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归纳法教育的基本策略
归纳法教育的基本策略
李武军新乡市第三十中学
[摘要]本文从物理学史、物理概念规律和方法论、物理实验、物理习题以及复习课和课外活动五个方面设计了对学生进行归纳法教育的基本教学策略。
[关键词]归纳法、科学方法、思维方法
1结合物理学史的典型范例进行归纳法教育
物理学史具有“物理科学内容，历史科学方法”的鲜明特色。
它对于学生了解物理知识的来龙去脉和学习物理学的研究方法，培养思维能力、分析能力和辩证唯物主义观点都具有重要的作用。
中学物理教材涉及到几十位物理学家，他们在取得伟大成就的过程中，所运用的科学方法和实验构思精妙绝伦，为我们提供了取之不尽的科学方法教育素材，是归纳法教育的好营地。
而今，在从应试教育向素质教育的教育模式的转型期，如何真正发挥物理学史的教育功能作用，是物理教学过程中实施素质教育的重要突破口，值得更加广泛深入地研究。
将归纳法教育融于物理学史之中，要让学生懂得物理学家的重大发明，虽然与他们的天才与广博知识有关，但最根本的原因还是他们在科学的征途中找到了正确的研究方法。
了解物理学家是怎样用物理学的方法研究、探索问题，把握物理规律内在的本质东西，同时运用反思法，对科学家的思维过程进行剖析和整理，提取科学方法应用的条件和思维操作程序，创造使学生内化和迁移的条件。
这是培养创造性人才的有力手段。
运用物理学家的探究过程来培养学生的认知过程。
物理学家探究物理问题，创造新知识的过程一般有两种模式：
1实验归纳方法
其基本的思维程序为：
提出问题→探索性实验→分析归纳→初步结论（假说）→验证（证实或证伪）→科学理论。
2演绎验证方法
其基本的思维程序为：
提出问题→演绎→初步结论（假说）→验证（证实或证伪）→科学理论。
科学家研究和探索知识的模式，一般也是物理教学中学生的认知模式。
在教学中，要注意创设情境，引导学生去发现问题，再运用具体方法解决具体的物理问题，才能使学生实现知识向能力的转化。
例如：
在“自由落体”教学中，应该阐明：
历史上，伽利略通过落体佯谬的思想进行实验，得出结论:
落体运动是匀加速运动，否定亚里斯多德的物体越重下落越快的结论。
伽利略之所以敢于用一个理想实验批判亚里斯多德的学说，是他多次观察过从同一高度下落的轻重不一的物体（如两个球体或两块石头等）的下落情况，使他大胆猜想自由落体运动是匀加速运动。
他的研究方法是观察→归纳→假设猜想→数学演绎→实验验证→归纳→修正推广。
他开创的这一研究方法极大地推动了物理学发展，是人类思想上最伟大的成就之一。
难怪爱因斯坦曾这样说：
“亚里士多德的思想方法转变到伽利略的方法，已经成为奠定科学基础的最重要的一块基石。
”[1]
2结合物理概念、规律和方法论特点进行归纳法教育
物理概念、规律是物理知识教学的基础和核心，概念、规律的形成过程就是应用科学方法的过程，自然也是应用归纳法的过程。
因此，概念、规律教学是进行科学方法教育的重要途径，当然也是进行归纳法教育的重要途径。
物理概念是客观事物的共同性质和木质特征，它是在大量同类物理现象和物理过程中应用科学方法抽象出来的。
是观察，实验和科学思维相结合的产物。
[2]形成概念的过程就是应用科学方法思维的过程。
中学物理形成概念的科学方法是：
提出问题→观察实验→分析、比较、抽象、概括、归纳、演绎→形成物理概念。
归纳法自然含在其中法。
举电磁感应规律中引入磁通量这个概念为例。
从奥斯特实验证实，电流能产生磁场。
这一规律是否可逆?
即磁场能否产生电流?
