物理科学方法论Word下载.docx

1、三者之中，科学知识是最基本的，它是科学方法、科学精神的载体。科学方法往往是直接附着在科学知识之中，而科学思想与精神则应当从具体的科学知识与方法中去提炼、升华。三树立科学态度科学的态度，可以归纳为四个字：严谨求实1 科学态度是严谨的态度。2 科学态度是实事求是的态度。第二章 物理科学方法的基本概念一物理科学方法概念1方法：所谓方法，就是为了解决某一个具体问题，从实践或理论上所采取的各种手段或方式的总和。2 物理科学方法：物理科学方法就是研究物理现象、描述物理现象、实施物理实验、总结物理规律、检验物理规律时所应用的各种手段与方法。二物理科学方法存在的基本形式1同一事物来说，沿着纵向或横向发展过程中

2、的转折过渡处一定存在着方法2 不同事物之间（包括人与事物之间）建立联系或者发生关系时，一定存在方法。3 理论用于实践解决实际问题时，理论本身就具有了方法的意义。三物理科学方法因素判定原理判定原理主要由以下命题构成：命题：在物理学知识点的建立、引申和扩展中，知识点以及知识点与知识点之间的连结处（我们把它叫做“键”），一定存在物理科学方法因素。这是理论研究与实践经验的总结，也可以作如下简单的论证。1 首先明确几个概念：方法：方法就是从实践或理论上研究物理学所采用的一切操作和手段。方法是属于主观范畴的，是在探索和认识过程中主观所采取的操作和手段，通过这些手段，主观和客观发生联系。1 科学方法论自然科

3、学在其长期的发展过程中，逐渐形成了一套基本的科学方法。如天文学家在研究天体运行规律时，需要运用观测、比较方法；物理学家为了探求物体运动的规律，需要运用实验方法、数学方法、逻辑方法；随着人类实践和认识活动的发展，方法概念使用得越来越广泛，其含义越来越丰富，一般地，人们把方法看成是为实现某种任务所必须遵循或使用的途径、程序、方式、手段以及技巧等方面的总和。2 学习科学技术方法论的意义人们在长期的实践过程中都注意到这样一个事实：做任何事情都有一个方法问题。方法对头，才能事半功倍，否则，事情难以成功。科学技术研究中，同样也需要掌握正确的科学方法。毛泽东指出：“我们的任务是过河，但是没有桥或没有船就不能

4、过。不解决桥或船的问题，过河就是一句空话。不解决方法问题，任务也只是瞎说一顿”。（毛泽东选集合订一卷本，北京：人民出版社，1968年版，第125页）2.1掌握正确的科学方法，是科研获得成功的必要条件。科学的发展犹如登山，是一项创造性和探索性的活动。在这个过程中，是否掌握了正确的研究方法，至关重要。伟大的科学家爱因斯坦在应一位青年人的要求介绍自己成功的秘诀时，写了一个意味深长的关于成功的公式：A=X+Y+Z并且解释说：A代表成功，X代表艰苦劳动，Y代表正确的方法，Z代表少说空话。他说出了在科学研究中，方法与毅力、品质具有同样的重要性，是科学成功的最重要的因素之一。著名生理学家巴甫洛夫更明确地指出

5、：“初期研究的障碍，乃在于缺乏研究法。科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。研究法每前进一步，我们就更提高一步，随之在我们面前也就开拓了一个充满着种种新鲜事物的、更辽阔的远景。因此，我们的头等任何乃是制定研究法”。（自然辩证法讲义编写组：自然辩证法讲义，北京：人民教育出版社，1979年版，第235页）科学方法之所以重要，是因为科学方法是对科研过程规律性的总结，学习科学方法，能使研究者通晓技术研究过程的一般规律，掌握科研中的各个基本过程和环节以及科研中应遵循的基本原则，使研究者提高自己的科研水平，使科研工作少走弯路，获得成功。 科学技术发展的历史表明，一些著名的科学家之所以能在科技发展上作出重

6、大成绩，除了其他条件之外，还与他们善于运用正确的科学方法有关。例如，丹麦天文学家第谷布拉赫经过数十年对天象的观察，积累了大量的行星运行资料，但是由于他不能正确运用数学方法，因而不能从这些资料中得出天体运行的规律性的认识。而开普勒正是在第谷布拉赫的大量观察资料的基础上，运用数学方法，发现了行星运行三定律。欧几里得成功地运用演绎方法，在两千多年以前就演绎出几何学的宏伟体系；伽利略巧妙地将实验方法和数学方法结合起来，发现了自由落体定律和惯性定律；爱因斯坦创造性地使用理想实验方法，创立了相对论等等，都是这方面比较成功的例子。可见，掌握正确的科学方法，对于科研上获得成功是十分重要的。2.2促进创新能力的

