新課程理念下物理規律教學的設計理念及策略

在國內，對物理規律教學進行研究的學者很多。但是，基于新課程理念下，以具體的某一課題為例，針對課堂教學各環節，從提出物理規律教學的設計理念到教學設計策略，研究的學者很少。物理規律教學同其他課型教學一樣，也應體現新課程教學理念，即在物理規律教學過程中，要充分體現以學生為主體、教師為主導的新課程教學理念，通過創設良好的物理情境，引起學生學習興趣，激發學生求知欲望，調動學生學習的主動性和積極性，以訓練學生思維，開發學生智力，培養學生能力。

一、物理規律及其分類

物理規律是物理基礎知識中最重要的內容，是物理學知識體系的中心。它反映了物理現象和物理過程在一定條件下發生、發展和變化的規律。

在一定意義上說，物理規律揭示了在一定條件下某些物理概念之間內在的、必然的聯系以及相互制約關系。因此，掌握物理規律是物理概念形成基礎上的理性認識過程，它與相關的物理概念一起構成了邏輯上和諧的知識結構體系，即形成物理理論[1]。研究表明：物理規律具有實踐性、聯系性、對應性、局限性和發展性的特點[2]。

物理規律是客觀存在的，它不依人們的主觀意志而轉移，它不能“創造”，也不能無中生有。物理規律的發現方法大致可分為兩類：一類是實驗法，另一類是理論演繹法。二者雖然存在很大差別，但是，一個物理規律的發現都與觀察、實驗、思維、想象和數學推理有著緊密的聯系[3]。

一般情況下，在物理教學過程中，通過對各物理量之間必然聯系的存在性和發展趨勢的揭示，得到定性的物理規律；對各物理量之間必然聯系的相互制約關系的揭示，得到定量的物理規律[4]。事實上，物理學科的建立和發展之所以比其他學科更迅速，是因為我們的前輩們首先找到了科學的研究方法，成功揭示了物理量之間的必然聯系和相互制約關系。

中學物理規律主要包括物理定律、原理、定理、方程和公式以及法則和定則等幾種類型[5]。

物理定律：通常指人們直接從觀察實驗的結果中概括總結出來的物理規律。如牛頓運動定律、歐姆定律和光的反射定律等。

原理：指自然科學中具有普遍意義的物理規律。是在大量觀察和實踐的基礎上，經過歸納和概括等思維方法而得出的結論。它既能指導實踐，而又必須經受實踐的檢驗。如功能原理、阿基米德原理和波的疊加原理等。

定理：一般指從已知的物理規律出發，對某些特定事物或現象進行演繹和推理，從而得出在一定范圍內有關物理量之間的函數關系或新的論斷，并經得起實踐檢驗的物理規律。如動能定理、動量定理和動量守恒定理等。

方程、公式：又叫數學表達式。指利用數學工具來描述物理量之間的關系的物理規律。如振動方程、氣態方程和電阻公式等。

法則、定則：指利用特定方法來表示的物理規律。如矢量合成的平行四邊形法則、右手定則和左手定則等。

其他：如力的平衡條件、串聯電路的分壓規律和平面鏡成像規律等。

二、物理規律教學程序

人類在研究和探索物理規律的過程中逐步形成了物理學研究的基本方法。為了說明物理規律的來龍去脈，交給學生探求物理規律的方法，教師在傳授知識時，一般情況下，不僅要講解前人研究所得出的結論，而且還要講解這些結論是怎樣來的。也就是說，對于物理規律的教學方法，除了教學本身的特點之外，還應把學生認識物理規律的過程視為科學家探索與研究物理規律的過程。

物理規律的教學過程一般包括以下幾個有序步驟。

1.導出物理規律

導出物理規律，就是要運用各種教學手段以引出問題，創設便于發現物理規律的物理環境。

這一教學環節，就是要按照物理規律課的導入方法，以提出問題的形式來導入規律性課題。接著根據“物理規律只能發現，不能創造”的教學特點，教師要有意識地提供一些便于探索物理規律、發現物理規律的物理情境。而創設物理情境常采用實驗法和舉例法等教學方法。

