高中物理知識結構的構建

麥結華

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）27-0185-02

2017年新考綱有所變化，對物理的整體框架和考點內容、能力要求、題型示例作出了一些調整，仍以力學和電學部分作為主干知識，如牛頓運動定律、萬有引力定律、動能定理、機械能守恒定律、電場與磁場、電路、電磁感應、帶電粒子在復合場中的運動等，將選修3-5的內容改為必考，從3-3、3-4中任選1個模塊選修。動量考點納入必考，完善了學生的知識架構，也使高中物理知識體系更加完整，使學生獲得更好的解題思維，有利于提高學生分析、解決物理問題的能力。原子物理學有利于學生系統性學習近代物理的發展歷程，提高科學思維、了解科學發現和物理實驗是促進近代物理學發展和技術進步的重要手段。

《2017年普通高中物理課程標準》中進一步明確提出在日常教學中培養學生的四種核心素養能力，分別是：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。根據課程標準提出的這些素養的形成要求，教師在日常教學中應打好學生基礎，幫助學生構建完整的高中物理知識網絡，把握各部分之間的重難點、指導學生梳理知識，形成結構總結規律，弄清局部、整體之間的關系，教材前后章節的邏輯關系，知識點之間、知識塊之間的內部聯系，幫助學生構建一個知識結構體系體系。本人認為可以從以下方面來培養學生知識結構的構建。

一、教師在這個過程需要起到一個重要的推進、策劃作用

現在很多學生都不閱讀教材，直接拿著一些教輔資料預習后聽課，這樣其實是割裂了知識模塊之間的聯系，對教材里面的實驗引入、科學探究部分沒有有效利用，也沒有學到物理的人文思想、科學精神。最好讓學生先研究教材的目錄，全面了解各章前后關系，知道要掌握的大致內容和彼此之間的邏輯關系，讓學生在腦海中初步形成一個粗略的框架，再研究同一章前后內容之間的內在聯系，這個過程就是培養學生構建課程知識框架能力的過程，培養學生自主學習和自我探究能力的過程，這樣學生學起來就會有一定的因果邏輯性。最近給高一學生上萬有引力的時候，原定計劃想把第一節行星的運動、第二節太陽與行星間的引力、第三節萬有引力兩節課講完，帶出萬有引力的公式和概念，但是實際上還是上了三節課。這三節書體現了太多文化內涵、物理內涵的豐富性，思想探索過程的艱辛性、牛頓邏輯思維的驚嘆性，每一步的推進都有石破天驚之感，細細講來真的回味無窮。我大致按照以下思路處理：

1.首先回顧歷史，哪些科學家們對天體運動作出過研究：伽利略、開普勒、笛卡爾、胡克、哈雷.......他們所持有的觀點，思想的起源，從第谷到開普勒，為什么開普勒能夠發現三大定律，而研究了二十多年的第谷卻只能留下數據。并且對學生明確當時的開普勒三大定律是開普勒研究太陽系得到的描述性結論。這個內容使學生們看到科學家們猜想的多樣性，及一步步得到結論的艱辛性。讓學生們對天體運動的研究作出貢獻的科學家們心生敬仰。這其實是一個很好的科學態度與責任的素養培養過程。

2.如何引入第二節太陽與行星間的引力呢？年輕時我稍微帶過就進入第三節。但現在我發現第二節在整個萬有引力發現過程中是很重要的一個環節，特別是對這個引力一無所知的情況下，通過行星的向心力需要的條件和特征來推敲這個引力必須具有的條件，這個轉換思維實在太驚喜了。第一節得到行星繞太陽運動的表象特點，第二節是探究行星繞太陽運動的內在原因，是第一節的思想內涵。在推導行星繞太陽運動的力的性質的時候，我和學生一起站在一個空白的角度，從當年牛頓的角度力圖從行星的向心力公式間接挖出這引力隱藏的特點，通過向心力公式不斷把個性部分變成共性部分，逼近問題的核心，最后獲得這個引力應該與各自質量有關，與各自距離的平方有關，最后得出F=KMm/r2。