7、培养。培养科技人才离不开学习，离不开继承前人的知识财富。一方面，要学习前人总结出的具体知识，包括已经建立的科学概念和科学原理，因为这是我们进一步研究的基础，没有这样的知识，就无法进行科学研究；另一方面，还应该学习一些科学思维方法，这是对学生进行科研能力培养的一个重要的部分。如果说知识的学习给学生提供的是“鱼”，那么方法的学习就是给学生提供“渔”的过程。英国剑桥大学动物病理学教授威廉贝弗里奇指出：“人们普遍认为：多数人的创造能力很早就开始衰退。对于一个科学家来说，姑且假定他迟早会懂得怎样最好地进行研究工作，但如果完全靠自己摸索，到他学会这种方法时，他最富有创造力的年华或许已经逝去。因此，如果在实

8、践中有可能通过研究方法的指导来缩短科学工作者不出成果的学习阶段。那么，不仅可以节省训练的时间，而且科学家做出的成果也会比一个用较慢方法培养出的科学家所能做的多。这只是一种推测，但其可能具有的重要意义是值得考虑的”。（WIB贝弗里奇：科学研究的艺术，北京：科学出版社，1979）看来，掌握打开科学知识之门的钥匙比对某些具体知识的占有更有意义。一项具体知识的用途是有限的，而一个正确的方法的用途却是无限的。所以，学校在培养学生的创新能力时，进行方法论的学习和训练是十分重要的。2.3是学生提高科技素质，成长为适应新时代要求的创新型人才的需要。所谓科技素质，不仅是指具有一定的科技理论和科技知识，更重要的是

9、要掌握一定的科学技术方法。“授人以鱼不如授人以渔”从教育角度讲，传授给学生既有的知识，不如传授给学生学习知识的方法。方法比知识更重要。本课程就是对学生进行科学技术方法的教育。这些方法是基础的、通用的、甚至是哲学层面上的方法。它不仅适用于自然科学，也适用于社会科学和思维科学，是一切科学的最普遍的方法。通过科学技术方法论的教育，使学生树立科学的立场、科学的观点和科学的理念，掌握科学的方法，提高科学研究的能力和创新能力，成长为适应新时代要求的创新型人才。一、实验教学理念与教学设计 大学物理实验教学应以学生为主体，以教师为主导，以学生能力培养为主线，以提升学生的科学实验素养为目标。1、以学生为主体，一

10、切教学活动以学生为中心展开1）分层次教学，因材施教，发展学生的个性特长。本课程针对 基础较差的学生设置了预备性实验，通过实验使学生能掌握最基础、最常用的物理实验仪器的使用及其注意事项，掌握最基础的物理实验操作技能和实验方法，消除新生科学实验能力的差异；针对学生的专业特点和兴趣差异，开设了专题实验，让学生结合自己的兴趣或专业特点，以个体或团队的形式，针对某一项目进行系列的实验，形成对某一个专题的全面 训练；针对学习成绩好、动手能力强的学生开展了课外科技活动，培养学生的创新精神。分层次教学符合学生的认知规律，提高了学生的兴趣，发展了学生的个性特长。2）开放式教学，实现人性化管理。开放式教学在时间、

11、空间、内容上对学生全面开放，学生可以根据自己的情况安排实验时间，因特殊情况不能参加实验，还可以取消预约重新预约，在做完必做实验后还可以根据自己的兴趣或专业特点选择实验内容。2、以教师为主导，注意突出学生的主体地位，充分发挥学生的主动性1） 采用引导式、启发式教学方法开展教学活动，课堂讲解和课堂讨论相结合，集中讲解和个别指导相结合，由“重实验结果” 转变为“重实验过程”，充分调动了学生的积极性。2）学生实验预习和课后复习以学生课外自学为主，充分利用网络教学平台的辅助教学功能，使实验教学过程得以扩充，克服实验教学长期受到课堂和学时限制的困扰。对设计型、专题型实验，在给定任务和要求的情况下，学生从资

12、料收集、方案拟定、设计与调试到撰写设计报告，主要由学生自行完成，这种面向任务的教学方法给予学生最大的发挥空间，培养了学生自主学习、自我管理的能力。3）让学生自行处理实验中的问题。实验过程中出现问题，首先让学生自己找出问题，自行解决，如学生自查电路、焊线、修理简单的仪器、排除简单的实验故障等，对于复杂的问题，教师在排除过程中，也要对学生进行讲解。4）让优秀学生以科研的方式做实验。设计性实验、专题实验以及课外科技活动是针对优秀学生设计的，学生发现并提出问题或教师根据教学内容提出问题，学生对问题的解决进行猜想和假设、设计实验或制定计划、进行实验或收集证据、对实验数据进行分析处理、对实验结果进行解释和

