例談物理教學的科學性問題

陳衛春

(江蘇鳳凰科學技術出版社，江蘇　南京　210009)

例談物理教學的科學性問題

陳衛春

(江蘇鳳凰科學技術出版社，江蘇南京210009)

摘要：科學性是物理教學的基本要求．如果教師對知識的理解不夠準確或深入，教學中就容易出現科學性錯誤．本文結合一些案例進行探討，期待能引起廣大老師對科學性問題的關注．

關鍵詞：物理教學；科學性；響度；壓強；力的作用效果；電能表電流參數

在新知識的學習時，學生往往會受到已有知識、經驗的影響．換句話說，正確的知識、經驗會促進新知識的學習，而錯誤的知識、經驗則會干擾甚至阻礙新知識的學習．并且錯誤概念一旦形成，往往很難糾正．

教學中出現科學性錯誤的原因很多．有教師學科知識不足的原因，也有教材表述不夠嚴謹的原因．教材的價值和功能決定了它必須符合學生的認知特點，能引導學生從“現象到本質、從特殊到一般”地學習物理知識，需做到語言簡潔、精煉，結構清晰、重點突出，不可能面面俱到地把教師在課堂上講授的內容都呈現出來．因此，需要教師結合自己的認知，對教材的內容進行再加工，乃至“重構”．在此過程中，如果僅僅從字面上去理解教材，就很容易出現科學性錯誤．

1關于響度的單位

蘇科版初中物理教材在“生活·物理·社會”中介紹了聲強級與人的聽覺．為適合初中學生學習，避免過于專業化，2007年版的教材采用“聲音的級別和人的感覺”作為標題，指出：“人們用分貝(decibel,符號：dB)為單位來表示聲音的強弱”．調查發現，許多教師根據這一表述進行了“再加工”：聲音的強弱叫作響度，而聲音強弱的單位是分貝，所以響度的單位就是分貝．

這種理解是錯誤的．響度是一個主觀物理量，是依靠人的主觀感覺判斷得出的聲音的相對強弱．根據它可以把聲音排成由弱到強的序列．那么客觀反映聲音強弱的物理量及其單位究竟是什么呢？響度與這個物理量之間存在怎樣的關系？

從上面的公式可以看出，振幅越大、圓頻率越高，聲強越大．但是，從實驗得知，人耳對聲音強弱的主觀感覺并不是與聲強成正比，而是近似與聲強的對數成正比．為了計量和表達方便，人們引入“聲強級”來量度聲音的客觀強弱．聲強I與標準聲強I0之比的對數叫作聲強I的聲強級，其單位是貝爾(B)．這個單位較大，所以實際中常采用貝爾的十分之一作為單位，叫作分貝(dB)．標準聲強I0是指對于頻率為1000Hz的聲波，人耳能聽到的最低聲強(大小為1×10-12W/m2)，與之對應的聲強級是0dB．一般人正常交談時的聲強約為1×10-6W/m2，對應的聲強級為60dB．

那么，教材中介紹的響度與聲強級之間有什么關系？人們規定，頻率為1000Hz、聲強級為40dB的聲音，其響度為1宋，相當于人耳語時的聲音強弱．兩個以上非相干聲音疊加的響度等于各個聲音的響度之和．聲音的響度如果判斷為1宋的n倍，那么這個聲音就為n宋．在經過慎重考慮后，2011年版的蘇科版物理教材將該處“生活·物理·社會”的標題改成“不同聲強級的聲音對人的影響”，不再采用以前模糊的說法．

2壓強的物理意義

每一個物理概念，必定有其特定的物理意義．那么，壓強的物理意義是什么？聽到這個問題時，許多教師會脫口而出：“描述壓力的作用效果”；還有的教師指出“它是關于形變的物理量”．真是這樣嗎？

由此可見，垂直作用在直桿頂端的壓力的作用效果(即應變)與正壓力F成正比，與受力面積S、直桿材料的楊氏模量E成反比．

由此可見，壓力的作用效果與壓強不能混為一談．壓強并不是描述壓力作用效果的物理量，但是，對于同一種材料來說，即楊氏模量一定的條件下，壓力的作用效果與壓強成正比，因此壓力的作用效果反映了物體所受壓強的大小．

那么壓強到底是描述什么的物理量？讓我們通過類比的方法來幫助理解，如下表所示：

物理量定義方法實質意義聲強 單位時間內通過與聲波傳播方向垂直的面的聲能量與面積之比 是指單位時間內、單位面積上所接收的可聽聲的能量 描述接收處聲音的強弱照度(光照強度) 物體表面所得到的光通量與被照面積之比 是指單位時間內、單位面積上所接收的可見光的能量 描述物體被照明的程度壓強 物理所受的壓力與受力面積之比 單位面積上承受的壓力 描述壓力作用的強度

由上表可見，壓強描述的是作用于受壓物體的壓力強度，它是施力物體提供的.而壓力的作用效果，則是受壓物體在壓強的作用下被動反映出來的.

