從物理學特質看高中物理教學任務

段紅民

【摘 要】物理是一門基礎自然科學，有其獨特的學科特質。文章對物理學特質、對比數學中的物理問題與物理教學中的物理問題，在高中物理教學中如何體現這些特質，如何更好地完成物理的教學任務等問題進行探討，并結合高中物理教學實際，列舉了一些具體的教學構想和操作，以期為完善高中物理教學提供有益探索。

【關鍵詞】物理學特質；物理教學任務

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2017）09-0012-04

在高中物理教學中，我們經?？吹竭@樣一種局面——在新課教學中，教師急于結束新課內容，有人提出15分鐘結束新課，剩下的時間就是應用物理概念和規律解題；在習題課中，教師編寫了大量習題，從知識的各個方面訓練學生解題，似乎只有這樣訓練，學生才能應付考試，考取高分。這與“高中物理課程應體現物理學自身及其與文化、經濟和社會互動發展的時代性要求，肩負起提高學生科學素養、促進學生全面發展的重任”的課程標準顯然相悖。題海式教學不是師生需要的真實世界的物理教學，如何依據物理學的特質進行教學設計和實踐，讓學生在物理課堂中，切實體驗物理知識形成的過程，充分感受掌握物理概念和規律的樂趣，形成科學的學習方法和有效解決新問題的技能，全面提高學生的科學素養，才是物理教師的使命。

一、物理學的特質概述

物理學是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科。作為自然科學的帶頭學科，物理學研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，因而它成為其他自然科學學科的研究基礎。它的理論結構充分運用數學作為自己的工作語言，以實驗作為檢驗理論正確性的唯一標準，它是當今最精密的一門自然科學學科。從物理學定義和物理學發展史來看，物理學的特質主要包含以下方面：

特質一：物理學發展中蘊含的思辨、邏輯方法是人類文明發展的重要成果。

觀察、思辨和邏輯推演是物理學發展的基本手段。物理源于觀察，人們觀察和研究各類運動，是為了探究其中蘊藏的規律，再將其運用于生產實踐，以提高人類生產、生活水平，推動社會發展和進步。在物理學發展過程中，每個概念和規律的形成和得出都充滿了思辨和邏輯推演，其中蘊含大量的思辨素材，充滿了想象力和邏輯思維的光輝，為教學提供了豐富的資源。

特質二：實驗是物理學發展的生命線。

物理學是建立在大量實驗事實的基礎上的，物理實驗的特色在于精密而定量的測量，而且在可控制和可重復的條件下進行。只有在取得大量可靠數據并總結出經驗規律之后，才能建立融會貫通的理論體系，而理論一旦建立以后，就要針對特定的問題從理論推導出具體的預言，再通過進一步的實驗來證實或證偽。經過反復印證，物理學的理論才具有較高程度的可信性。而每一個物理學實驗，從設計、論證到具體實踐驗證和探索歷程，無不體現了物理學家的智慧、精巧；無不浸透了他們的心血和汗水，這需要我們大力挖掘和理解，并在教學中體現出物理實驗的育人功能。

特質三：數學是表達物理學的理論結構的語言。

17世紀蘇格蘭數學家納皮爾為簡化運算發明了對數，大大地推動了天文學的發展，以至于伽利略贊嘆道：給我空間、時間和對數，我可以創造一個宇宙！由此可見，數學是物理學的語言和有力工具，概括物理現象、形成物理概念、整理實驗數據、進行邏輯分析、建立物理定律、利用數學圖像展示物理規律等物理學的研究和學習過程都離不開數學。

二、物理問題在高中數學和物理教材中的不同呈現，表明高中物理教學必須凸顯物理學學科特質

物理作為一門基礎自然科學，學習它絕不僅是為了應付高考的要求，其學科特質決定了高中物理課程必須有助于學生學習基本的物理知識與技能；體驗科學探究過程，了解科學研究方法；增強創新意識和實踐能力，發展探索自然、理解自然的興趣與熱情，這是其他學科不可替代的。

翻開人教版《普通高中課程標準實驗教科書數學必修1》，發現例題或練習中所涉及的物理問題或模型就高達10個，題量高達20題，內容涉及運動學、流體力學、聲學、熱學、原子物理等模塊的知識，乍一看，似乎高中物理學習已經沒有必要，實際情況并非如此。那么，數學教材中物理問題的呈現與物理教學中該問題的呈現有何不同，又能給我們哪些啟示？下面以“豎直上拋運動”這一知識點為例來說明：“菊花”煙花是非常壯觀的煙花之一，制造時一般期望在它達到最高點時爆裂。如果煙花距地面的高度hm與時間ts之間的關系為h（t2）=-4.9t2+14.7t2+18，那么煙花沖出后什么時候是爆裂的最佳時刻？這時距地面的高度是多少（精確到1m）？