13、描述、写出实验探究报告等。学生自主完成探索过程，教师启发指导。 3、以能力培养为主线，综合培养学生的各种能力1）利用网络技术，提供学生丰富的教学资源和师生交流平台，培养学生主动获取信息的能力。网络教学平台把实验设备、教学内容（包括理论教学）、教师指导和学习者的思考、操作有机融合为一体，形成一部可操作的活的教科书，学生利用校园网对实验教学内容进行课前预习和课后复习，使教学过程在时间和空间上得到延伸，克服了实验教学长期受到课堂、课时限制的困扰；同时丰富的网上教学资源，可以开拓学生的眼界，满足不同层次学生的学习需求和给学生提供了自学物理实验的环境，培养了学生的自学能力。2）通过开放式教学培养学生的自

14、我管理能力。学生自己确定选做实验的内容、安排实验时间、课前预习、在规定时间做实验等活动都由学生自己完成，提高了学生自我管理的能力。3）通过设计性实验、课外科技活动，培养学生的探究能力和创新精神。设计性物理实验要求根据给定的实验题目、要求和实验条件，由学生自己设计方案并独立完成全过程的实验。课外科技活动主要开展科研型物理实验、课外科技制作与发明以及各项竞赛活动，学生在教师指导下，在自行调研的基础上，写出调研报告，设计实验方案，完成实验课题。设计性实验和课外科技活动引导学生以科研方式做实验，增强了学生创新意识。 4、重视现代化教学手段和现代实验技术、方法和手段在物理实验中的应用 实验教学除重视传统

15、教学手段的应用外，还要将多媒体教学、仿真实验技术、计算机网络教学等现代科学教学手段应用于实验中，如：1）充分利用网络技术，实现开放式教学与管理，建立网上师生互动平台。2）开发多媒体课件，适度利用多媒体技术辅助实验教学。3）开展仿真实验，加强学生对物理实验过程数字化模拟的认识，激发学生运用计算机处理物理问题的兴趣，进一步促进学生的信息素养的提高。物理实验在加强基本知识、基本实验方法、基本实践技能教学的同时应注意采用反映当今科技进步的先进实验技术、方法和手段，如在不冲淡实验的物理内涵前提下，引入CCD、光电技术、传感技术、计算机数据采集等现代化测量仪器及测量技术；加强近代物理、现代光学等领域的实验

16、内容，并注意将教师的科研成果转化为实验内容。如在液体粘滞系数的测量中采用光电计时测量，研制与我校特色学科石油学科相结合的流体力学实验仪等。1、自主学习教学方法学生实验预习和课后复习以学生课外自学为主，充分利用网络教学平台的辅助教学功能，使实验教学内容得以扩充，克服实验教学长期受到课堂和学时限制的困扰。对设计性实验、专题实验，在给定任务和要求的情况下，学生从资料收集、方案拟定、设计与调试到撰写设计报告，主要由学生自行完成，这种面向任务的教学方法给予学生最大的发挥空间，培养了学生自主学习、自我管理的能力。2、分层次、开放式的教学方法实验教学以人为本，根据学生所在专业、所处层次的不同，采用因材施教、

17、循序渐进的分层次教学方法，鼓励学生个性发展，实验教学由易到难，由浅入深。实验项目设置为必做实验和选做实验两种，学生在完成必做项目后，可以根据学生能力及专业特点、个人兴趣选做不同的选做实验项目。为了开展分层次教学，在教学管理上采用开放式，开发设计了学生实验预约及教师实验教学管理系统，基本实验预约开放，学生可以自由选择实验时间、实验课题等，设计性实验、专题实验及课外科技活动则完全开放，即在教师指导下，做到实验时间开放、内容开放、元器件开放，通过开放式教学学生的实践能力和综合素质都得到很好的锻炼和提高。本课程从2000年开始实施开放式教学，学生非常满意。3、讨论互动式教学方法基础实验、综合性实验的教

18、学通常以和学生互动的形式，采用引导式、启发式教学方法开展教学活动，课堂讲解和课堂讨论相结合，集中讲解和个别指导相结合。讨论互动式教学方法贯穿于大学物理实验教学的全过程。首先，指导教师在讲解有关实验要求和实验原理时，强调实验原理和实验设计思想形成的思维分析过程，不断提出学生思考的问题，使学生更好的理解和掌握实验要求和实验原理；实验过程中，进行仪器调整方法的讨论，引导学生发现问题并找到解决问题的方法；实验课结束前，对实验结果进行讨论，让学生学会正确分析和处理实验结果；最后，对实验原理、方法和测试手段在工程实际中的应用作一些介绍和讨论，加深学生对实验的印象，提高对实验课的兴趣。讨论互动式教学模式由“

