在教给学生的物理学，10年之后将会过时„„化学、生物学、遗传学、社会学都处于这种不断变化之中，以至今天作出的定论，到人有时间和精力应用这些知识的时候，几乎必定被更改了。”（注：转引自方展画：《罗杰斯“学生为中心”教学理论述评》，教育科学出版社1990年版，第73—74页。）社会变化加速的现实，促使教育家思考在科学方法和科学知识之间谁的价值更深远，结论多倾向于前者。许多科学家、教育家反思科学教育中存在的重知识、轻方法问题。物理学家奥斯特瓦尔特(Ostwarla)指出：“虽然用现在的教授方法很成功地讲授了在其现今发展状态中的科学知识，但是，杰出的和有远见卓识的人不得不一而再地指出时常出现在当前我们的青年科学教育中的一个缺点，这就是缺乏历史感和缺少关于作为科学大厦基础的一些重大研究的知识。”（注：转引自赵玉林：《困惑与出路——现代科学方法导引》“引言”，湖北教育出版社1989年版。）更有学者直截了当地说：“我们必须很快地改变我们对教育的概念，今天所教的80%—90%都应放在科学方法、教育方法、学习方法、推理方法、搜集资料的方法、从事实中做结论的方法以及分析事实和综合事实的能力上。”（注：转引自赵玉林：《困惑与出路——现代科学方法导引》“引言”，湖北教育出版社1989年版。）“科学知识最有价值”的科学教育理念让位于“方法比知识更重要”，科学教育从以科学知识为重心转向以科学方法为重心。美国60年代科学课程改革明显地反映出这一特征。

科学教育中“人本位”观念的兴起，是教育家对本世纪70年代中期以后科学技术双刃剑带来的社会问题反思的结果，科学教育中的伦理道德、价值观教育被提到重要议事日程。面对科学技术发展给人类带来的负面影响，教育家们幡然醒悟：科学教育不能仅仅是“颈部以上”的教育，它应该包括更完整的人的教育。至此，科学教育从单一科学知识教育演变为包括科学知识、科学方法、科学态度、科学精神、科学价值观、科学史等复合的科学素养教育。值得一提的是，科学方法的教育不再是仅对精英而言，而成为对所有学生的普遍要求，因为没有科学的思维习惯，“公民就很容易成为教条主义和胡言乱语的骗子们的牺

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牲品，用简单方法解决复杂问题”。（注：美国《2061计划》。）

（二）、世界各国科学方法教育的现状

综观世界各国的科学教育，不难发现，科学方法的教育明显加强了，这表现在以下诸方面： 1、在课程目标上

很多国家和地区在考虑制定科学课程的目标时，都将科学方法列为目标之一。例如，日本近期公布的理科改善的基本方针之一为“通过有目的、有意识的观察、实验，培养科学的调查研究能力和态度，同时养成科学的见解和思考方法”。美国近期颁布的国家科学标准则将作为探索过程的科学列为科学教育的八大内容之一，专门制定了作为探索过程的科学教育标准。该标准强调了要培养学生进行科学探索的能力和对科学探索的理解力。标准指出：“各个学科、所有年级的学生都应该有机会进行科学探索并且培养进行探索性思维和探索性活动的能力，包括提出问题、制定调查研究计划并付诸实验、利用有关工具和技术收集数据、对证据与解释之间的关系进行批判性的逻辑思考、构造和分析其他解释方法以及科学论点的交流等。”（注：《美国国家科学教育标准》。）

为了将培养学生的科学方法意识和运用科学方法的能力落到实处，很多国家还针对不同年段的学生提出不同的要求。如英国国家科学课程标准，从设计实验程序、获得证据、分析证据并得出结论、评价证据等4个方面规定了每一年级的学生应当学习的层次。科学方法目标的具体化、层次化为科学课程的实施提供了便利，它使科学方法的教育不再停留在口号上。课程目标上的这些变化和半个世纪前的科学教育课程目标相比，的确有了很大变化。