带着这个问题做几个演示实验。
先做一个前人探索过程中失败的实验，如，将一根绝缘导线绕在永久磁铁上，导线两端接电流表的两柱，发现没有电流。
再做闭合回路的一部分作切割磁力线运动的实验，以及线圈面积不变而磁场强弱改变，或通、断引起感生电流的磁场的电流等实验。
在实验的基础上，分析比较这几个实验的异同：
①它们都有回路，回路都围成面积。
②实验中磁场和面积都不变，这种闭合回路中没有感生电流。
③实验中磁场强弱不变而回路面积改变。
④实验中磁场强弱改变而回路面积不变。
③、④两种情形有感生电流。
为了揭示产生感生电流的规律，需要找出这些实验的共同的、本质的特征；或者回路面积变，或者磁场强弱变，或者二者都变。
再进行抽象：
把回路抽象成面积，把磁场强弱抽象成磁力线疏密，进行归纳概括成“穿过某一面积的磁感线条数”，从而形成了判断能否产生感生电流这个物理概念—磁通量。
有了磁通量概念，就能用它进行判断：
某一闭合回路里的磁通量若发生改变，则该闭合回路中就有感生电流；若不改变，则无感生电流。
此实验证明，如果用直接下定义的方法给出概念，学生往往不能正确理解概念；不能正确理解概念，就难以用概念进行判断、推理，难以形成思维能力。
物理规律是物理现象或过程内在的本质联系，是构成物理理论大厦的砖石和框架结构。
物理规律包括定律、定理、原理和定则等，是物理事物发展中本身所固有的、本质的、必然的、稳定的联系。
它反映了物理对象、现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律揭示了在一定条件下某些物理量之间内在的、必然的联系[3]。
在物理规律教学中，形成规律的科学方法是：
①提出问题→观察实验→归纳→得出物理规律；②已有概念和规律→建立假说→实验验证→物理规律；③已有概念和规律→数学和逻辑推理→物理规律。
通过探究规律，可让学生学习推理、归纳等思维方法。
如光的折射定律一课。
先提出问题：
光在同一种媒质中传播方向不变，当光从一种媒质进入另一种媒质时方向改变吗?
让学生思考、假设后再演示，边演示边向学生介绍折射线、折射角等概念。
演示入射角从0°到90°，问学生观察到哪些现象，学生回答后再引导。
物理学中的规律往往需要定量观察、研究。
启发学生与光的反射定律进行比较，找折射角大小与入射角大小的关系，然后引导学生思考：
①看入射角大小与折射角大小的比值是否有规律?
②尝试入射角正弦与折射角正弦的比值是否有规律?
实验初步得出：
光从空气进入玻璃时，二者比值不变。
并告诉学生：
这种从个别事实中概括出一种规律的思维方法，就是归纳法。
又启发学生:
根据一次实验是否可与得出具有普遍意义的结论呢?
还不行，还要其它任意两种透明材料作实验。
如果得出同样的结论，才算是规律。
又如，在气态方程的教学中，可以取一定质量的理想气体为研究对象，直接测得多个平衡状态时的P、V、T，然后概括、归纳出P、V、T间的定量关系。
3结合实验进行归纳法教育
物理学是一门以实验为基础的科学。
物理科学史上每一重大突破都是以实验的重要发现为前奏。
在物理学中，每个概念的建立，每个定律的发现，每个理论的确立，都有其坚实的实验基础[4]。
我们知道物理实验是人们根据研究的目的，运用科学的仪器设备，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时尽可能减少干扰客观状态的前提下进行观测，以探究物理规律的一种科学活动[5]。
实验是发展学生能力和使学生得到科学方法训练的重要途径[6]。
进行归纳法教育的好营地。
在实验教学中，要从“教、练、用、考”四个环节中有目的、有重点地进行方法教育的渗透。
这就是：
演示实验时教师着重教方法，通过言传身教，从方法上给予启发、引导、示范；分组实验时学生着重练方法，课外实验时要学生着重用方法，实验考核中考方法。
物理研究始于观察，没有观察就没有科学。
在物理实验中进行观察，要掌握好观察的四个具体要求：
①注意观察的全面性。
②观察要精细。
③观察要善于抓住事物的特点。
④观察要变换角度。
物理实验按其作用要求，有不同的观察方法。
如：
全面观察、重点观察、定向观察、概貌观察、联想观察、对比观察、移动观察、层次观察、选择观察、重复观察、精细观察等。
随着科学技术的进步，观察的内涵也在逐步扩大、由原来的单纯肉眼观察，发展到通过仪器去观察，再发展到通过光谱的谱线分析等一系列的观察，但其根本的要求与方法始终是适用的。
观察要与逻辑思维紧密结合，离开思维，观察就毫无意义。
观察思维的方法因实验不同而有所侧重，通常采用的有比较观察法与归纳观察法。
归纳在其中起了重要作用。
在实验整理阶段要对实验现象和数据进行分析、综合、抽象、概括等逻辑思维，才能验证或得出物理规律（提出假说）。
例如，法拉第在提出“磁场是否能产生电流呢?
