中學生物理素養的培養
2011-12-31 00:00:00陸衛紅
中學教學參考·理科版 2011年10期
《中國二十一世紀教育發展綱要》明確指出：要全面推出素質教育，培養學生學科整體素養，提高學生綜合素質，使學生有能力應對高速發展的現代社會的挑戰。因此，對物理教學而言，如何培養中學生物理素養是每個物理教師所面臨的挑戰，是由傳統應試教育教學向素質教育教學轉型遇到的問題。為更好地應對上述的問題和挑戰，我進行了大量的研究和探索，現把如何培養中學生物理素養的觀點闡述如下。
一、物理素養的界定和形成
1.物理素養的界定
物理素養是指具有強烈的學科意識、學科理念，即對系統物理概念、定義等基礎知識的掌握程度；具有學科的思維方法和解決問題的方法，即要具備物理問題研究思路和方法的能力、獨立思考物理問題的能力和敏捷反應物理現象的能力；具有通過對物理知識的理解、對物理技能的掌握并付之于實踐時謹慎、務實、耐心、細致、持之以恒、不怕失敗的能力，它是學生在物理學習和實踐活動中所應具備的基本素養。
2.物理素養的形成
中學生物理素養的形成需要學生長期對物理概念、公式、定理、定義、規律有科學的理解和科學的認識，掌握與周圍常見事物相關的科學知識，并能應用于日常生活，逐漸養成科學的行為習慣和生活習慣；了解科學探究的過程和方法，嘗試應用于科學探究活動，逐步學會科學地看問題、想問題，應用知識解決實際問題，并在此基礎上逐漸形成穩定的心理品質。目前對于物理學素養的內涵或基本要素，國內外學者綜合提出“物理學科素養”應該由物理知識、物理科研過程、物理學習價值觀以及對社會作用四大方面構成。目前對于公眾的學科素養的評估，盡管國際上還沒有一個公認的統一標準，但結合我國社會、教育、文化特點，專家認為新世紀中學物理素養應包括：具有專與博相統一的知識結構，掌握現代教育理論和學生身心發展的規律，具有物理學科學習的科學精神（包括質疑、探究、合作、實事求是等精神）、科學態度（包括科學興趣、科學習慣、行為意向）和應用科學思想，有較強的學科科研能力、創新能力、動手實踐能力、綜合使用計算機和國際互聯網研究和交流能力及指導科學學習的能力，具有一定的科學思維方法和科學的價值觀，有終身學習的意識，了解學科技術對社會的影響以及學科技術發展對人類的創新促進作用，從而形成一定層次的科學的物理素養。
二、中學生物理素養的培養策略
1.通過課堂情景、教學讓學生描繪出物理模型、洞悉物理情景、形成物理空間思維來提高物理素養
課堂教學是教與學的核心，因此課堂教學的好壞影響學生學習的主動性和積極性。以學生為主體、生動有趣、豐富多彩的課堂教學使學生對物理感興趣，主動學習、研究物理，使知識從感性認識過渡到理性認識，達到知識的掌握和提高。在學習電學中的“功率”遇到復雜物理問題時，教師在教學中應幫助學生描繪出物理模型、洞悉物理情景，使學生形成物理空間思維，從而提高物理素養。
【例1】如圖1，在廣闊的宇宙空間存在這樣一個遠離其他空間的區域，以MN為界，上部分的勻強磁場的磁感應強度為B1，下部分的勻強磁場的磁感應強度為B2，B1=B0=2B2，方向相同，且磁場區域足夠大。在距離界線為h的P點有一宇航員處于靜止狀態，宇航員以平行于界線的速度拋出一質量為m、帶電量為-q的球，發現球在界線處速度方向與界線成60°角進入下部分磁場，然后當宇航員沿與界線平行的直線勻速到達目標Q點時，剛好又接住球而靜止。求：
（1）小球在兩磁場中運動的軌道半徑大小（僅用h表示）和小球的速度；
（2）宇航員的速度（用已知量表示）。
圖1圖2
對學生來說，很難建立帶電離子在復合場中的物理模型，弄清帶電離子運動的物理情景，很難形成解題思維。教師應引導學生理解“帶電離子在磁場中只受磁場力的情況下做勻速圓周運動，因此在磁場B1中做勻速圓周運動的圓弧軌跡P點的切線的垂線與圓弧軌跡MN邊界交點弧上N點的垂線的交點O1是帶電離子在磁場B1做勻速圓周運動的圓心；在磁場B2做勻速圓周運動的圓弧軌跡與MN邊界交點N點和M點的弧切線方向的垂線交點O2是帶電離子在磁場B2做勻速圓周運動的圓心；經過MN邊界M點后重新進入磁場B1，據對稱從M點到Q點的勻速圓周運動的圓心為O3”等物理情景，從而建立如圖2所示的物理模型。從圖2數學模型引導學生知道∠O1NM=30°，∠PO1N=60°，∠NO2M=120°，根據三角函數關系引導學生推出R1-h=R1cos60°，R1=2h；由qvB=mv2R和B1=2B2推出R2=2R1=4h，由qvB0=mv2R1推出v=2qB0hm。
同理，教師應引導學生根據數學幾何模型的對稱性求解宇航員的速度，首先使學生理解P到Q的距離L=2(R2sin60°-R1sin60°)=23h，粒子由P運動到Q的時間