2、在教材的编写上

科学方法以各种形式嵌入在教科书中：

（1）.在不改变以科学知识为教材逻辑主线的情况下，插入有关科学方法知识的内容。例如，俄罗斯教学论专家列尔涅尔主张，在阐述牛顿第一定理时，可以插入如下一些内容：“惯性定理实质上是由伽利略概述出来的。牛顿定理的基础是脑子里的试想。脑子里的试想被用于科学中，通常呈现为两种形式：原则上不能完成的和实践中不能完成的。试想——这是一种可近不可及的试想，可以接近它们，但不管如何近，仍不能完成它们，因为它们采用的是理念性的客体。借助脑内实验曾得出了古典物理学的一些基本定理和原理„„”（注：（俄）沃·维·克拉耶夫斯基：《教学过程的理论基础》，江西教育出版社1996年版，第128页。）列尔涅尔认为插入科学方法的重要性在于，学生是不知道科学上总结的本质的，也不懂得从事实向假设的创造性过渡，而假定中体现着学者对经验资料的看法，所以应该给学生提供某一理论研究方法的观念，以及该方法对科学的意义和知识。他还认为，学生所掌握的那些方法论性质的认识结构，拥有广泛迁移作用的趋向，是现代思维的成分之一。

（2）.把一门学科的发展历史（即学科的问题史）与解决这些问题的种种尝试结合起来。美国物理科学研究委员会(PSSC)编制的物理学课程是这种模式的一个典型。美国PSSC物理教材较早进入光学领域，这样做的理由是光模型的建立是包括物理在内的所有自然科学研究的一个典型方法：先建立光的粒子模型，用它来解释光的行为，一些行为被合理地解释，而另一些却遇到了困难，甚至矛盾。因此，物理学家面临着两种选择：其一是推翻旧模型，建立新模型；其二是修改旧模型，使它更完善。物理学家作了后一种选择，引入波现象，形成波理论，观察一系列光行为，用波理论解释它们，由此建立光的波模型。据称，尽早地让学生了解物理史上的光模型建立，有助于他们树立科学探索的方法论思想。

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（3）.将科学方法与科学知识史紧密地融合在一起，使科学方法的教育更具操作性。正如施瓦布所说：“不把科学当作证明或证实某些概念、原理的过程，而要把它当作一个发现的过程，一个揭示自然事物的过程和一种提高我们理解力的方式来发现这些事实之间如何联系起来的过程。”匈牙利的高中物理教材堪称此类教材的典范。例如，该教材结合气体、液体、固体的知识系统地培养学生建立物理模型的意识和方法，详细指导学生如何通过观察和实验积累经验，如何在经验的基础上建立物理模型，如何用建立的物理模型解决实际问题、预言未知现象，如何用新的实验现象检验这个物理模型的适用范围，进一步修正物理模型。教材的这种编排方式可以使学生不仅知道科学家是怎么做的，而且自己也学会了如何去做。

（4）.用增加完整的探索性作业的方式来培养学生的科学方法意识和科学探索能力，例如美国BSCS生物教材就穿插了62项具体的探索项目，中国浙江省的中学理科教材也安排了一些完全由学生独立探索的作业。学者们认为这是培养学生自己从事完整探索活动能力的重要途径。

3、在教学方法上

为了培养学生理解、运用科学方法的能力，从20世纪60年代开始，在中小学的科学教育中出现了大力提倡探索式、发现式学习的倾向。一批统称为信息加工的教学模型应运而生，如萨其曼的探究教学模式、塔巴的概括教学模式等。这类教学模式的共同特征是把科学知识作为掌握科学方法的手段、工具而不是目的，学生在探索、发现的过程中，学会如何建立假设和验证假设等过程技能才是教学的终极目的所在。

仔细考察各种冠之以发现、探索的教学方法，不难发现，它们还是有一定区别的。

部分教育家强调学生的独立探索、自主活动。他们指出：当学校把教学力量放在自我发动和自我调节的“发现”学习活动上时，学校就是好的。英国艾萨克斯夫人的做法是一个典型：她和她的同事在剑桥的一所学校里，严格排除成人的一切干预，把学生引进一间相当于真实的、设备完善的实验室，让学生自行组织他们的实验。年龄从3岁到8岁的儿童，享有大量的原材料和仪器、试管、烧杯、酒精灯等等，随他们处置。这部分教育家相信，儿童通过与环境的交互作用，是获得有关的认知技能、操作技能的必要条件。他们是个体建构心理学的实践者。

部分教育家持社会建构立场，认为“人的一切形式的精神活动，包括科学活动，都不是由孤立的个人进行的，而是一种社会过程。它们都拥有社会——历史地形成下来的建构和运用客体并将客体加以观念化，加以定型和改造的方式和手段”。因此，主张一种有引导的发现，通过师生的共同活动和交往，去了解和占有科学方法。