”的问题后，做了一系列实验，他把大小不同的磁铁放在连有电流计的线圈附近的不同位置，或者把一根通有电流的导线靠近一根未通电流的导线，未发现有电流产生。
法拉第经历了10年的失败、实验、再失败、再实验，不断归纳总结，终于在1831年8月29日发现了电磁感应的第一个效应。
他一共做了几十个类似的实验，获得了进行物理思维的第一手实验资料。
此外，物理量热功当量（J）的测定，也经历了多次实验的反复测定，不断归纳总结，最终才确定。
英国的物理学家焦耳从19世纪40年代起就开始了测定热功当量的工作，一直持续到1878年，花了将近40年的时间，先后进行了400多次实验，最后得到了的数值为423.85千克•米/千卡。
物理学发展过程中这样的物理实验，是举不胜数的，在此，就不一一列举了。
4结合习题课进行归纳法教育
人类对客观事物的认识过程经历了两次飞跃，即由感性认识到理性认识，再由理性认识回到实践，使理性认识接受实践的检验，从而使认识得到升华，获得对客观世界的具体深刻的认识。
在物理知识的学习过程中，学生对物理知识的认识，相应地也要经历两次飞跃:
在第一次飞跃过程中主要是形成物理概念、掌握物理规律，并在头脑中建立相应的物理知识结构；在第二次飞跃过程中主要是运用在第一次飞跃过程中获得的物理知识解决物理问题。
通过解决物理问题，学生一方面要从原有的认知结构中提取己有的物理知识解决物理问题，另一方面又将解决物理问题过程中获得的新的物理知识纳入原有的认知结构中，使原有的物理知识得到巩固，扩张与深化或者重新组建，在这一过程中学生的思维由抽象上升到具体从而完成了认识上的第二次飞跃。
习题课教学要把训练学生正确的思路和方法，发展学生的能力放在首位[7]。
习题课教学是学生运用科学方法的重要环节。
学生学习知识要达到运用的水平，就非要经过本人参与解决新问题的实践不可。
这正如只教给学生怎样游泳的方法，却不给学生下水游泳的机会，学生就不能形成游泳的技能技巧一样。
因此，教师只有创设情景，提供机会，强化习题教学和训练，引导学生运用科学方法解决具体的物理问题，才能使学生实现知识向能力的转化在习题教学中进行归纳法教育，主要是进行思维方式和方法的训练，提高学生的思维能力和分析解决问题的能力。
图1
例如：
光滑水平面上方存在匀强电场E与匀强场B，电场方向水平向右，磁场方向垂直纸面向内。
水平面的左端固定一块竖直挡板，距挡板L处放有一个质量为m、电量为-q的小物块。
从
静止开始释放小物块，而后相继多次与挡板相碰，每次碰后的速度大小均减为碰前速度的K倍（K小于1）。
设物体在运动与碰撞过程中电量始终不变，碰撞的时间极短。
请问要使物体运动始终不离开水平面，L应满足什么条图件？
从物体开始运动到最后停止运动，共需要多少时间？
这道题就可用归纳法解。
如图3.1：
思维过程
首先对小物块进行受力分析。
确认物块不离开水平面的条件是N≥0，由无题平衡条件可知：
N=mg-qvB≥0,即mg≥qvB
同时又确认物块向左作初速为0的匀加速直线运动，当它到达竖直挡板的右侧即将与板发生碰撞前的瞬间，速度达到最大值。
此时物块不离开水平面，即已满足物块不离开水平面的要求了。
V=（2as）1/2=（2qEL/m）1/2,故L≤m3g2/2Eq3B2
其次为求得物体运动的全部时间，首先应当对物体运动的每一段时间进行考察，然后找出其一般性的规律，即用归纳法获得结果。
又如：
为了研究物质的某种特性，某小组的同学先做如下实验:
在甲、乙两只完全相同的烧杯中分别加入100g和200g的温水，让它们自然冷却，并利用温度计和计时器测量水的温度随时间的变化情况，记录的数据分别如表3.4、表3.5所示。
（设甲、乙两杯水每分钟放出的热量相等）
表3.4：
m1=100g
时间min
0
2
4
6
8
10
12
14
16
温度℃
36
35
34
33
32
31
30
30
30
降低温度℃
0
1
2
3
4
5
6
6
6
表3.5：
m2=200g
时间min
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
温度℃
36
35
34
33
32
31
30
29
28
28
降低温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
8
（l）分析比较表3.4和表3.5中的数据可知，实验时，两杯水所处环境的温度是（）；（选填“相同’，或“不同’）
（2）分析比较表3.4（或表3.5）中第一行和第三行的数据及相关条件，可得出的初步结论是（）；
（3）分析比较表3.4和表3.5中的第三列、第四列、第五列等数据及相关条件，可得出的初步结论是（）；
（4）进一步综合分析比较表3.4和表3.5中的数据及相关条件，还可得出的初步结论是（）。
解析：
（l）两杯水自然冷却最后降低到的温度即为环境温度，由表中可归纳出两杯水最后降低的温度不同，而初始温度相同，故所处的环境温度是不相同的。
（2）比较表3.4中第一行与第三行可知，当水放出热量温度降低时，在相同的时间间隔内温度降低的幅度是一样的，可归纳出是相同质量的水（同种物质）。
（3）比较表3.4和表3.5中的第三列、第四列第五列等数据及相关条件，可归纳出水（同种物质）降低相同的温度时，质量大的放出的热量多。
（4）进一步综合分析比较表3.4和表3.5中的数据及相关条件，可归纳出水（同种物质）放出的热量与质量、降低温度的比值是一个定值。
5在复习课和课外活动中进行归纳法教育
复习课是巩固归纳法教育的良机，有利于提高“方法”的系统性、深刻性和综合应用。
是培育学生综合运用知识的能力和归纳概括的能力的好营地[8]。
物理课堂教学是归纳法教育的主渠道，课外活动是归纳法教育的重要阵地。
课外活动是学生亲身参与和实践，容易激发学习兴趣和投入的主动性，同时，在活动中可将归纳法教育与其它科学方法教育、德育、国情教育有机地结合起来，互相配合、相互促进。
在当今主体式、综合性教育模式飞速发展的时代，要多渠道多空间地开拓归纳法教育的形式。
结合课外活动开展归纳法教育有以下几种方式：
①开放物理实验室，让学生自己应用归纳法进行探索性实验研究，培养学生的探索精神和创造能力；②指导学生开展物理课题研究。
全日制普通高级中学物理教学大纲（试验修订版），首次提出在高中物理教学中进行课题研究，全面培养学生综合运用物理知识的能力；③举办归纳法知识讲座、演讲会，对学生进行系统的归纳法显性教育；④开展科学兴趣小组活动，组织学生制作教具、小制作、小发明等物理实践活动，引导学生观察大自然和日常生活的物理现象，培养观察、应变和解决问题的能力。
⑤开展归纳法教育宣传活动，如出科学方法黑板报、专刊等。
下面是一个学生在课外活动测定“热功当量”的案例：
（1）背景：
初中课本中就有“焦耳测定热功当量装置”，同学们虽然到了高中，对热功当量有了更深的了解，但还想亲自试一试自己能否像科学家一样测出热功当量，体验科学家的研究工作的艰辛和获得成功的快乐。