3.進入到第三節，如何由第二節天體之間的引力跨越到萬有引力的概念呢？順著牛頓的思路，把天上的力和地上的力聯系起來，這個聯系過程課本講得比較抽象，教師授課過程必須跟學生講明白，讓學生真的覺得牛頓把這兩種力聯系起來是有道理的，最神奇的是借助地-月檢測的思想驗證了力的性質的一致性的過程，體現了牛頓思想的偉大，也得出萬有引力定律F=GMm/r2（law of universal gravitation），月-地檢測這一步的驗證更是被我在課堂上高度評價。三節課下來整個知識結構非常流暢，每一步的推進都前后相扣，包含了很多科學探究環節和方法，從簡單到深入，從表面到本質，從感性到理性，充分體現了物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任這四大核心素養。

月——地檢測的具體過程如下：

若天上行星受到的力和地上蘋果受到的力是同一種力，那么蘋果就應該遵循和行星一樣的力的規律F=KMm/r2

只要把蘋果和月球的加速度代入，比例接近3600，就可以證明地上的力和天上的力是同一種力！

當時已經知道重力加速度g=9.8m/s2，而當時知道月球公轉周期約為27天，公轉軌道約為地球半徑的60倍，則：

真是一個讓人驚嘆的結果！從而正式把天上的力和人間的力統一起來，物體之間的吸引力是宇宙萬物有質量之間的普遍存在的力，進而正式提出萬有引力定律（law of universal gravitation）

并正式把引力公式定為整個萬有引力定律的建構過程體現了思想發展性性、數學邏輯性、科學辯證性，體現了偉大的思想之美，整個概念的建立體現了知識結構的層次性、整體性。

二、構建有效的知識結構圖圖

構建結構圖是構建學習框架的有效手段之一，通過將基本概念總結，方塊代表概念、鏈代表關系，從而構建完整的結構框架。這種方法直觀、整體、高效。列出的結構圖應該體現一定的系統性和邏輯性。

下面列舉一個體現了曲線運動知識點的整體性和層次性的一個知識結構圖：

結構圖的使用可以使學生快速掌握知識模塊之間的關系，每一模塊內部需要掌握的知識點和方式方法，體現了一定的結構感和整體性、層次性。結構圖可以在教師的指導下讓學生獨立或以小組合作的方式完成，在通過課堂討論來進行結構完善。除了對高一、高二做章節的結構圖，還可以鼓勵學生在高三做專題性的結構圖。例如對復合場中的重力場、電場、磁場的性質、受力特點、做功特點做一個結構圖，對重力場、復合場、等效場中的圓周運動做結構圖。

三、提升知識結構的綜合性

這種方式一般用于期末總復習或者高三復習階段，這種方法可以從整體上把握物理知識內在聯系和規律，深化對知識的理解和認識；通過對知識的綜合應用，提高分析問題和解決問題的能力。具體體現在以下幾個方面：①深化對知識內在聯系的認識，提高整體把握物理知識結構的能力，掌握以知識的主體、主線建立知識網絡的思維方法；②深化基本概念的理解，基本公式、定理、法則的掌握及提高知識的綜合應用能力；③深化對物理思維規律的認識，提高學生的探究創新能力、歸納總結解題規律和方法的能力，培養學生良好的思維品質。

例如：摩擦力一直是高中物理的一個難點，很多學生對滑動摩擦力的方向、大小、性質、做功掌握得很不好。復習摩擦力的可以從這些方面由淺入深去進行研究：1摩擦力產生條件、方向判斷2從動力學的角度研究動摩擦力和靜摩擦力，特別是各種板塊模型、傳送帶模型。3研究一對滑動摩擦力、一對靜摩擦力做功的特點。4在傳送帶模型中往往需要透徹分析問題：運動過程是否變換過摩擦力的類別、方向、大小，摩擦力在各段做功情況、摩擦力做功涉及到的能量轉化、生成的內能和摩擦力做功的關系，發生相對運動的幾種情況分析、方法，利用V-t圖像巧妙解題的方法，電動機消耗的能量和電功率的計算，最好通過一道大題把這些問題揉合到一塊，并嘗試一問多解。例如在求內能的時候，可以分別算出一對滑動摩擦力做功的大小來求，也可以通過相對位移來求解。計算消耗的電能時，可以利用電功率與時間的乘積來求，也可以利用能量守恒，通過各種能量的改變量來求。

例如：如圖水平方向的傳送帶以2m/s的速度勻速運動，把一質量為2kg的小物體輕輕放在傳送帶的左端，經過4s物體到達傳送帶的右端。已知物體與傳送帶間的動摩擦因數為0.2，求：

