基于物理思想的中學物理教學探討

林錫波

摘 要：物理思想是物理思維方法的靈魂，為提升學生核心素養，以物理思想為教學起點和學習終點，統領高中物理教學。“螺旋式發展” 教學策略符合學生思維發展的階段性與理解水平的階段性。“從做中學” 動手做重演發生形成和發展過程，讓物理思想在頭腦里產生出來，教師只充當思想形成的“催化劑”，使學習成為學生“亞研究” 、“再創造”的過程。

關鍵詞：物理思想；物理教學；螺旋式發展；從做中學

引言

在高中物理教學中普遍忽視了學科思想的教學，強調知識的教學，卻又使學生的知識學習陷入龐雜、零散而缺乏整合；強調解題技巧的訓練，卻又使學生的技能學習停留于淺表、機械的水平而缺乏創造。如何才能保持對物理的興趣，把學生帶到快樂學習的境界之中，關鍵就是能否在“物理思想”層面上去學物理。

1 對物理思想的認識

1.1 物理思想

物理思想是人們在研究物質性質、相互作用和運動規律的自然科學反映在人的意識中經過思維活動而產生的世界觀，是物理學的基本觀點及處理和解決問題的觀念和邏輯定式以及看待問題的情感、態度，是物理思維方法的靈魂。

物理教學應以物理思想為教學起點和學習終點。學生實現三維目標不是像坐標軸相分離的過程，而更應該是像一個三棱錐塔的三個面一樣，當人們站在塔的不同側面的底部時，他們之間相距很遠，但當他們爬到塔的高處時，他們之間的距離就近多了。以此推理三維目標將隨著高度的不斷上升而不斷接近，并在頂點達成統一的物理思想，進而提升核心素養。

1.2 物理思想的發展及中學幾個重要的物理思想

亞里士多德，以物質運動及其與時間、空間、周圍物體的關系及物質本原為研究對象，重視觀察，強調思維邏輯的作用，首先引用數學方法來考察具體物理定律。伽利略，把科學實驗思想方法首次引入物理學中，開創了以實驗事實為根據具有嚴密邏輯體系的近代科學。牛頓，因果決定論，其核心是力和力所決定的因果性，認為找到了力的規律就是找到了對運動現象的解釋。愛因斯坦，堅信自然界的統一性和合理性，對自然界的統一性、相對性和規律性的理解，是他生活的最高目標。

在高中物理教學中，應該滲透的幾個重要的物理思想。

等效思想。如力的合成與分解、等效電阻、電路、電源等。從歷史故事曹沖稱象引出等效思想，在力的合成實驗原理中體現力的作用效果的等效代替。

模型思想（物理模型、理想模型）。對實際問題簡化為物理原型，再現原型的本質。如，小到質點、點電荷基本物理模型，大到知識體系“地心說”、“日心說”、“宇廟大爆炸”物理建模思想。

數理思想（極限、微元、控制變量思想）。在瞬時速度定義中，應用數學極限思想；在運動規律描述中，結合數學函數原理；在運動合成與分解中，通過引用“劉徽割圓術”事例體會“化曲為直”的思想；由量變到質變的辯證思想，牛頓通過數學計算預見了發射人造衛星的可能性；在探究牛頓第二定律加速度時，滲透控制變量思想。

守恒思想。質量、電量、能量、動量守恒，包含“東西守恒”與“變中不變”，“有得有失”與“心理平衡”的思想。

2 以物理思想統領高中物理教學的思考

2.1 物理思想統領高中物理教學的必要性

愛因斯坦指出：“在建立一個物理學理論時，基本觀念起了最主要的作用。物理書上充滿了復雜的數學公式，但是所有的物理學理論都是起源于思維與觀念，而不是公式。”從物理思想的視角和高度來把握高中物理教學，可獲得“由授人以魚變授人以漁”的教學效果。在教學中，關注物理學家如何提出科學問題，他們在思考和解決物理問題過程中有哪些關鍵環節；關注在物理知識形成過程中，形成了哪些思想方法；關注物理學在研究自然的過程中形成了什么思想，這些思想又是怎樣發展并演化成為今天的物理思想[1 ]。

2.2 以物理思想統領高中物理教學的探究

2.2.1 螺旋式發展教學策略，形成科學的物理思想

布魯納提出“螺旋式教學”，就是采用與學生思維方式相符的教學形式，隨著學生成長，不斷拓廣和加深學科的內容，使之在課程中呈螺旋式上升態勢的教學模式。物理學知識要求學生的物理思想、思維能力必須按螺旋式發展，因此教師在教學過程中應當引導學生對相關知識物理思想進行有效的聯系和對比，需要構建螺旋式上升高中物理教學體系，“螺旋式發展”是學生思維發展的階段性與理解水平的階段性的綜合反應 [2 ]。

前期，初步形成高中物理思想，進入螺旋式上升的初期。這階段目標要求是從初中過渡到高中，設置合適的階梯，讓學生體會初高中物理的異同，逐步形成物理思想雛形。初中以觀察、實驗為基礎，教材內容是簡單的物理現象和結論，對物理概念和規律的定義與解釋簡單粗略，研究問題大多是單一的對象，單一的過程、靜態的簡單問題；高中物理教學則采用觀察實驗、抽象思維和數學方法相結合，對物理現象進行模型抽象和數學化描述，要求通過抽象概括、想象、假說、邏輯推理來揭示物理現象的本質和變化規律，研究解決的往往是涉及對象多個狀態、多個過程、動態的復雜問題。對思維能力要求高，要有全面完善的物理思想的指導。