19、重实验结果”转变为“重实验过程”，充分调动了学生的积极性，教学效果好。4、研究性教学方法设计性实验、专题实验以及课外科技活动是对优秀学生开设的，让他们以科研的方式做实验。学生发现并提出问题或教师根据教学内容提出问题，学生对问题的解决进行猜想和假设、设计实验或制定计划、进行实验或收集证据、对实验数据进行分析处理、对实验结果进行解释和描述、写出实验探究报告等。研究性教学方法有助于学生创新意识和创新能力的培养和拔尖学生脱颖而出。 2006年我们成立了大学生科技活动中心，取得了较好的效果，2007年有2项成果获得全国“挑战杯”大学生科技作品竞赛湖北赛区一、二等奖，有1项成果获得全国高校物理演示教学仪器

20、三等奖。5、“333”制教学方法“333”制教学方法的实质在于对教师、学生严格要求，进行规范化、科学化的实验训练，强化学生素质和创新能力的培养。其内涵是：严格实验教学的实验预习、实验操作、实验报告三个环节，实行“三批阅”制度（即在实验预习笔记、实验记录本和实验报告上进行三次签阅，简称“三批阅”制度），树立良好的教风和学风；采用“三元成绩”考核法（由学生的实验操作、实验报告和期末实验考试三个方面综合评定成绩）保证实验教学质量； 采用“三段式”教学方法，培养开发学生的创新能力，所谓“三段式”是在三个阶段采用三种不同的教学方式，即在实验课的启蒙阶段，采用手把手地教，使学生掌握实验的基本方法、基本技能

21、；第二阶段是让学生独立操作；第三阶段是开设设计性实验、专题实验和开展课外科技活动，以培养学生的创新能力。教学手段1、 通过网络实验教学平台，实现了辅助教学网络化 通过自主开发和引进等方式不断丰富网络教学资源，形成了预约指南、教材和教学参考资料、教案和CAI课件、实验教学指导书、实验思考题、实验教学动画、仿真实验、实验视频等众多内容的课程资源，拓宽了教学的时间和空间，提供学生自主学习的平台。自主研发的网上答疑系统，开辟了师生相互交流沟通的渠道，进行网上实验讨论、问题解答、实验报告点评、信息反馈等，实现了物理实验网络辅助教学。2、 开放物理实验，实现教学管理的现代化 大学物理实验课程从2000年开

22、始实施开放式教学，在实验项目、实验时间、实验仪器、实验资料、实验教师、演示实验等方面对学生全面开放，以满足学生个性化教育和全面提高学生科学实验素质的需要。同时充分利用现代化技术手段管理教学，设计开发了大学物理实验预约管理系统及大学物理实验教学管理系统，实验室基本工作信息、实验教学进度表、实验课表、仪器设备及使用说明、学生实验成绩等网上发布，实现了课程管理的智能化、自动化、网络化。3、多媒体技术引入物理实验教学，实现了多媒体教学与传统教学的有机结合 大学物理实验基础理论知识的课堂教学全部制作了电子教案，采用多媒体教学。大部分实验室配备了多媒体教学设备，制作了多媒体课件，教师可以根据教学需要开展多

23、媒体教学，使传统教学与现代教育技术有机的结合。各个实验室还配备了计算机，可以播放多媒体课件和实验视频。4、开发实验数据处理系统，实施实验数据的计算机处理 物理实验数据的处理是物理实验中的一个不可缺少的过程，开发与实验项目相配套的实验数据处理系统不仅可以让学生从复杂的数值计算中解放出来、提高实验教学的效率，还能激发学生的学习兴趣。目前实验室已开发出部分实验的数据处理软件，供学生使用，同时还要求学生用Excel等数据处理软件或高级程序语言，自己进行实验数据的计算机处理，培养学生的计算机应用能力。5、开设物理仿真实验研究，加强实验过程的数字化模拟 利用计算机的图形处理功能，可以模拟许多物理实验的过程