同一問題在“高中物理必修2”教材中：已知豎直上拋物體的初速度v0，試求：①物體上升最大的高度及上升到最大高度所用的時間；②物體由最高點落回原地時的速度，以及落回原地所用的時間。

通過二者對比可以發現：“數學中的物理問題”雖然展示了需要處理的物理問題的實際情景，但其重點不在于如何構建處理該問題的數學模型“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”，而在于告知該模型后如何運用二次函數的知識求解當自變量t是多少時，函數能取最大值，且最大值是多少，而要做到這一點只要將函數寫成頂點式（用配方法）即可；在“高中物必修2”中所描述的“豎直上拋”問題，卻需要學生根據實際情況， 在“s=v0 t-g t2”“h=”或“t=”等這一系列勻變速直線運動規律公式中自己尋找合適的公式來求解，至于函數中“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”中的-4.9是何含義，怎么得到的？這恰恰是數學教材中所不能解答的，或者說不需要解答的，因為學生還要學習物理課程。應該說，數學教材所編排的這些問題讓學生開闊了視野，充分體現了數學作為基礎工具學科在各領域的強大功能，很好地體現了教改的理念。

所以我們應該思考：是否在很多物理常規教學中忽視或太快結束了物理教學中最具物理特質的部分——物理概念和物理規律的形成過程，對于其形成過程中“觀察——假想——構建（思辨）——驗證（實驗）——應用（適用條件）——拓展（創新）”只強調了其中的“應用”環節，并通過大量練習來提高應試成績，而忽視了最具物理美學的其他環節？利用題海戰術提高物理成績顯然是舍本求末，結果注定是事倍功半。所以，在教學中，精心進行教學設計，讓學生真正地重演物理知識的形成過程，使他們感受物理學家的思辨光輝、體驗實驗成敗的考驗及建立起科學理論的艱辛和喜悅，對于后期運用好這些概念和規律解決新問題有著事半功倍的作用。

進一步分析，我們發現雖然數學教材中設計的物理問題、模型眾多，但它們只是一些按數學知識運用需要的零散知識的集合，彼此之間沒有邏輯關聯，更談不上形成系統和理論，這提醒我們在教學中必須理清高中物理課程中各模塊、各章節、各知識點之間內在的邏輯關聯和認知秩序，并在教學中體現物理學科的這一特點。

三、從物理學特質看高中物理教學任務

1. 教學要體現物理學思辨、邏輯的特質，培養學生的科學學習能力

物理學區別于其他任何一門自然科學的最大特點就是，所有的知識內容都具有很明顯的邏輯發展關系，環環相扣，思維縝密。高中物理教材就充分體現了這一特點，這對于構建充滿邏輯思維的課堂大有幫助。教學中，可以先行對高中物理課程中各模塊、各章節、各知識點之間內在的邏輯關聯和認知秩序構建，引導學生養成科學的學習方法和大局觀，實現知識的意義構建。

例如，“高中物理必修1”（粵教版）物理，各章知識點可以構建以下邏輯關系圖（圖1）：

通過引導，學生可以很快分清模塊一中各知識點的邏輯發展和層次關系，對于牛頓第二定律的核心作用也一目了然。

2. 深入開發實驗教育功能，培養學生處理新問題的能力

教學中，善用教材，突出實驗教學，努力創造能使學生體驗物理知識形成過程的環境和條件，使學生感受其中的艱辛和樂趣，學到科學的思維和處理問題的方法，得到實驗歷練。

例如，在《高中物理選修3-2》（粵教版）“感應電流的方向”教學中，教材提供了如表1實驗探究圖表。（其中，A—F行中各實驗得出量為筆者所填）

如何從數據表格中得出正確的結論？

“感應電流的方向”（楞次定律）的教學內容可以說是高中物理教學中難教、難學的內容之一，因為定律中對于“感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的原磁通量的變化”的描述十分精準，每個字都不可替代，蘊含深意，僅憑教師講解，學生是不能深刻地理解和運用好這一定律的，需要學生體驗其中的物理探究過程。此外，面對繁雜的實驗數據，如何進行科學地處理，也能極大提高學生的思辨能力，練習應對新問題的解決思路和方法，考驗學生的意志品質，所以我們應知難而進。

限于篇幅，筆者只解讀實驗數據的處理過程。

首先，在得到表1中A—F行中各實驗數據后，面對大量數據，我們需要采取“確定自變量和對應改變量之間的邏輯關系，如果自變量相同，而改變量不同則邏輯不相關，只有二者一一對應，才是邏輯相關”的判定原則，尋找邏輯相關量。根據實驗操作，可知A、B中的數據是實驗中的兩組自變量。

第一輪的對比篩查，以A作為自變量開始。

分別用A對比C中數據，當“原磁場磁場方向”都“向下”時，C中的“指針偏轉”出現了“左偏”“右偏”兩個不同的結果，顯然A與C邏輯不相關。如用A對比D中數據，當A中左4格“原磁場磁場方向”都“向下”時，D中的“線圈中感應電流方向（俯視）”出現了“逆時針”“順時針”兩個不同的結果，顯然A與D邏輯不相關。同理，可以發現A與E、F均為邏輯不相關。可以得出結論，從A的變化中不能得出相應變化規律。