不论理论上的倾向如何，大部分理科教师现在都或多或少熟悉了“主动参与”、“发现”、“探索”这些教学的新概念了。对科学方法教育的重视，也引起了科学教育评价的改革，对科学方法掌握情况的考核日益受到重视，对科学方法的理解和掌握的考核标准、试题的研究十分丰富。

然而，承认成就并不排斥对科学方法教育的状况给予批判性分析的必要性。 （三）、我国新课程改革的课程标准把科学方法教育纳入课程目标之中

《普通高中物理课程标准》的总目标之一是：“学习科学探究方法、发展自主学习能力、养成良好的思维习惯、能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”要求学生“经历科学探究过程、认识科学探究的意义、尝试应用科学探究的方法研究物理问题、验证物理规律，通过物理概念和规律的学习过程，了解

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物理学的研究方法、认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用”。新课程标准把科学方法确定为普通高中物理教学内容的一部分，充分体现了新课程改革对科学方法教育的重视。 （四）、我国现阶段高中物理科学方法教育还存在着许多未解决的问题

为什么要在物理课程改革中强调科学方法教育?对此，《全日制义务教育物理课程标准(实验稿)》(以下简称初中《物理课程标准》)并未给出明确回答。当前，对这一问题的认识，主要体现在《物理课程标准》的有关解读中。

《物理课程标准》解读指出:“物理能力是顺利解决物理问题的个体心理特征。物理能力的基本要素是物理知识和物理技能，对知识的深刻理解和对技能的熟练运用从而形成知识和技能的广泛迁移，即成为能力。学习物理学的方法对物理能力的形成具有积极的作用。”显然，这就把科学方法排除在物理能力要素之外，而只是认为对物理能力的形成具有积极作用。应当说，这种观点不仅对科学方法教育价值的理解存在偏差，而且与我国物理教学改革实践所得出的结论也不一致。

浙江省教育厅教研室从1989年开始，积极推动广大物理教师结合教学实践，开展科学方法教育的研究。经过多年的探索，他们得到的结论是:“方法是通向能力的桥梁，能力既依赖于知识，更依赖于方法。在某种意义上，方法本身是能力的一部分。能力培养可以从强化方法教育人手。”

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上海市总结近年来物

理课程改革经验得出的结论是:“能力与方法是密切联系的。一般地说，人们完成某方面任务能力的强弱，是与掌握方法的自觉程度与熟练程度密切相关的。可以认为，方法是能力的‘核心’，是对能力起决定性作用的因素。”

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这充分说明，科学方法应当作为物理能力的要素。

科学方法不仅是物理能力的要素，同时还是物理课程的重要内容。科学方法作为人们认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式，作为一种基本的研究途径、方式，它与物理学的概念、规律等一些知识的东西是相平行的，包含在物理学的范畴之中。与知识不同的是，科学方法涉及的不是物质世界本身，而是人们认识物质世界的途径与方式，是高度抽象的。因此，科学方法并不直接由物理知识内容来表达，而是有它自己独特的表达方式。可以说，科学方法也是一种“知识”，而且是一种比概念、定理、定律、公式这类知识更加抽象和隐蔽的“知识”。因此，作为与物理知识相平行的“知识”，科学方法就毋庸置疑地成为物理课程的内容。

明确把科学方法作为物理课程内容具有重要意义。既然是物理课程的内容，科学方法就应当有明确的教学目标和教学要求，包括:教什么，教多少，教到什么程度，如何评价教学效果，等等，这就把科学方法教育引向了深入。

科学方法不仅是物理课程的内容，而且它还是获取物理知识的途径和手段，是理解物理知识的纲领和脉络，是应用物理知识的桥梁。从知识结构形成的角度看，科学方法作为一种基本的研究方式，它纵横交错、贯穿于整个知识领域之中，把不同的知识相互联系起来从而形成知识结构。从认知结构形成的角度看，只有通过科学方法的参与，才能使客观存在的知识结构转化为学生头脑中的认知结构。通过学生对新知识的加工、组织、简化、记忆、系统化重建及应用等过程，原有的认知结构会演变为更加清晰牢固的新的认知结构。所以，在教学中，学生如果没有学会通过科学方法在自己的头脑中把大量的知识编织成一个层次清晰、逻辑严密的结构或网络，就无法不断接收、容纳新的信息，也就无法不断完善自己的知识结构。进一步，随着学生对科学方法的不断了解、积累和熟练，在应用物理知识解决实际问题时，各种各样的科学方法就能够迅速检索而无需搜肠刮肚地对照做过的题型，就可能在处理前一个步骤时在大脑中预感下一个