2.探求物理規律

探求物理規律，就是要探索物理事實和物理現象之間的內在聯系，以形成物理規律。

這一教學環節，是基于“導出物理規律環節（導入環節）”基礎上，對一些物理事實和物理現象進行思維加工，探索物理事實和物理現象之間的內在聯系，提供建立物理規律的科學依據。根據不同的物理規律，可以采用以下幾種常用的教學方法。

（1）實例總結法；（2）科學探究法；（3）實驗歸納法；（4）控制變量法；（5）先定性后定量的推演法；（6）理想實驗法；（7）理論分析法；（8）假設探討法。

3.討論物理規律

討論物理規律，就是在得出物理規律之后必須對物理規律進行多維度討論，使學生加深對物理規律的理解。

這一教學環節，是基于“探求物理規律環節”基礎上，將初步形成的物理規律整理成文，用科學而又簡潔的語言文字或數學表達式來表述物理規律，并冠上一個恰當的物理名稱。重要的物理規律還必須從以下四個方面去認真細致地加以討論。

（1）物理規律的意義；（2）物理規律表述中的關鍵詞語和公式中各字母的含義；（3）物理公式中各物理量的單位；（4）物理規律的成立條件和適用范圍。

4.運用物理規律

學以致用，這是物理教學目標之一。運用物理規律，就是要啟發和引導學生善于用物理規律去分析解決物理問題，以鞏固物理規律。

這一教學環節，是基于“討論物理規律環節”基礎上，對物理規律進行多維度討論的前提下，啟發和引導學生運用物理規律去分析解決物理問題，以訓練學生思維，讓學生掌握科學的學習方法，使學生進一步理解物理規律和鞏固物理規律。所以，在講授完物理規律之后，一般還要安排諸如例題講解和課堂練習等教學活動。

應當指出，物理規律也是多種多樣的，有的簡單，有的復雜。對于有的物理規律，由于學生已有一定的感性經驗或基礎知識，容易接受；對于有的物理規律，由于學生感覺到新異生疏，所以難以理解。教師應根據實際情況，采取靈活多變的教學程序和教學方法，以期達到應有的教學目的。

三、物理規律教學的設計理念及策略

這里以“玻意爾定律”一課為例具體談談物理規律教學各環節的教學設計理念及策略。

1.“玻意爾定律”之導出

【教學設計理念】

在“玻意爾定律”的導入教學環節中，可以向學生例舉與教學內容有關的生活實例或展示與教學內容有關的生活圖片或做與教學內容有關的實驗來呈現典型的物理現象，創設良好和諧的物理情境，提出要研究的物理問題，以引起學生的學習興趣，激發學生的求知欲望，調動學生的學習主動性和積極性，引導學生積極生思維，從而導出新課題：“玻意爾定律”。

【教學設計策略】

首先，教師可向學生例舉出與教學內容有關的生活實例。如輪胎充氣太足，被太陽曝曬之后就容易爆胎；點燃熱氣球的燃燒器，能加熱熱氣球內部的空氣，把美麗多姿的熱氣球帶上藍天；笨重的潛水艇能在浩瀚的海洋中自由沉浮。這些生活實例都與氣體的熱現象有關。

其次，教師向學生做如圖1所示的實驗，讓學生認真觀察實驗現象，提問學生看到了什么？（紅色水柱向移動）。容器中空氣的T、V、P三個參量有何變化？（空氣的T、V、P三個參量都發生了不同的變化，即T↑、V↑、P↑）

圖1空氣的熱膨脹

教師提問學生，研究氣體的三個參量之間的內在關系，應采用什么樣的物理研究方法呢？緊接著，教師向學生介紹在物理學中研究多變量之間的關系常采用的一種很重要的方法，即“控制變量法”。該方法的關鍵點：首先在每一次實驗時，都必須合理固定幾個變量而研究其中剩余的兩個變量之間的關系，然后分別加以分析與綜合、抽象與概括，最后歸納總結出一個完整的物理規律。

