核心素養背景下學生物理觀念的培養

曹 燕

(江蘇省南通大學附屬中學 226001)

在眾多物理學家的眼中，數學公式和相關定義，這些都是物理觀念的一種表達和演繹，觀念本身才是物理探究最核心、最本質的東西，而這些也正是學生在學習過程中最值得感悟的.物理觀念作為核心素養的一項重要組成，需要教師在教學過程中著力培養，以下是筆者在教學中的分析和思考.

一、運用學史教學，讓學生感悟物理觀念的價值

教學過程中，為了幫助學生跳出繁雜的概念和規律，讓學生站立在整體知識的框架下，對物理知識進行研究，深度領會物理觀念的價值，一種有效的手段就是借助物理學史來進行教學.

在物理學發展歷程中，科學家面對紛繁復雜的物理現象，以卓越的智慧來分析和研究問題，并提出具有革命性的理念，這期間就包括物理觀念的使用.在課堂上，教師引導學生研究物理學史，讓學生在史料分析中回溯知識的發展歷程，這樣的處理有助于學生更加深刻地領會知識的真諦，當然也能讓學生明確物理觀念的價值.比如在指導學生研究開普勒行星運動定律時，我們都會從“日心說”和“地心說”的爭論出發，指導學生辨析相關理論產生的緣由，從而明確這其實正是新觀念戰勝舊觀念的歷史，也正是新觀念的驅動才迎來了革命性的突破和發展.當開普勒研究行星的軌道特點時，他也面臨一個傳統觀念的束縛，即當時的主流科學家都認為天體運動的軌道應該是最完美的圓，然而這一理論卻和天文觀測的結果存在偏差，開普勒革命性地提出橢圓軌道的觀點，最終讓相關數據與理論完美的吻合，這既是對傳統觀念的突破，實際上也是對物理觀念的尊重，即只有符合實踐的理論才是正確的理論.這類情況在物理學史上還有很多，比如有關黑體輻射的研究，很多科學家都嘗試著對黑體輻射的規律進行解釋，但是都沒有成功，普朗克創造性地提出“能量子”的觀點，很好地解釋了相關理論，雖然即便他本人對這樣的解釋也很是懷疑，但是理論與實踐符合的基本觀念讓“能量子”的相關理論被確立下來，這也成為量子力學的奠基石.

借助物理學史來指導學生學習物理知識，就是讓學生感悟科學家研究過程中的科學方法和相關思想，這也包括物理觀念的使用，相關思想延續下去，這必然會促使學生對方法形成更加深刻的領悟，學生的思維也將得到拓展，同時他們在解決問題時也將自發地使用各種方法、思想和觀念，這必然也將有助于學生能力的提升.

二、結合物理觀念分析問題，提升學習效率

高中物理的問題分析很講究方法性和思想性，很多概念性的問題需要學生結合物理觀念來理解，這樣的操作可以提升學生的學習效率，某些問題的處理則需要學生用物理觀念來分析，這樣也可以提升學生問題分析的效率.

比如在指導學生研究豎直上拋運動時，學生可以結合速度時間圖象以及相應的公式計算明確豎直上拋運動具有對稱性，即物體上升過程中經過某一點的速度與回落過程中經過某一點的速度大小是相等的.如果教學中，教師僅止于讓學生結合數學演算來明確這一認識，一切都將顯得非常單薄，如果能適當穿插能量的觀念，學生的理解將更加順暢，雖然豎直上拋問題的研究一般發生在高一第一學期，這一階段的學生還沒有學習動能定理和機械能守恒定律，但是這并不意味著學生沒有任何能量觀念的基礎.學生在初中階段已經接觸過動能和勢能的概念，也有關于能量守恒定律的認知基礎，因此在教學過程中教師完全可以讓學生分析物體在豎直上拋運動過程中的能量特點，相關描述不一定多么細致，但是必然要涉及到這樣的關鍵點：物體運動過程中能量守恒，當其途經同一個點時，應該有相等的重力勢能，動能也應該相等，所以物體的運動快慢應該具有對稱性.

在學生學習運動學的時候就將能量觀念滲透在其中，有助于學生對物體的運動特點形成更加生動而形象的認識，學生對知識的掌握也將更加穩固.同樣是能量觀念，它對學生理解某些疑難問題也非常有效，比如有這樣一個問題：人豎直向上跳起的過程中，地面的支持力對人做功了嗎？從概念的角度來理解，教師一般會引導學生這樣來解釋：做功計算式中的位移對應的是力作用點的位移，而在人跳起過程中，地面支持力的作用點位于地和人的接觸面上，這個點在人跳起的過程中沒有發生移動，因此地面的支持力不做功.這樣的描述略顯蒼白，學生對此類概念的表述很難吃透，如果采用能量的觀念來分析就可以讓學生產生更加透徹的理解：功是能量轉化的量度，某力對物體做正功則對應著一種能量的注入，某力對物體做負功則對應著能量的消耗，在人從地面跳起的過程中，地面是否提供了能量給人體呢？學生給出否定的答案，這時他們也將認識到地面沒有給人做功.教師順勢進行說明：人在起跳的過程中，主要是自身的化學能向機械能轉化，而做功應該是人體各關節、肌肉之間的相互作用，相關補充將讓學生對概念形成更加有效的把握.

三、強化知識理解，促使學生形成觀念

物理觀念不等同與物理知識，但是物理知識卻孕育著物理觀念，尤其是一些基礎性的知識和理論，其中富含著物理觀念，學生對物理知識進行學習和理解的過程，恰恰也正是自己體會物理觀念的過程.

比如有關萬有引力定律的建立，這可不是像“蘋果下落的故事”那么簡單，如果沒有牛頓超凡的智慧以及嚴格的推理，一切都是空談.指導學生研究萬有引力定律，我們一般會循著這樣的次序來教學，首先是結合圓周運動以及牛頓力學的基本公式，完成太陽和行星之間吸引力關系的研究，然后就是牛頓提出的觀點：地球與地表物體之間的力也滿足類似的特點.如何來證實這一觀點呢？這就是著名的地月檢驗，即將地表物體的下落和月球的圓周運動拿過來比較，地表物體下落的加速度和月球圍繞地球轉動的向心加速度之間存在3600倍的關系，牛頓結合相關數據確立了這一事實，從而證實自己的觀點，但是研究并沒有就此終結，牛頓將視線投向自然界兩個物體之間，創造性地提出：自然界任何兩個物體之間都存在著引力的作用，并給出萬有引力定律.

在牛頓所處的時代，他沒有任何手段來證實該理論的成立，但正是在物理觀念的指引下，他建立了這一偉大的理論.在學習過程中，引導學生結合知識學習來領悟物理觀念是非常有意義的嘗試.