物理学中的科学方法及其教育功能初探

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1、物理学中的科学方法及其教育功能初探　　摘要：近代科学诞生的主要标志，是建立了一套有别于古代和中世纪的自然观和方法论，近代科学方法最大的特色就是实验方法的应用和牢固确立、实验―数学方法、科学归纳法和直观―演绎法的结合、简单和统一的审美方法。　　关键词：科学方法；物理学；教育功能　　中图分类号：G632.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）09-0093-03　　近代科学方法的先驱培根把科学方法比作在黑暗中给人照路的明灯。另一位科学方法论的先驱笛卡儿则断言：“方法，对于探求事物真理是绝对必要的。”爱因斯坦之所以能够在科学上做出划时代的贡献，被誉为世纪最伟大的科学家，是与他

2、的科学思想、科学方法分不开的。关于科学方法，中国学者也有自己独到的见解。任鸿隽视科学方法为“科学的种子”。在他看来，“现代的科学与它的方法已经合而为一，不能指出某部分是方法，某部分是科学，因为方法只是研究科学的一些过程。我们不能说结果是科学，过程不是科学，因为广义地说来，所有的科学都是在过程中的。”事实上，在科学研究中，一切理论的探索，归根结底也是方法的探索，二者可以说是相辅相成、相得益彰的。也许正因为科学方法与科学自身的关系如此紧密，许多学者甚至把科学方法和科学等量齐观。　　一、科学方法的分类8　　学科方法的构成要素主要有：（1）对事实的观察，包括称之为实验的人为的观察。（2）把相同的

3、事实归纳起来，标上名称以备应用，比较和分类，其目的就是给一堆事实标上名称，可称为一般前提。（3）演绎，使我们从一般前提再回到个别事实，它教我们从那个标签上找到所期待的那些事实。（4）证明，就是根据事实来确定我们的结论是否正确的过程。　　（一）科学的实验方法　　近代科学方法最大的特色之一就是实验方法的应用和牢固确立。古代科学的研究方法是观察、猜测、直觉、概括、演绎等。直到中世纪后期和文艺复兴时期，西方近代科学才逐渐从自然哲学的母体中分离出来，走上了独立发展的道路。而其中科学的实验方法是近代科学从自然哲学中独立出来的催化剂，同时也是推动近代科学迅猛发展的一个最基本、最重要和最普遍的方法。物理

4、实验方法是指人们根据研究的目的，利用物理仪器设备，人为地控制或模拟物理现象，排除各种偶然、次要因素的干扰，突出主要因素，在有利的条件下能重复地去研究物理现象及其规律。对物理实验方法的创立并把它应用于检验科学知识做出巨大贡献的人当属伽利略。自由落体问题的研究是伽利略力学研究的突破口。对于自由落体问题当时盛行亚里士多德的观点，即自由落体以匀速下落，其速度的大小与落体的重量成正比。伽利略首先利用逻辑推理的方法指出亚里士多德落体观念的逻辑矛盾，接着用实验事实来驳斥亚里士多德的落体观念。为了让人们清楚地看到球体下落的过程，伽利略设想了一种“冲淡冲力”8的方法：将长约8米的光滑木板放置成一斜面，斜面

5、的夹角可随意调节。使重量不同的小球从同一高度沿斜面同时滚下，夹角越小，小球滚得越慢，这就好比冲淡了引力。伽利略发现，重量不同的球在相同的斜面上滚动的速度是相同的，与斜面倾角的大小无关。作为其极限情形，当斜面倾角为90°时，小球的滚动就成了自由落体。由此得出结论――物体自由下落的速度与其重量无关。这一实验也因其巧妙的设计被英国著名的杂志《物理学世界》评为“历史上最美丽的十大物理实验”之一。伽利略在推导“惯性定律”的过程中，还第一次采用了理想实验的方法。他首先假定小球从一个无摩擦的斜面上滚下来，然后在一个无限延伸的光滑平面上运动。很显然，没有摩擦的斜面和无限延伸的平面是不存在的。这些实验虽然

6、只是想象中的实验，但它是建立在可靠的事实基础上的，这种抽象的方法既弥补了实验条件的限制，所得的结论又能令人信服。伽利略正是靠自己出色的实验奠定了近代物理学之父的尊位，事实上也是因为科学实验，使他成为整个近代科学的揭幕人。最善于进行理想实验的科学家是爱因斯坦，这是他科研方法的重要组成部分和显著特点。爱因斯坦从16岁起就在头脑中做“追光”的理想实验，开始思索“如果我以光速追随光波将会看到什么？”正是它推动着爱因斯坦对物理学中传统观念进行重新审理，萌发狭义相对论的思想。为证明同时性的相对性，爱因斯坦提出了著名的理想实验――“车厢试验”。他就是用这列理想化了的“火车”，为我们证明了事件的同时性因

7、参照系的差异而差异，这也就是“同时”的相对性。　　（二）科学实验与数学方法的结合8　　数学方法是指在科学研究中，应用数学提供的概念、符号和规则进行定量的描述、推导和演算，然后对数学结果进行分析和判断，从量和结构方面运用数学形式表示事物的特征和规律。数学方法为物理学研究提供了精确的形式化语言和表达工具。数学方法较少地受物质和技术条件的限制，依靠其抽象推理可以从理性上认识客观世界，也便于物理理论的推广。在近代科学中将数学理性和实验理性有