中期，目標要求學生能適應高中物理的學習環境，從螺旋的上升期過渡到螺旋的平衡發展期，形成比較成熟的物理思想。熟練掌握建立理想物理模型的思維方式，能用控制變量法進行分析，能應用數學知識解決物理問題。充分利用場理論和守恒定律學習，全面發展科學的物理思想。在電磁學中，將學生帶入“場”的想象中，進入微觀世界的思維方式，要注意培養學生的想象能力和應用數學知識解決物理問題的能力（數理思想），提升學生空間思維能力。要特別注重“最近發展區”的理念，從場的對稱性和力的等效思想分析入手，幫助學生逐步掌握場和微觀世界的物理思想，實現物理思想的轉換。通過力的平衡、機械能守恒和能量守恒等內容學習，形成多角度分析問題的意識和能力，形成既考慮部分又考慮整體的物理思想。體會牛頓經典物理簡單、和諧、統一的思想。通過原子物理的學習，活躍學生的思想，初步實現從經典物理思想向量子化思想的轉變，體會愛因斯坦的物理思想。

后期，是完善物理思想的階段，要求學生能站在物理思想的高度看待物理問題形成綜合能力。既能用牛頓的因果決定論的運動規律和天地統一思想來分析解決問題，也能用守恒思想從部分與整體的關系來分析解決問題。既能用理想化模型（模型思想），抓住主要問題來思考問題，又能用控制變量（數理思想）全面思考問題。我們要充分利用和把握物理知識的這種螺旋式結構，并通過探討螺旋式結構與物理教學之間的關系，認清物理學習、思想形成的螺旋式發展的特點，注重知識結構的內在聯系，加強知識的層次性建構，使學生對物理思想的形成，實現“螺旋式發展”的高效性。

2.2.2 從做中學教學策略，形成科學的物理思想

杜威提出了“從做中學”的基本原則，他認為學生應該從自身的活動中進行學習，以使學生的興趣和需要得到滿足。強調在教學過程中，要喚起學生思維，將模糊的、疑難的情況轉變為清晰的、確定的情境，強化體驗以喚醒思維，形成科學思想。動手做重演發生形成和發展過程，讓思想在頭腦里產生出來，教師只充當思想形成的“催化劑”，使學習成為學生“亞研究”、“再創造”的過程。物理思想是一種智慧，表現在經驗和思考的過程，智慧是悟出來的，高中生獲得物理思想的基本方式與目標要求是“感悟”。感悟，來源于親身經歷與感受，讓學生親自操作，認真感悟過程，自主建構物理知識體系。

例如，“物體的運動是否需要力來維持？”這不單是知識性問題，它涉及到人平時生活中的觀念甚至是處事哲學。不懂物理的人，往往被表面現象錯覺所左右，甚至是亞里士多德那樣的偉人都如此。雖然現在的學生，并不受亞里士多德的直接影響，但卻有亞里士多德一樣的自然認識。在教學中應該通過動手做體驗真理，讓小球從同一斜面滾下，在不同的水平接觸面上運動的距離不同；讓不同的小球（鐵球、木球、乒乓球）從同一高度下落，從空氣進入水中，感受運動的不同變化，從而破除“力是維持運動”的觀點；利用小球沖上斜面與豎直向上拋出，觀察剛開始上升階段到下落過程前后不同的變化，破除有“沖力”和“拋力”的錯誤認識。

物理模型來自生活，在研究拋體運動時，各類拋體運動模型建立來自體育運動，通過學生參與乒乓球、排球、籃球、鉛球等各種活動，科學建模，將復雜問題簡單化、形象化、模型化，揭示原型特征和本質，“從做中學”形成模型思想。如（2015年全國I卷第18題）一帶有乒乓球發射機的乒乓球臺如圖1所示。水平臺面的長和寬分別為L1和L2，中間球網高度為h。發射機安裝于臺面左側邊緣的中點，能以不同速率向右側不同方向水平發射球，發射點距臺面高度為3h。不計空氣的作用，重力加速度大小為g。若球的發射速率v在某范圍內，通過選擇合適的方向，就能使球落到球網右側臺面上，則v的最大取值范圍是多少？本題考查平拋運動規律和空間想象力，考查學生的建模能力（模型思想）。又如，排球扣球問題，如圖2所示，排球場總長為18m，設網高為2.5m，假設從對方飛來一球，剛好在3m線正上方被后排強攻擊回。假設排球被擊回的初速度方向是水平的，將排球視為質點，且排球在飛行過程中所受空氣阻力和浮力均不計。（1）若隊員擊球點的高度為2.25m，則球擊回的水平速度應在什么范圍內才能使球既不會觸網也不會出界？（2）若隊員仍從3m線處豎直起跳，起跳高度y滿足什么條件時，會出現無論球的速度多大都是觸網或出界？這樣的問題，既訓練了平拋建模，又能結合數理思想與空間想象能力解決復雜的物理問題。“從做中學”有效提升學生的物理思想和學科素養。

參考文獻：

[1]馮華.以物理觀念統領物理教學[J].中學物理教與學，2014（10）：3.

[2]夏良英.構建螺旋上升式高中物理教學體系的探討[J].物理教師，2014（9）：19.