（1）傳送帶的長度。

（2）這一過程中摩擦力對物體所做的功。

（3）這一過程物體對傳送帶所做的功

（4）這個過程物體和傳送帶的相對位移

（5）利用（2）（3）計算這個過程物體與傳送帶由于摩擦而轉化為內能的數值

（6）利用（4）計算這個過程物體與傳送帶由于摩擦而轉化為內能的數值

（7）求物體傳送過程電動機消耗的電功率

（8）利用（7）計算物體傳送過程消耗的電能

（9）計算物體在傳送帶運動過程所有能量的改變量，并與（8）比對

高二復習電磁感應的的切割專題，把單桿切割、雙桿切割、平動切割、轉動切割的幾種情況分析清楚，讓學生明確單桿切割中要注意等效切割速度，雙桿切割中注意兩根桿形成的等效電源是同向還是反向問題，結合恒定電路知識有效轉化為等效內電路、外電路部分，與恒定電路中的知識進行有效轉化和知識的遷徙，進行電流強度、電壓、電勢高低、力、電功率等的相關計算。

四、利用網絡資源對學生知識結構進行有力地補充

在這個信息化時代，知識更新太快，知識內涵越來越豐富，學校教育根本不能滿足信息發展的需要。在網絡時代教師、高校的學生、各類社會人士都會通過網絡學習豐富自己，發展自己，更新和完善知識。現在網上很多專門從事各類課程開發的網站，隨便點開一個，網絡課程資源圖文色彩豐富，有我們需要的圖片資源、仿生實驗室資源、文獻資料、還有珍貴的歷史視頻、高中三年每一章節的PPT，網上資源實在是太多太精彩了。我們適當下載進行重組，在課堂上使用可以豐富教學手段，激發學生學習的興趣，還可以突破課堂空間，激發學生課后到圖書館找相關資料進行深化學習。一些仿真情景使學生在接近現實的環境中主動地獲取知識，學生從被動聽講的接受者轉變為主動參與的學習主體，突出了學生的主體性。例如：3-5中解釋光電效應的發生機理、光波的波粒二象性、幾大核反應等知識點，學生就覺得很抽象，通過網上下載的視頻或者課件就可以讓學生如身臨其境。現在很多學校的物理實驗室相對落后，為了達到教學效果可以適當下載一些實驗課件來促進教學效果。例如在講游標卡尺的10分度、20分度、50分度的讀數時，提前利用課件把游標卡尺的讀數原理演示，并即時利用大屏幕進行讀數練習即場考查學生，經過對比，學生掌握情況比不采用這個環節的學生效果要好。在螺旋測微器和多用表的使用上也碰到類似的問題。網上可以找到很好的課外資源，只要我們適當使用和引導是可以和課內連成一體的。最近這兩年的高三無論復習時間多緊張，我都抽空讓學生看《走進霍金的宇宙世界》和別的科普電影，里面很多時空觀或思想觀、思維方式大大拓展了學生的認知結構，改變了他們看世界看問題的角度。今年在高一，我也嘗試讓學生去看，讓他們知道原來物理知識是這樣應用的，物理人是如何思考問題的，我們生活的世界和宇宙里包含了哪些高中基礎物理知識。學生一直覺得物理是枯燥的，這樣一看才發現原來物理這么有趣，很多學生從而對宇宙學、地球學、量子物理學產生了濃厚的興趣，而去購買或借閱相關的書籍。很多學生都知道黑洞，在以往的印象中都認為靠近黑洞是馬上會被卷進去死得很慘。但是如果宇宙飛船沿著切線方向進入軌道，就像行星繞太陽運動一樣是可以高速繞黑洞運行，這時候由黑洞的萬有引力充當向心力當然這個速度會很快很快，從而也把時間拖慢了。在經典時空觀中時間和物質是各自獨立的，但是量子物理學告訴我們時間和空間是可以互相轉化的，而且在宇宙不同的地方由于物質密度不同而使時間的流逝快慢不同。所以充分利用互聯網或者多媒體上的信息可以提高學生的綜合知識能力和學習興趣。

知識結構的有效構建，可以幫助學生清楚認識各物理量、各規律、各知識板塊之間的關系，提高學生系統掌握知識的能力，從長遠來看，也培養了他們良好的邏輯思維。同時，物理知識結構的構建過程也是教師能力提升的過程，教學理念不斷更新的過程，可以促使我們從更高的角度去審視自己原來掌握的知識結構，不斷更新和完善過去，這對于教師自身專業素養的提高有很大的幫助，也有利于教改的推動。