t=T13+2T23=2πm3qB1+4πm3qB2=10πm3qB0
，從而求出宇航員勻速運動的速度大小：v=Lt=33qB0h5πm
。
通過這樣的課堂教學引導，使學生把課本和課堂知識運用于實踐，提高建立物理情景和物理模型的能力，使學生解決物理問題由難變易，由復雜變簡單，從而形成物理空間思維，提高物理素養。
2.通過對物理實驗、物理現象的綜合分析，讓學生在掌握實驗方法的基礎上總結驗證物理實驗規律，從而形成物理思維，培養綜合物理思維素養
學生頭腦中掌握的物理概念和規律是大腦對物理現象和物理過程進行分析綜合、抽象概括、推理而形成的，物理實驗是理解概念、掌握規律的基礎，也是掌握實驗方法、培養綜合物理思維素養的重要手段。
圖3
【例2】如圖3在動量守恒定律建立過程中做探究實驗時，學生直接觀察到的現象是：小球從拋物線斜面滑下，若沒有B球存在，A球落在P點，有B球存在，A球與B球發生碰撞，A球落在M點，B球落在N點，那么，如何驗證A、B球碰撞前后動量守恒呢？這里要打通學生的思維障礙，就要引導學生描繪理想化的物理圖景，并進行推理，引導學生想象出A球與B球碰撞時間很短，水平方向摩擦力作用忽略不計，碰撞后在空中運動過程中空氣阻力很小而忽略不計，所以物體瞬間碰撞時動量守恒。則有：
mAvA＝mAvA′＋mBvB′(1)
由于斜槽末端水平，AB均做平拋運動，設入射球未與B球碰撞時飛出的水平距離OP為sA，在空中運動時間為t，則vA＝sA／t，A球與B球碰撞后飛出的水平距離OM、O′N分別為sA′和sB則vA′＝sA′／t，vB′＝sB／t。由于做平拋運動的小球落到地面上時，只要下落的高度相同，飛行的時間就相同，于是得出：
mAsA＝mAsA′＋mBsB′（2）
接著引導學生理解若實驗中證得（2）式成立，則（1）式成立，因此動量守恒定律被驗證。通過這樣的學生實驗增強了學生的好奇心和動手能力，也讓學生理解了物理學研究的方法，培養了學生觀察實驗、積極思維、大膽猜測、嚴密推理、歸納總結等物理實驗思維能力，從而提高了學生的物理素養。
3.綜合實踐活動是培養和提高學生物理素養的重要途徑
德國哲學家費希特說過：“所有的理論法則都依賴于實踐法則；如果只有一條實踐法則，那么它們就都依賴這一條實踐法則。”學習的素材來自社會活動，學習的結果服務于社會，這就是學習的目的；學習的主體——學生生活在現實社會環境中，生活于復雜的社會實踐中，學生對社會和自然之間內在聯系的整體認識與體驗程度，親身參與實踐的積極程度，積累實踐技巧和學習經驗的豐富程度，最終影響學生形成對環境的觀察和應對策略、對社會和自我的責任感，形成從自己的周圍生活中主動地發現問題并獨立地解決問題的技巧和能力，形成實踐能力及對知識的綜合運用和創新能力，養成合作、分享、積極進取的素質品質，從而使理論學習和現實社會環境自然進行交互作用、得到持續發展。
在物理教學過程中，教師應盡可能地引導學生進行相關的課外參觀考察活動，引進大量的綜合實踐活動資源；引導學生在課堂上獨立動手實驗，模仿遵循科學研究的一般過程，運用調查、測繪、資料搜集等手段，收集大量的研究資料或事實資料，采用驗證、實證等研究方法，提高物理素養。
4.重視物理大家精神的陶冶，提高物理素養
教師教學的目的不僅僅是單純地傳授知識，還要特別注重引導學生體驗學科真理，繼承學科大家精神；改變長期傳統教學影響學生的創新能力、重視傳統經驗而輕創新性、重教條經驗思維而輕邏輯思維的教育模式；學生學習的目的也不是機械地學習課本知識，簡單模仿教師的學習技能，而是創造性地去學習。為此，在教學中應加強滲透愛迪生的質疑精神、法拉第的執著精神、愛因斯坦的創新精神等物理大家精神的陶冶，讓這些物理大家在學生心中形成偶像，讓物理大家的學習精神、科學研究精神、創新精神、批判精神等影響學生，達到陶冶學生情操的目的，使學生養成不唯書不唯師、不受傳統經驗的左右、把實踐作為檢驗真理的唯一標準的習慣，這是極為重要而基本的物理素養。質疑和獨立思考的素養是學生創新的基本素養，教學中要引導鼓勵學生對“理所當然”的想法、習以為常的現象大膽質疑，揭示矛盾，進而展開課題，探討研究，總結規律，決不能讓學生養成死記硬背、人云亦云的不良習慣；養成懷疑一切、驗證一切，錯誤也是一種經驗的學習素養，從而整體提高學生的物理素養。
總之，中學生的物理素養，不能只靠課堂上教師的灌輸或單純解題應試來培養，而應在實踐活動中，根據中學生的特點讓學生動手、動腦，促使其積極思考，探索問題，培養智力品質和技能品質，形成抽象的綜合思維能力，從而達到物理教學的目的——培養學生的物理素養。
(責任編輯黃春香）
