大学物理教学中的常用科学方法

黄 熙，张隆洋

(1. 武汉纺织大学 电子与电气工程学院,湖北 武汉 430073;2.黄石五中,湖北 黄石 435000)

大学物理教学中的常用科学方法

黄 熙1，张隆洋2

(1. 武汉纺织大学 电子与电气工程学院,湖北 武汉 430073;2.黄石五中,湖北 黄石 435000)

针对目前学生学习大学物理的现状和认识上的误区，探索了大学物理教学中所涉及到的科学方法，教学活动。教师运用好这些方法可培养和激发学生对《大学物理》和其它自然科学学习的兴趣，也有利于提高学生的科学素养。

大学物理;教学;科学方法

0 引言

《大学物理》是高等院校理工科各专业的一门必修课。通过这门课程的学习，可以培养学生思考问题时思维的严谨性，可以提高学生分析问题的逻辑推理能力;从而使学生具备一定的科学素质和人文素养。该课程所论及的科学思想和方法，在自然科学、工程技术、经济与社会科学等领域中具有广泛的应用。然而在实际的教学中，我们发现许多学生认为大学物理的内容与中学物理差不多，甚至认为大学物理仅仅是中学物理的简单重复，这样很容易走进一个认识上的误区[1]，以至于学习大学物理兴趣不高，甚至“无用论”，这也是导致大学物理“挂科率”高的主要原因之一。基于目前这种“无用论”，本文重点讨论在大学物理教学中所用到的科学方法。

1 极限法

2 微积分的“以直代曲”法

3 分离变量法

4 旋转矢量法

旋转矢量法对于研究简谐运动和简谐波问题带来了很大的方便[5]。在旋转矢量图上，不仅可以简单明了确定作简谐运动的物体的位移x，而且还能确定它的速度v和加速度a，为我们提供了一幅直观而清晰的简谐运动图像，而且一目了然地弄清相位的概念和作用，对进一步研究简谐运动的合成带来了方便。

5 模型法

在物理学中，有许多理想化的物理模型，这些模型都是经过科学抽象形成的，目的是为了突出研究对象的主要性质，暂不考虑一些次要的因素。比如质点，就是忽略物体的大小和形状对物体运动的影响，而当作是一个具有质量的点。再比如刚体，就是考虑如果在外力作用下，物体的形状和大小不发生变化，也就是说，物体内任意两点间的距离都保持恒定，这种理想化的物体[3]。还有在热力学中，为了推导理想气体的压强公式，我们首先建立了理想气体的微观模型，把理想气体看成是由大量的不断作无规运动的、本身体积可以略去不计的、彼此间相互作用可不予考虑的弹性小球所组成。在讨论自由度概念时，我们引入了刚性双原子分子(“哑铃式双原子分子”)和非刚性双原子分子(“非哑铃式双原子分子”)等理想模型。

6 从特殊到一般归纳推理法

所谓归纳推理，就是从个别性知识推出一般性结论的推理，或者由某类事物的部分对象具有某些特征，推出该类事物的全部对象都具有这些特征的推理，是从部分到整体，从特殊到一般的过程。该方法在许多学科都有应用[6]。比如，在电磁学中，电场高斯定理、磁场的安培环路定理的推导，都用了这种方法[3]。

7 猜想法

猜想是对研究的对象或问题进行观察、联想、类比等，是依据已有的材料和知识做出符合一定的经验与事实的推测性想象的思维方法[7]。物理学家牛顿曾经说过：“没有大胆的猜想，就作不出伟大的发现。”，可见，猜想可以培养我们探索自然界奥秘的能力，可以激发创新思维。在电磁学中，物理学家麦克斯韦提出了“有旋电场”(变化的磁场可以产生电场)和“位移电流”(变化的电场可以产生磁场)两个假设，从而建立起了完整的电磁场理论，并预言了以光速传播的电磁波的存在。在量子力学中，正是物理学家普朗克大胆提出了“能量子”假设，从而解决了黑体辐射中的“紫外灾难”问题，揭开了量子力学发展的序幕；正是物理学家爱因斯坦提出了“光量子”假设，从而从理论上成功说明了光电效应实验规律，也因此获得了“诺贝尔物理学奖”。