我鼓励和支持他们的这个课题的研究，并帮组他们确定试验方案，在实验中遇到问题时，我与同学们讨论，共同解决，实验由小组中几个成员一起完成。
（2）主要过程
查阅有关文献资料→归纳总结→设计实验方案→收集实验器材→进行实验→归纳总结→得出结论→写出结题报告→交流
个案结题报告
图2
用什么方法测量热功当量使同学们讨论的焦点，同学们提出了不同的方法，经过认真的讨论和研究，确定了一个相对较为简便的方法，利用电流对煤油加热，计算也电流所做的功与煤油获得热量的比值，得出热功当量，如图3.2所示。
器材：
安培表：
0—3A、伏特表：
0—3V、温度计一支、2Ω电阻丝一条、煤油120克（用天平称取）、量热器一个、学生电源一个、若干导线、0—50Ω滑动变阻器一个、开关一个。
对于测量的具体细节组员们有不同意见，我们对认为可行的都做了尝试。
由于导线所能承受的电流强度不超过1A，所以接入电压时，我们选择了稳压6V，通过调整变阻器阻值将电流表读数调至0.5A。
用电流表测出电流强度，再取电阻丝电阻进行计算。
而在加热过程中我们也发现了几个问题：
首先一个问题是选择温度差作为测量标准还是以时间作为标准。
在粗略计算后同学们发现，温度在一分钟内只升高0.2℃左右，而温度计刻度小，难于观测，因此他们取升高温度作为测量的标准。
其次是升高多少度的问题，我们在测量中发现：
若只升高2℃—3℃时，测出来的数据与理论相差甚远。
而如果升高10℃以上，会发现在升高6℃—8℃时，时间较短，而再往上升时，明显的时间变长，这是由于煤油与量热器外空气温差增大，热传递加快，使煤油散热所致。
在实验中为了提高效率，我们将电流稳定在了0.8A与0.5A上，由于温度升高缓慢，我们在实验中时间的计算以分钟作为单位。
最后我们经过反复改进和尝试，做了许多次实验，得出一系列数据，在所有测出的数据中找出比较理想的三组数据列在下面，如表3.6：
表3.6：
测定热功当量的数据记录
m=120gc=0.5×103cal/kg℃r=2Ω
初温（to）
末温（t）
Q=cm（t-to）
电流强度（A）
时间（T）
W=I2RT
热功当量（J）
11
22℃
28℃
363卡
0.8A
20分
1536J
4.23
2
20℃
27℃
423.5卡
0.8A
24分
1843.2J
4.35
3
22℃
28℃
363卡
0.5A
53分
1590J
4.38
热功当量平均值为：
4.32J/cal
计算出的结果会稍大于国际通用数值4.2J/cal，我们推测是因为W/Q，由于煤油在加热过程中难免会散热，使Q相对理论数据较小，导致J的相对偏大。
总之，只要有物理活动的地方，都要不失时机地开展归纳法教育，把物理归纳法教育贯穿于物理教学全过程。
参考文献
[1]袁运开王顺义主编,世界科技英才录,上海科技教育出版社,1999,36.
[2]阎金铎田世昆主编,中学物理教学概论,2004,95.
[3]阎金铎编,田世昆著,物理思维论,广西教育出版社,1996,1.
[4]阎金铎陶洪等,物理实验论,广西教育出版社,1996,2.
[5]阎金铎陶洪等,物理实验论,广西教育出版社,1996,1.
[6]阎金铎田世昆主编,中学物理教学概论,高等教育出版社,2004,70.
[7]阎金铎田世昆主编,中学物理教学概论,高等教育出版社,2004,140.
[8]阎金铎田世昆主编,中学物理教学概论,高等教育出版社,2004,148.
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