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步骤，根本无需暗暗回忆各种题型再思量其意义。即使学生在进行创造性活动时，也能凭科学方法而非经验去探索正确的解决途径。因此，物理教学效果的好坏，在很大程度上取决于是否使学生学到了物理学的思想和方法。

按照现代教育观，作为人类认识结果的知识固然重要，但探求结果的科学方法更加重要。因此，现代教育更关心怎样使传授知识的过程成为掌握科学方法、开发学生智慧的过程。如果学生学习了一门学科，但没有掌握科学方法，那么，充其量只能说他们学过了这门学科，而不是掌握了这门学科。

但是，我国高初中物理课程标准及其解读详细地给出了知识点，而并未明确给出科学方法的教育目标及内容。这很可能会使科学方法教育虚化、弱化。 （五）、我省高中课改面对的新情况

四川省2010年秋季将进入新课程改革，全省高中物理教师对新课程改革的理念还有一个吸收、内化的教程，同时对教育科学出版社出版的新教材《高中物理》也不熟悉。教材中隐含了哪些科学方法？科学方法教育的目标是什么？如何有效地结合课堂教学落实这些目标？科学方法教育目标可以分为哪些阶段目标？等等问题都急需研究。

二、理论依据与课题解读 （一）理论依据

1、马克思主义哲学的方法论与认识论

马克思主认哲学是科学的世界观和方法论。它为社会科学、自然科学及思维科学的研究提供科学的观点和一般方法，是人们开展科学实验、生产活动必须遵循的基本法则和普遍规律。

唯物辩证法认为：物质是第一性的，意识是第二性的，物质决定意识。事物的发生、发展总是有规律可循的，规律是客观是，人们必须按规律办事。其基本观点有：发展变化的观点，普遍联系的观点，矛盾的观点。基本原理有对立统一规律，质量与量变规律，否定之否定规律。马克思主义认识论认为：实践是检验真理的唯一标准，真理是绝对的也是相对的。认识可以分为感性认识与理性认识两个阶段，从感性认识上升到理性认识是认识过程的第一次飞跃，从理性认识回到感性认识是认识过程的第二次飞跃。理论来源于实践，反过来正确的理论对实践有指导作用。

当然本课题要自觉地马克思主义哲学的基本观点、原理为指导，本课题的研究必须在正确的理论下开展，才能走上科学的轨道，才能取得预期的效果。

2、终身学习的理论

终身学习理论指出：当今时代人类面临着诸多问题——人口的急剧增加、自然资源的迅速减少、全球气候变化、知识的爆炸性增长，要适应这些挑战必须要终身学习。不仅要增强学习者的主体性，更要增强学习者的学习能力。国际21世纪教育委员会在《学习——内在的财富》一书中指出：学会求知，学会做事，学会共处，学会做人。阿尔文∙托夫勒指出：未来的文盲不再是不识字的人，而是那些没有学会怎样学习的人。

随着科学技术的进步，科学技术对国民经济的贡献越来越大，科学技术已经成为世界各国的核心竞争力。掌握大量科学技术知识的创新性人才成为战略性资源。科学技术的知识更新速度越来越快，一个人不可能在学校学完他一生工作所需要的知识，但是在学校教育中他可以尽可能地了解科学研究的方法，学会

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应用这些方法去解决实际问题。

3、智力形成理论

现代智力形成理论认为：知识是智力形成的基础，但知识不会自动地转化成能力。知识要转化成能力，在生产生活中顺利地解决各种问题，必须应用正确的方法。方法是知识转化成能力的桥梁。一个人知识丰富，掌握了大量的科学方法并且能够灵活地应用到各种情景中，那么他的能力就很强。

物理学形成的过程中，物理概念、规律是物理学大厦的基石。与此同时，物理学家们还创造了很多科学思想与方法，如对称的思想，等效的思想，守恒的思想，整体法与隔离法，分析与综合法，归纳法与演绎法，等等。这些科学思想与科学方法是物理学发展过程中形成的宝贵的资源，也是人类今后进一步探索大自然奥秘的认知武器。

（二）课题解读

科学是指人类在历史上不断积累起来的关于自然界的相互联系着的技术、经验与理论知识。 科学方法论是关于方法的理论。它是哲学的一个分支。科学方法含有某一科学研究或应用的方法和某一方法的科学性或哲理性两方面的意义。科学离不开方法，方法植根于科学，但方法一旦形成又具有远远超过某种科学范畴的普遍意义，成为理智可以广泛应用的重要工具。“比起任何特殊的学科理论来，对人类的价值观影响更大的还是科学的方法论。”科学方法的特点是：首先它依靠理性的论证而不诉诸于个人情感，它提出的不同观点中进行抉择时必须尊重理性和经验的证明。另外它还总要导致新现象的发现，新理论的建立，从而不断地放大人类的知识体系。科学总是革命的，非正统的，科学方法总是指导人们向前看去获取更加接近真理的认识。