教師引導學生運用“控制變量法”去進一步探討氣體的三個參量之間的關系，其探討思路為：

T=C→P、V間的關系P=C′→V、T間的關系V=C″→P、T間的關系

今天，首先探討T=C時，P、V間的關系，從而導出課題“玻意爾定律”。

2.“玻意爾定律”之探求

【教學設計理念】

在“玻意爾定律”的講授新課環節中，基于導入環節中導出“玻意爾定律”的基礎上，教師應向學生演示玻意爾實驗，探索氣體在等溫情況下，壓強與體積之間的關系。在教師向學生演示玻意爾實驗的過程中，首先應讓學生清楚實驗目的、明確實驗條件、實驗對象、觀察目標、觀察方法以及實驗步驟等；然后引導學生仔細觀察實驗，記錄實驗現象及收集實驗數據，分析實驗現象并處理實驗數據；最后通過分析與綜合、歸納與概括等思維活動，在此基礎上，初步形成“玻意爾定律”。

教師應向學生指出：無論是運用實驗歸納法還是運用理論分析法去探求物理規律，都能使學生在理解物理規律的同時掌握探求物理規律的科學方法。

【教學設計策略】

（1）教師向學生演示實驗：用注射器封閉一定質量的空氣，如圖2所示。從注射器上的分度線直接讀出空氣體積，再從壓強傳感器上讀出空氣壓強。

圖2氣體被壓縮

教師引導學生思考：在演示該實驗的過程中，改變氣體的體積一定要緩慢進行，為什么要這樣做呢？（其目的是讓注射器內部空氣與外界空氣充分進行熱交換而達到熱平衡，使注射器內部空氣的溫度始終保持不變）。

（2）教師引導學生認真觀察實驗現象并記錄實驗數據，并把所獲取的實驗數據記錄在如下的表格中。

（3）教師引導學生分析實驗數據。首先是定性分析。在教師引導學生觀察了實驗數據之后，問：如果氣體壓強變大，則氣體體積將如何變化？反之，如果氣體壓強變小，則氣體體積又將如何變化？（如果氣體壓強變大，則氣體體積將變小；反之，如果氣體壓強變小，則氣體體積將變大。）

教師引導學生進一步分析實驗數據，不難發現：雖然在壓強和體積這兩個物理量中，一個物理量變大的同時另一個物理量變小，但壓強與體積這兩個物理量的乘積確大致相同。由此引導學生猜想：壓強變化是否與體積變化成反比呢？

其次是定量分析。教師引導學生處理實驗數據：以體積為橫坐標，以壓強為縱坐標，建立直角坐標系，根據實驗數據在直角坐標系中描點連線，得到“玻意爾定律”的？妝-V圖像。通過觀察“玻意爾定律”的？妝-V圖像，不難發現，該？妝-V圖像基本遵循數學上的“反比律”。此時，教師應向學生進一步說明：在物理學史上，大量實驗已證明，在玻意爾實驗過程中，如果不考慮實驗過程中的系統誤差和偶然誤差，“玻意爾定律”的？妝-V圖像就一定遵循數學上的“反比律”。

（4）教師引導學生歸納總結出實驗結論：對于一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比。這個結論叫“玻意爾定律”，這就是玻意爾在1662年對外公布的自己的實驗發現。

