核心素養(yǎng)培養(yǎng)體系下如何理解物理觀念

張先煒??

摘要：基于物理核心素養(yǎng)的構(gòu)成與內(nèi)涵，從物理學(xué)視角形成相關(guān)的基本認(rèn)識，形成基本的物理觀念。在高中物理教學(xué)中滲透物理觀念可以加深學(xué)生對物理概念、規(guī)律的理解。結(jié)合人教版高中物理教材，本文分別對物質(zhì)屬性、運動、能量等物理觀念的分析，從而更好地理解它們。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；物質(zhì)觀念；運動觀念；能量觀念

新課標(biāo)中明確提出：高中物理課程旨在進一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三個方面培養(yǎng)學(xué)生，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。如何提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，我們可以從物理觀念的角度重新審視物理教學(xué)及物理課程的價值。

一、 物理觀念的含義

觀念是客觀現(xiàn)實在人們意識上的反映，物理觀念是物理學(xué)家經(jīng)歷長期的實踐和理論研究概括出對物理世界的根本認(rèn)識。

愛因斯坦曾說過：“在建立一個物理學(xué)理論時，基本觀念起了最主要的作用。物理書上充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，但是所有的物理學(xué)理論都是起源于思維與觀念，而不是公式。”從中可見物理觀念的重要性。

然而在物理教學(xué)中滲透物理觀念卻是很少，導(dǎo)致學(xué)生在解決物理問題時，很容易忽略問題的物理屬性，常被公式、計算左右，出現(xiàn)了一聽就懂，一做就不會的局面，因此物理教學(xué)中滲透物理觀念是非常迫切的。

二、 物理觀念的分類

（一） 物質(zhì)屬性的觀念

1. 物質(zhì)觀念。物質(zhì)由大量的分子、原子或離子組成，這些粒子又由更小的粒子組成，比如物質(zhì)內(nèi)部的原子由原子核和核外電子組成，原子核中又有質(zhì)子和中子，在核子中還有更小的微粒，比如夸克等。

2. 物質(zhì)無限可分觀念。在古代，就已經(jīng)產(chǎn)生了物質(zhì)無限可分的觀念：“一尺之錘，日取其半，萬世不竭”，但這只是一種抽象的觀念，缺乏科學(xué)依據(jù)，近代的物理學(xué)證明了這種假說的可靠性，如原子可分為原子核和電子，而原子核又可分為質(zhì)子和中子，質(zhì)子內(nèi)部又有夸克組成，然而又遇到夸克幽禁的困難，所以這種無限可分的觀念是有條件的。對應(yīng)地，又提出另外的一種假說，即物質(zhì)是有限可分的，因此在現(xiàn)代物理學(xué)面前，這種假說又似乎站得住腳，所以只有將兩種假說結(jié)合在一起才能真正地接近物理學(xué)真理。

3. 宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)的觀念。宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)在物理中遵循不同的運動規(guī)律及形式。例如，牛頓力學(xué)適用于宏觀物質(zhì)，而不適于微觀物質(zhì)，對于微觀物質(zhì)所處的世界中，某些物理量不是連續(xù)分布而是量子化的，可用量子力學(xué)處理。在宏觀物質(zhì)的世界中，位置和動量是確定的，而微觀中，它們是不確定的，所以在研究微觀物質(zhì)時，需采用統(tǒng)計物理學(xué)的方法進行。

4. 場的觀念。19世紀(jì)30年代，法拉第提出一種觀點，認(rèn)為在電荷的周圍存在著由它產(chǎn)生的電場，而且近代物理學(xué)的理論和實驗驗證并且發(fā)展了法拉第的觀點，電場以及磁場已被證明是現(xiàn)實存在，并且是互相聯(lián)系的，統(tǒng)稱為電磁場。場和分子、原子組成的實物一樣具有能量和動量，場與實物是物質(zhì)存在的兩種不同形式，場充滿整個宇宙，是一種客觀物質(zhì)。

（二） 運動的觀念

在遠到宇宙深處，近至咫尺之間，大到廣袤蒼穹，小到微觀粒子都在永不停息地運動，絕對靜止的物體是不存在的，物理學(xué)研究物質(zhì)存在的基本形式，以及它們的性質(zhì)和運動規(guī)律。物理中的運動主要有宏觀物體的機械運動，比如直線運動，曲線運動，平拋運動，圓周運動，導(dǎo)體棒在磁場中的運動，帶電粒子在電磁場中的運動等，另外還有微觀粒子的運動，主要是分子無規(guī)則的熱運動。

（三） 相互作用觀念

1. 牛頓力學(xué)中力不是維持物體運動狀態(tài)的原因，而是改變物體運動狀態(tài)的原因。牛頓的三個定律奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，第一定律：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。第二定律給出了力與質(zhì)量、加速度之間的關(guān)系；第三定律表明兩個物體之間的作用力和反作用力總是等大反向，作用在同一條直線上。牛頓三定律解釋了作用力的性質(zhì)與本質(zhì)，揭示了力與運動之間的關(guān)系。