8 量纲分析法

9 对比法

所谓对比法就是把相近、相似、相对的概念、规律、研究方法进行对比，找出它们的共性和个性差异[8～9]。对比法在大学物理教学中应用得非常之多。下面我们就从物理概念、基本规律、研究方法三个方面进行说明。

9.1物理概念上的对比

物理概念是否清晰，对运用物理规律至关重要。很多物理概念具有可比性，比如，表1给出了静电场与感应电场的对比：

表1 静电场与感应电场的对比

表2给出了传导电流与位移电流的对比：

表2 传导电流与位移电流的对比

表3给出了机械波与电磁波的对比：

表3 机械波与电磁波的对比

还有振动与波动，简谐波与驻波，干涉与衍射，牛顿绝对时空观与爱因斯坦相对时空观。

9.2物理规律上的对比

为了更好理解刚体的定轴转动，我们可以将刚体力学与质点力学进行对比，我们发现只要将一些物理量进行替换，刚体力学所有公式与质点力学公式，在形式上一模一样，详细可以参考马文蔚改编《物理学》(第五版)上册[3]P127表4-3质点运动与刚体定轴转动对照表。再比如，我们可以将静电场与稳恒磁场进行对比：

表4 静电场与稳恒磁场的对比

除了上述对比外，还有电偶极子与磁偶极子，电介质与磁介质同场的相互作用。通过这些对比，我们可以清楚看到静电场与稳恒磁场本质上的区别以及相似的地方。当然，还有些规律它们之间没有什么联系，但是数学表达形式是一样的，比如库仑定律和万有引力定律。

9.3研究方法上的对比

在热力学中，热力学基础这部分内容根据实验经验总结，给出了宏观物体热现象的规律，它是对热力学的宏观描述，其特点是具有可靠性，但是“知其然而不知其所以然”；气体动理论这部分内容以气体分子的热运动为研究对象，应用模型假设和统计方法，揭示宏观现象的本质，它是对热力学的微观描述，其特点是有局限性，与实际有偏差，不可任意推广。这两种研究热力学的方法相辅相成。

通过上述的讨论，我们看到，通过对比可以使学生深刻地理解物理概念、规律、方法的本质，了解它们之间的联系和区别，同时也可以培养学生的归纳总结、分析综合能力。

10 结束语

以上我们讨论了极限法、微积分的“以直代曲”法等9种科学方法，当然大学物理教学中所涉及的方法远远不止这些。对科学方法的探索，有助于激发学生对自然科学学习的兴趣，有助于开展高等教育改革所必须的素质教育和培养学生的创新意识和科学素养。

[1]黄 熙.如何做好大学物理与中学物理教学的有效衔接[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2013,(4):104～108.

[2]同济大学数学系.高等数学第六版上册[M]. 北京：高等教育出版社,2007.

[3]马文蔚.物理学(第五版)上册[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[4]金向阳, 陈飞明.大学物理学 上册[M]. 北京: 科学出版社,2013.

[5]马文蔚.物理学(第五版)下册[M]. 北京：高等教育出版社,2006.

[6]潘金元.在生物学教学中引导学生利用归纳推理法建立数学模型[J].生物学通报,2010,45(8):35～36.

[7]钱常宝.高等院校数学课堂教学中“数学猜想法”的运用[J].河西学院学报,2007,23(5):107～110.

[8]对比法在物理教学中的应用[J].齐齐哈尔师范高等专科学校学报,2007,98(4):129～130.

[9]韩德培.物理教学中的对比法[J].华中师范大学学报(自然科学版),1992,26(4):529～532.

[10]陈飞明,金向阳.大学物理学 下册[M]. 北京: 科学出版社,2013.

Thecommonscientificmethodintheteachingofuniversityphysics

HUANG Xi，ZHANG Long-yang

(1.School of Electronic and Electrical Engineering，Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China;2. Huangshi No. 5 Middle School，Huangshi 435000，China)

Aim to the current situation and misunderstanding on the study of university physics, we explore the scientific method involved in the teaching of university physics, which can cultivate and stimulate the students' interest of natural sciences and improve the students' scientific accomplishment.

university physics; teaching; scientific method

2013—12—24

湖北省教育科学“十一五”规划2009年度教育信息化专项研究课题(2009B453)资助

黄熙(1981— )，男，湖北大冶人，讲师，在读博士，主要从事大学物理教学.

G642.4

A

1009-2714(2014)02- 0111- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.026