3.“玻意爾定律”之討論

【教學設計理念】

在繼續講授新課環節中，基于初步形成“玻意爾定律”的基礎上，教師應引導學生去準確表述“玻意爾定律”并加以討論，使學生進一步理解“玻意爾定律”。

（1）準確表述“玻意爾定律”：①文字表達；②數學表達；③圖像表達。

（2）強調“玻意爾定律”中的關鍵詞、公式中各字母的物理意義及單位。

（3）講明“玻意爾定律”公式中各物理量的單位。

（4）指出“玻意爾定律”的成立條件和適用范圍。

【教學設計策略】

（1）教師應引導學生去準確表述“玻意爾定律”，而準確表述“玻意爾定律”有以下幾種方式。

①“玻意爾定律”的文字表達

對于一定質量的理想氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比。

②“玻意爾定律”的數學表達

如果用？妝1、V1和？妝2、V2分別表示一定質量的理想氣體在等溫過程中任意兩個狀態的壓強和體積，那么“玻意爾定律”就可以用數學表達式（公式）表達為

■=■或？妝1V1=？妝2V2或？妝V=k（常數），條件：T=C（常數）

③“玻意爾定律”的圖像表達，如圖3所示，？妝-V圖像是反比曲線，這一條反比曲線叫等溫線。

圖3 玻意爾定律圖像

（2）教師應向學生強調“玻意爾定律”中的關鍵詞、公式中各字母的意義。

①關鍵詞：“理想氣體”、“等溫”、“反比”。

②公式中各字母的意義：？妝1、V1分別表示理想氣體處于第一個狀態下的壓強和體積；？妝2、V2分別表示理想氣體處于第二個狀態下的壓強和體積。

（3）教師應向學生講明？妝、V兩個物理量的單位。

在用“玻意爾定律”公式進行計算時，？妝、V兩個物理量常采用配套單位。

即，p1→pa，V1→cm3p2→pa，V2→cm3；p1→pa，V1→mLp2→pa，V2→mL；T→k

（4）教師應向學生指出：“玻意爾定律”的成立條件和適用范圍。

①成立條件：一定質量的理想氣體，溫度不變。

②適用范圍：溫度不能過低，壓強不能過大。

4.“玻意爾定律”之運用

【教學設計理念】

在“玻意爾定律”的鞏固應用環節中，基于用多維度去準確表達“玻意爾定律”，弄清“玻意爾定律”的成立條件和適用范圍的基礎上，練習運用“玻意爾定律”去解釋物理現象、推斷物理結果、解決物理問題，訓練學生科學思維，交給學生科學的學習方法，提高學生分析解決物理問題的能力，同時讓學生能進一步理解物理規律和鞏固物理規律。

【教學設計策略】

（1）如圖4所示，請同學們用“玻意爾定律”解釋輸液器的原理。

圖4

教師引導學生解釋：因為隨著藥液流出，瓶中的液柱稍有降低，上方氣體體積稍有變大，壓強稍有減小，使得瓶口處的總壓強稍小于外界大氣壓強，外部大氣壓強就將空氣從進氣管壓入瓶中加以補充，使瓶口處的壓強基本上保持在一個大氣壓，如此等等，使藥液能均勻穩定地滴下，不隨瓶中藥液的逐漸減少而改變。而在開始時，瓶中氣體的壓強大約為一個大氣壓，瓶口處的壓強略大于一個大氣壓，所以在開始的一小段時間內總是滴得很快。

（2）用打氣筒給一自行車內胎打氣。設每按一次打氣筒，可打入壓強為1.0×105pa的空氣125cm3。這個自行車內胎容積為2.0L，假設胎內原來沒有空氣，那么按了20次后，胎內空氣的壓強有多大？設打氣過程中溫度始終不變。

教師引導學生解析一

以每次打入胎內的這部分空氣為研究對象。

初狀態：壓強p1=1.0×105pa，體積V1=125cm3。

末狀態：壓強p2′=？，體積V2=2.0L=2.0×103cm3，體積。

根據玻意爾定律：p1V1=p2′V2，

得：p2′==■p1==■×1.0×105pa=6.25×103pa

打了20次空氣之后，胎內氣體的壓強：p2=np2′=1.25×105pa

教師引導學生解析二

以打入胎內的所有空氣為研究對象。

初狀態：壓強p1=1.0×105pa，體積V1=125×20cm3。

末狀態：壓強p2=？，體積V2=2.0L=2.0×103cm3，

根據玻意爾定律：p1V1=p2V2，，

得：p2=■p1==■×1.0×105pa=1.25×105pa

四、結語

物理規律是中學物理的重要教學內容，我們應該認真去研究物理規律的教學特點，改革課堂教學方法，合理選擇教學手段，嫻熟運用教學技能，優化課堂教學過程，努力完成物理規律的教學任務。

參考文獻

[1] 李新鄉，張軍朋主編.物理教學論.北京：科學出版社，2005.

[2] 馮杰主編.中學物理課程與教學論.北京：北京大學出版社，2010.

[3] 孫枝蓮主編.中學物理教學論.北京：北京師范大學出版社，2010.

[4] 韓景春，鄒萬全主編.物理教學論.香港：銀河出版社，2004.

[5] 劉力編著.新課程理念下的物理教學論.北京：科學出版社，2010.