2. 對稱性思考，兩個相互作用的物體之間，有作用力必然有反作用力，引發(fā)出了一種對稱性思考，這種思考對于物理學(xué)發(fā)展起著重要的作用，比如奧斯特發(fā)現(xiàn)電生磁現(xiàn)象，引發(fā)了法拉第思考磁生電現(xiàn)象。在負(fù)電子發(fā)現(xiàn)幾十年后狄拉克預(yù)言了正電子的存在，并被其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。正電子的發(fā)現(xiàn)開辟了反物質(zhì)領(lǐng)域的研究。

3. 四種相互作用力，它們是萬有引力、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。引力是自然界的一種基本相互作用，它存在于一切物體之間。電磁相互作用即電荷間的相互作用、磁體間的相互作用。強相互作用，在原子的內(nèi)部有一種未知的強大的相互作用使得原子核緊密地保持在一起，屬于短程力，作用范圍只有約10-15m，即原子核的大小。弱相互作用，是在放射中起作用的一種基本相互作用。

（四） 對稱守恒的觀念

科學(xué)總追求規(guī)律為目標(biāo)，然而什么是物理規(guī)律呢？對于每一個科學(xué)工作者來說，這是力圖回答的問題，科學(xué)家們總是會在變化著的世界中尋找出不變的天地，能量守恒定律就是對這種不變性的陳述。

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立，將自然界中各種運動形式相互聯(lián)系起來，是由卡諾、邁爾、亥姆霍茲、焦耳等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，具體表現(xiàn)為以下幾點：

1. 機械能守恒定律。主要研究動能與重力勢能及彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化中存在的定量的關(guān)系，其內(nèi)容是：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變。注意動能、勢能在所研究過程初末狀態(tài)統(tǒng)—性。

2. 熱力學(xué)第一定律。焦耳實驗表明以不同的方式對系統(tǒng)做功時，只要始末兩個狀態(tài)是確定的，做功的數(shù)量就是確定的。也就是說，改變系統(tǒng)的內(nèi)能，做功和熱傳遞是等價的，內(nèi)能的增量與功、熱量之間的關(guān)系是ΔU=Q+W，式中W是外界對系統(tǒng)所做的功，Q是外界傳遞給系統(tǒng)的熱量，它們都是過程量，而內(nèi)能U是狀態(tài)量，因此ΔU表示變化過程初、末狀態(tài)的內(nèi)能變化量，與過程無關(guān)。

3. 焦耳定律。通有恒定電流的電路是一個能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，但各種形式的能量之間如何轉(zhuǎn)化是有條件的，在電路中，只要有電流通過電阻，必然會有電能轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能的大小就由焦耳定律來決定，對于純電阻元件，電流做的功全部轉(zhuǎn)化為熱能。

4. 楞次定律。其內(nèi)容是感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。楞次定律體現(xiàn)了在電磁運動中的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，由于外加作用力使得原磁場磁通量發(fā)生持續(xù)變化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電流，且克服周圍的磁場阻礙原磁場的磁通量的變化而做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的電能，就是能量轉(zhuǎn)化的過程。

5. 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。可以表述為：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。該定律告訴我們，各種形式的能可以互相轉(zhuǎn)化。該定律把原來人們認(rèn)為的互不相關(guān)的各種現(xiàn)象——力、熱、聲、光、電、磁、化學(xué)、生物等聯(lián)系在一起，把不同的各類運動統(tǒng)一在一個自然規(guī)律中。

三、 物理觀念下的教師和學(xué)生

在教師方面，在教學(xué)中滲透物理觀念，可以使學(xué)生受到科學(xué)方法、思維和唯物主義世界觀的教育，較大程度地發(fā)揮了物理課程的價值。不僅如此，教師有了較為具體的物理觀念，可以改進教育教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)的效率。

在學(xué)生方面，一個物理觀念的形成，是學(xué)生理解物理概念、規(guī)律的過程中，教師逐漸地滲透中形成的，因此在進行教學(xué)設(shè)計時，需要考慮如何滲透物理觀念。一旦學(xué)生在學(xué)習(xí)完物理課時，掌握了有關(guān)的物理觀念，就對學(xué)生的物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)在學(xué)生遇到問題時，總是按照頭腦中所固有的觀念去解決。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]愛因斯坦，英菲爾德.物理學(xué)的進化[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1963：201.

[3]徐高本.能的轉(zhuǎn)化與守恒定律在電磁感應(yīng)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2006年（08）.

作者簡介：

張先煒，貴州省貴陽市，貴陽市清華中學(xué)。endprint