科学方法教育是指在教育教学过程中，人们有意识地、有目的、人计划地对学生进行科学方法的教育。通过科学方法的教育，让学生了解科学研究的一般方法，帮助学生运用这些方法去解决实际问题，形成解决问题的能力与探索未知世界的能力，帮助学生形成正确的世界观和方法论。

三、研究的目的、对象与方法

（一）研究目的

通过本课题的研究，达到以下目的。

1、寻找教育科学出版社出版的高中物理教材中体现的科学方法。

由于四川选用了《教科版》高中物理教材，教师对教材不熟悉，对教材中包含的科学方法更不熟悉。因此我们拟通过全面研读教材，逐个分析知识点中隐含的科学方法，让这些科学方法显性化，至少教师要明确这些方法。

2、探索科学方法教育的实施途径。

找出高中物理教材中的科学方法之后，如何针对不同学生有效地实施？通过哪些途径来让学生认识、感悟、体验这些方法。通过本研究进行探索总结与提炼。

3、制定科学方法教育的阶段性目标

整个高中阶段科学方法教育应该达到什么目标，各阶段的具体目标是什么？如何检测学生是否掌握这些方法。

4、分析近年来高考对科学方法考查的趋势

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随着课改的深入推进，先行课改的地区高考试题中对科学方法已有所考查，这些试题的特点是什么？我省高中教师如何借鉴都值得研究。 （二）研究对象

研究人员所教的学生作为研究对象，研究人员所在学校同年级其它学生作为比较对象。 （三）研究方法

行动研究法，研究人员分工合作，在教学实践中研究，研究教学实践中如何落实。

文献研究法，在研究的过程中，研究人员要注意大量查阅国内关于科学方法教育已有的成果，学习借鉴他人的经验。

四、研究内容与措施 （一）研究内容

1、高中物理教材中体现了哪些科学方法？ 2、科学方法教育有哪些实施途径？

3、科学方法教育的阶段性目标和总体目标是什么？如何检测？ 4、近年来高考对科学方法考查的趋势是什么？

（二）研究措施

1、成立课题研究小组，精选课题成员，确保课题顺利进行。 2、广泛开展学习，购买相关资料，深入地学习相关理论。

3、课题组成员定期集会，就课题开展情况进行研究，总结经验，分析问题，布置任务，严格按照计划实施。

4、聘请专家指导，本课题申请成功后拟聘请科学方法教育方面、教育科学研究方面的专家作指导，确保专家引领落到实处。

5、参加全国性学术会议，开阔眼界。

（三）研究步骤

1、准备阶段：2010年3月-9月

（1）组织课题组成员学习教育科学研究方法。 （2）组织课题组成员确定研究课题，填报课题申报表。

（3）组织课题组成员系统学习科学方法教育的理论、重读马克思主认哲学中方法论部分及认识论部分内容。

（4）组织学员学习现代认知理论，重读《教育心理学》。 本阶段的目标：

（1）课题组成员要了解教育科研的一般方法、步骤。

（2）课题组成员要提高对科学方法的认识，要明确有哪些科学方法？ （3）课题组成员重温教育心理学，进一步了解学生认知的基本规律。 2、实施阶段：

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（1）2010年9月-12月底

课题组成员熟读教育科学出版社出版的高中物理教材，从每个知识点中找出涉及到的科学方法，并将这些科学方法归类。

制定高中阶段科学方法教育的整体目标，分解阶段目标。

分析近几年课改地区高考物理试题中涉及到科学方法的试题并归类分析。 （2）2010年12月—2012年3月

在课堂教学中落实科学方法教育，探讨实施途径，并对科学方法实施后的效果进行监测、调控,做好资料的收集与记录。

（3）2012年3月-9月

总结结题工作。对三年来课题研究取得的成果进行梳理，撰写结题报告。

五、研究的组织保障和经费保障

本课题以双流县黎国胜工作室及其成员为主体，同时还聘请了双流县中学物理特级教师、校长助理黄

钟为指导，有固定的场所，有固定的活动经费，有能力、有条件完成本课题的研究。

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