有人不禁要問，這么淺顯的問題，擁有“一桶水”的教師怎么都沒有“悟”出來呢？

筆者從教材上找到了答案．蘇科版初中物理教材“活動10.2探究壓力作用的效果”中，通過站在沼澤地中的兩個小孩(一個站在木板上，一個直接站在沼澤地)陷入沼澤地的程度不同創設情境，提出問題：“壓力的作用效果可能與哪些因素有關？”然后，引導學生“體驗與猜想”“實驗驗證”，最后得出實驗結論：當受力面積相同時，壓力越大，壓力的作用效果越明顯；當壓力相同時，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯．在上述活動的基礎上，教材在正文中直接給出了壓強的定義，如圖1所示．

教材希望通過“活動10.2探究壓力的作用效果”來引入壓強的概念，并幫助學生理解影響壓強大小的因素．但是，很多教師不了解壓力的作用效果與壓強兩者之間的區別和聯系，順著教材字面的含義，將“壓強”和“壓力的作用效果”之間畫上了等號，這是不正確的．

3關于電能表電流參數的解釋

過去許多教材將電能表的電流參數解釋為：“括號外面的數值表示電能表持續工作時的最大電流，括號里的數值表示在短時間內允許通過電能表的最大電流”．這一說法是錯誤的．如圖2所示是南京市某房屋《住宅使用說明書》中的部分內容．從圖中可以看出，該房屋戶額定總容量為4kW．供電公司給該房屋安裝的電能表電流參數為“10(40)A”．已知家庭電路的電壓為220V，按照過去教材的說法，戶額定總容量W=UI=220V×10A=2200W<4kW．即電能表所能接入的最大負載功率小于《住宅使用說明書》所標稱的戶額定總功率，這與實際用電的總功率不相符．修訂后的蘇科版教材表述為：“括號內的數字為能使電能表長期正常工作，且誤差與溫升完全滿足規定要求的最大電流值．”據此計算戶額定總容量W=UI=220V×40A=8800W，這與實際用電的情況相符．由此亦可說明，《住宅使用說明書》中標稱的“戶額定總容量”是指家庭電路干路能承受的最大功率，當家庭用電總功率超過標稱功率時，需要到供電部門申請“擴容”．

電流參數括號外的數字，即“基本電流”表示什么呢？它是用來計算負載基數的．按照國家標準，要使電能表正常啟動，啟動電流不得小于基本電流的5%．例如，對于基本電流為10A的電能表，最小負載電流應超過10A×5%=0.5A，否則電能表計量就不準確．為提高低負荷計量的準確性，就要選擇基本電流較小的電能表．以供電公司所配的家用電能表為例，由于LED燈等小功率電器的廣泛使用，原先電流參數為“10(40)A”的電能表已經無法滿足測量精度要求，所以供電公司于2015年3月，將電能表換成了如圖3所示的電流參數為“5(60)A”的電能表．

無論是教材編寫，還是日常教學，關注科學性都是一個永恒的話題．教學領域的“科學性”具有“學科科學性”和“教學科學性”雙重意蘊．學科科學性是指教學內容不能出現科學性錯誤；而教學科學性則是指知識內容的呈現方式應當符合學生的認知特點，適合學生學習．這兩者之間既相互聯系，又相互對立．如果過于強調學科的科學性，就會導致教學科學性降低，學生不愛學；如果過多關注學生的認知特點和生活經驗，又會導致學科科學性降低．如何恰當處理這對矛盾，這對于教材編寫者和教師都是智慧的考驗，需要在實踐中不斷積累和不斷優化．

參考文獻：

[1]人民教育教育出版社物理室．中等學校適用物理教師手冊[M]．北京：人民教育出版社，1998：106-110．

[2]劉炳昇，李容．義務教育教科書物理[M]．南京：江蘇科學技術出版社，2013．

[3]劉炳昇，李容．物理教師教學用書九年級下冊[M]．南京：江蘇科學技術出版社，2013：6．