科学研究方法教育在学科竞赛中的应用
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摘要：物理学是集实验、理论、应用、思想、方法为一体的自然科学，在物理学发展过程中蕴含了大量的科学研究方法，这些方法被人们所继承、发扬，极大地推动了科学的发展和进步。科学研究方法教育往往是我们教学过程中容易忽视的关键环节。文章以大学生物理学术竞赛为例，结合学生参加竞赛经验、论述科学研究方法在大学生学科竞赛中的重要应用，指出寻找和应用科学研究方法对启发大学生智慧和创新具有的重要意义。
关键词：科学研究方法;学科竞赛;教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）51-0050-02
物理学的发展过程伴随着科学研究方法的应用和演化。纵观高中和大学物理课程，每一个定律或定理的发现，无不体现着物理科学家对科学研究方法的成功应用。学生在学习物理知识的同时，更应注重科学研究方法的学习和应用。在学生学习和教师教学过程中，方法论往往是被我们轻视的一步，教学成了实践到认识的简单过程。但是从培养学生创新成才的角度来看，寻求和应用科学研究方法的过程就像福尔摩斯探案一样，往往是引起学生兴趣的部分，对启发大学生智慧和创新具有重要意义。这也是许多大学进行探究性教学改革的重要原因。
科学研究方法的学习，除了课上和做实验时多问几个为什么，最好的途径就是多参加科研实践，如学科竞赛。CUPT是一项以团队对抗为形式的物理竞赛，它以协同创新为根本理念，比赛题目新颖开放，其中有不少问题源自《科学》、《自然》这样的旗舰综合期刊，以及《物理评论快报》这样的物理学顶级杂志。参加过竞赛的学生，可以将研究中遇到的问题，通过物理思想和科学研究方法的合理运用，进行解决和拓展研究，感悟科学研究方法的精妙，培养创新意识，为将来从事科研工作打下坚实的方法基础。
在物理学研究过程中，常用的科学研究方法有：观察法、实验法、数学方法、分析与结合法、理想模型法等。下面我们将结合指导第九届大学生物理学术竞赛的经验，具体论述科学研究方法在物理学科竞赛中的具体应用，探究科学研究方法是怎样帮助我们解决物理难题的。以此为基础进行科学方法教育。
一、控制变量法
在我们课堂学习研究电流与电压、电阻关系时，曾用此方法得到欧姆定律。
在CUPT的题目中，第3、4、7、10题等要求研究相关参数对实验结果的影响，如第4题海伦喷泉研究相关参数是如何影响水柱高度的，这里的相关参数包括高度差、导管的管径、喷嘴口的直径、盛水容器的体积等，对于这样的多变量问题，在研究时则需要应用控制变量法控制其他参数不变，对每一个参数分别进行探究，以实现题目的要求。另外，在进行正式实验之前应进行预实验，排除无关变量，并且确定其他变量的范围，减少实验的工作量，提高实验效率。同时，还要注意同一个实验的组数要尽可能多，这样才可以得出有说服力的结论，能够更好地与理论进行比较，少量的实验（三四组）是不能够支撑结论的。可见，控制变量法在学科竞赛中的应用是很广泛的，是在实验探究中主要采用的方法，我们应该熟练掌握。
二、理想模型法
物理是一门喜欢用模型来阐明复杂现象和本质的学科。理想模型法是深入探索物理规律解决复杂物理机制的一种重要方法。
在大学生物理学术竞赛的题目中，主要有第3、4、5题等采用了理想模型法。在第3题跳舞的硬币中，我们构建了一个热量传递的理想热学模型，忽略了瓶内气体的热对流，将瓶内气体看作是温度均匀的，以及将水膜看作硬币一跳起时即破裂，不去研究水膜破裂这一复杂的问题，忽略水膜破裂时机的不可确定性对本题所描述的物理过程的影响。这样我们就可以对热量传递进行定量计算，得出定量的理论分析，求得硬币跳起的时间间隔，同时，在研究硬币的跳起高度时，硬币跳起后瓶内气体向外溢出形成气流，此时看作理想气体，应用伯努利方程进行分析，运用了理想模型法，则可以定量地求得硬币的跳起高度。这样理论分析后的结论，能够更准确地与实验结果进行比较。同样，在第4题海伦喷泉中，应用伯努利方程进行分析，忽略B、C瓶之间的压强差、动压的影响和水頭损失，能够得出理想的喷泉高度，对后续的实验起到一定的指导作用。
应用理想模型法，要抓住问题中影响的主要因素，需要忽略次要条件，进行近似，但这些近似要有一定的理论基础，不能凭空忽略，并且要与实验结果进行比较，之后需要对理论进行修正，才能得到完整的理论分析。理想模型法在竞赛中是很重要的，构建模型后可以进行定量的理论分析和计算，否则只能定性分析，研究得不深入，如果不构建理想模型，对所有的因素都进行分析，则很难进行下去。理想模型法，其实就是将因素进行主次之分，主要因素构建模型，再根据实验现象对理论进行修正。
三、实验法、假设法、类比法
实验法在学科竞赛的每个题中都有应用，物理问题要从实验出发，最终再回归到实验上，在研究过程中，需要通过一定的手段、方法，不断进行改进和创新，建造出现象稳定明显的装置，一方面是便于观察现象，为理论分析提供思路和多种角度，另一方面通过定量的实验能与理论进行比较，检验理论的正确性。同时与假设法相结合，通过预实验观察到一些现象，需要利用学过的基础知识，进行大胆的猜想，做出推测性的解释，这能够为理论分析提供思路，帮助我们进行更深一步的探究。
在CUPT的第四题中应用了类比法，我们使用了一种简单的喷泉装置进行预实验探究，这种简单的喷泉装置和海伦喷泉都是由于压强差才形成喷泉的，通过预实验得出了可能会影响海伦喷泉高度的影响因素，对实验有指导意义。
以上是我们对参加本次竞赛过程，采用科学研究方法的总结。其实在竞赛每一题的探究过程中，各种科学研究方法并不是孤立存在的，而是处于密切的相互联系中，比如第四题就用到了实验法、控制变量法、理想模型法、类比法，第3题综合运用了理想模型法、控制变量法等，可见，科学研究方法的综合运用在学科竞赛中是十分重要的。
在学科竞赛过程中，我们发现运用物理科学研究方法能够培养学生的科学思维能力和创新能力，使学生真切地体会物理学研究方法的一些具体应用，使学生受到抽象思维、严格的逻辑思维和创造性思维的训练。学生们学会了如何利用课堂上学过的基础理论，运用物理科学研究方法逐步地、由浅入深地进行分析研究，探究物理学术问题，提高了学生的学习、分析和解决问题的能力，为以后从事科研工作打下了良好基础。
通过学生本次竞赛优异成绩的获得，坚定了我们教师在教学或竞赛指导中对学生进行科学研究方法教育的决心，让学生在寻求和应用科学研究方法的过程中，体验探究的乐趣。
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