24、，具有时效性好、可见度高，安全可靠等特点，是一种很有前途的、新型的物理实验方式。我们从中国科技大学引进部分物理仿真实验，加强学生对物理实验过程数字化模拟的认识，激发学生运用计算机处理物理问题的兴趣，进一步促进学生的信息素养的提高。一、物理学方法论及其研究内容所谓物理学方法，简单的说就是研究、学习和应用物理的方法。方法是研究问题的一种门路和程序，是方式和办法的综合。物理学方法论是以唯物辩证法为指导，探讨物理科学一般研究方法的理论，它主要探讨用什么方法研究物理现象，怎样描述物理现象，怎样探索并总结物理规律，如何检验物理规律等。（1）探讨物理科学认识的逻辑结构和研究程序，揭示物理科学研究过程的各个阶

25、段和每一环节的作用、特点及其所应遵循的一般原则。（2）总结物理科学研究中常用的一般方法，并将它们分类，揭示各种方法的含义，特点，适用范围，运用的原则和注意事项，以及物理学史上的例证，并尽可能地给出使用模式，以便使用，借鉴与移植。（3）研究物理学史上的重大突破和有代表性的事例，揭示著名物理学家的研究方法。（4）研究新兴科学，新兴技术对物理学研究的重大影响，并探讨其方法论意义。2.现代物理学的研究方法随着工业和生产技术的巨大发展，二十世纪初以来为物理实验提供了电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机等大批大型、精密的实验装置，光谱分析、质谱分析、X射线衍射等分析技术也得到很大的发展，从而使物

26、理学实验在精密、高能、快速和自动化方面达到了新的水平，物理学观测的视野也得到很大的拓展。现代物理学实验除了能够用更有效的手段纯化实验条件和隔离实验因素之外，还发展了有效地施加外部干扰和使研究对象处于极限条件，在对象的激发状态或破坏状态下进行观测的实验方法。这就更加充分地发挥了实验的变革作用和控制作用，以更好地揭露物理现象中各种内在和外在的因素之间的相互联系。另外，现代物理实验由于实验的规模越来越大，它的集体化、社会化的程度也越来越高，许多实验是在较大规模的实验机构中进行的，有些实验需要组织全国甚至国际的力量才能完成。例如，现代高能物理实验，往往要在几千亿电子伏特的能量范围，上百万美元的费用，几

27、十个人在几年的时间内才能完成；为了得到所需要的实验信息，物理学家们必须把大部分精力用于开发仪表和技术，实验的准备工作往往比实验本身困难得多。这样的实验是靠个人的力量所不能完成的。由于现代物理学研究的内容远离实践经验的范围，理论体系高度抽象化和脱离直觉经验的特征无可避免地日益加强，这使通常的思维方式和机械论的观点愈来愈无能为力；创造性思维如抽象思维、科学想象、理想实验、试探猜测和大胆假设以及直觉、灵感等方法在建立新的物理学理论中的作用愈来愈突出了。人们愈来愈认识到，传统的归纳法和演绎法很难使人类思维成为真正创造性的根源。爱因斯坦认为，理论观念的产生固然是建立在经验的基础之上的，但是理论决不可能逻

28、辑地从经验事实中导出，“在建立科学时，我们免不了要自由地创造概念”。他特别指出，物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是单纯地由外在世界所决定的。在近代科学发展的早期，人们曾以为认识可以在毫不改变客体本来面目的情况下实现；即使主体必须在变革客体的过程中认识客体，这种变革所产生的影响也是可以运用逻辑思维抽象掉的。但是到了二十世纪，随着科学实验的发展，特别是在微观物理学的研究领域中，由于微观物体的特殊本性以及观测仪器与被观测系统之间不可避免的干扰的存在，主体在认识过程中的巨大的能动作用已成为现代科学方法的一个基本特点。经典物理学时期，也是科学注重于本体论的探索的时期，人们把“现象规律实体”作为把科

29、学研究向纵深推进的基本线索。这无疑是一种有效的方法，今后也还会继续发挥其认识的作用。不过，在现代物理学的研究中，人们更注重于关系和模型，这是一个能动的认识论的时期。一些学者认为，把西方科学中重视实体，强调经验、分析和定量表述的方法与中国传统哲学中重视关系，强调整体、协调和转化的思想结合起来，将会导致一种更加符合我们时代的科学精神的新的自然观和科学认识方法。从物理学的发展历史来看，随着物理学研究内容的变化，物理学的研究方法也在变化着，不断得到丰富和提高。在古代，人们主要是靠不充分的观察和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。随着近代自然科学的兴起，观察方法就从以自然观察为主发展为以仪器观测为主。科学实验和数学方法相结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快的发展。整理事实材料的需要，也促进了分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展。这一时期科学方法的发展，使物理学作为一门实验科学的特点显著地呈现出来。十八世纪末到十九世纪末，实验方法、数学方法、假说方法和理论概括方法都有了显著的提高和发展，统计方法也被