第二輪的對比篩查，以B作為自變量開始。

分別用B對比C中數據，當“穿過線圈的磁通量變化”都“增加”時，C中的“指針偏轉”出現了“左偏”“右偏”兩個不同的結果，顯然B與C邏輯不相關。如用B對比D中數據，當B中第1、2、5、6格（從左向右）“穿過線圈的磁通量變化”均為“增加”時，D中的“線圈中感應電流方向（俯視）”對應出現了“逆時針”“順時針”兩組不同的結果，顯然B與D邏輯不相關。

同理，可以發現B與E也為邏輯不相關。對比B、F，我們可以發現，二者存在邏輯關聯，故得出結論：當原磁通量增加時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相反；當原磁通量減小時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相同。進一步整理提煉得到楞次定律：感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的原磁通量的變化。

重視教材，善用教材，理解教材編寫的意圖，其實就是取得完善學生知識結構、啟發學生思維的最佳和最簡的途徑，因為教材本身就蘊含了物理學科的特質，有待教師去理解和開發。

3. 學會構建數學模型來表達物理情境，為學生未來發展奠定基礎

深入挖掘物理史實，注重還原物理概念和物理規律的形成過程，讓學生體會數學對于物理學發展的強大支撐作用，從而更自覺地利用數學工具來解決物理學的新問題。

下面以人們對勻變速直線運動規律的認識過程為例說明：在對勻變速直線運動規律的教學中，不少教師都引用了——伽利略的“羊皮卷”中記錄的關于初速為零的勻變速運動的實驗數據來啟發學生發現位移與運動時間t之間的s∞t2的關系，詳見表2，（其中數據來自原始記錄），的確，如果僅作為探究習題的演練無疑是極好的素材，但事實是怎樣的？伽利略當年為何要做這個實驗，又是怎樣做的？其實驗的最終目的又是如何？自由落體運動規律是如何得到的？

真實的情況是：在公元14世紀30年代，英國牛津大學默頓學院的W.海特斯伯里等數學家已經通過數學推理認識到了“勻變速運動”即為“均勻加速的運動是指在相同的時間內其速度的增量相同”的運動，得到了速度隨時間而變化的函數關系，但沒有具體提出加速度的概念。200多年后，伽利略在此基礎上進一步研究了自由落體運動，從而揭開了勻變速直線運動規律的神秘面紗。伽利略認識到了v-t圖像中速度圖線與時間所包圍的面積即為質點相對應的位移，所以他假設自由落體運動為初速為零的勻加速直線運動，首先依據面積互補理論（圖2中陰影部分面積相等），推斷了從靜止開始做勻加速運動的物體平均速度v=■（如圖2所示），接著又由Vt ∞ t和S=v · t推導了自由落體運動位移與時間的關系為s ∞ t2，但是由于自由落體運動下落時間太短，依據當時的條件根本無法測量時間，于是巧妙設計了鐵球從斜面上勻加速滾下（如圖3所示）的裝置來進行驗證，他利用同一開關控制鐵球滾動和水的下流，經過上百次的實驗，終于得到了“羊皮卷”中的數據，從而“驗證”了前面的s ∞ t2推斷。當他不斷抬高斜面的傾角時，發現s ∞ t2關系依然成立，只不過時間更短了，于是他做出了自由落體運動就是一種初速度為零的勻加速直線運動的判斷，而且得到了下落與鐵球本身的重力大小無關的重要結論。

通過上述學習，學生不光可以理解和掌握物理學規律，還能充分感受到數學作為工具學科對物理學的強大支持作用，更能學會構建數學模型來處理物理實際問題，學會用精準的數學語言來表達物理問題，這對于學生科學素養的提升非常重要。

四、教學中的幾個認識誤區

不少教師認為，在教學中花時間到體驗物理學概念、規律的形成過程的學習還不如直接學習，加強練習來得更有效，其實這和“磨刀不誤砍柴工”的道理一樣，如果學生能知其然，還能知其所以然，就能學到物理學的精髓。

鼓勵教師在實際教學中為學生創造物理知識的形成過程的體驗或學習，并不是僅讓他們了解或學會在當時條件下如何研究、實驗，而是學習物理學家的思辨方法和科學精神，感受物理學家研究思想的發展歷程，以便學生形成感悟后遷移到現代社會中去解決新問題。

不是所有的學生都能成為物理學家或從事物理學方面的工作，物理教學的追求應是讓孩子們感受物理學的實驗美、思辨美、實用美，體驗學習物理的樂趣，養成科學的學習思維和習慣，成為具有較高科學素養的公民。

參考文獻：

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（編輯：易繼斌）