中學物理描述范式及其教學價值

邢紅軍 童大振 龔文慧

摘 ? 要?在中學物理教學中，物理描述范式主要包括運動的描述范式、場的描述范式以及電磁系統(tǒng)的描述范式。中學物理描述范式作為中學物理教學的重要內容，對于建構學生的物理認知結構、發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng)以及中學物理教科書編寫都具有重要的啟示意義與研究價值。

關鍵詞?物理描述范式 ?認知結構 ?核心素養(yǎng) ?教科書

物理描述范式的建立借用了庫恩的范式概念。所謂物理描述范式，是指從某一理論或視角出發(fā)所發(fā)展出的對一類物理現(xiàn)象的描述方式。這種描述范式，既不是物理知識，也不是物理方法，亦不是物理思想與觀念。它高于具體的物理理論，通過設定系列化的物理符號，從而達成對物理學本質的描述，同時建立起不同描述范式的聯(lián)系。

由于物理描述范式不僅對學生學好物理學具有重要的作用，而且對于完善學生的物理認知結構同樣具有重要的價值。因此，不同的描述范式相互配合與補充，就構成了人們對物理學的整體認識。有鑒于此，我們嘗試對中學物理的描述范式進行研究，希望能夠對中學物理教學提供有益的啟示。

一、中學物理描述范式

中學物理的描述范式主要包括運動的兩類描述、場的兩類描述以及電磁系統(tǒng)的兩類描述。對這些描述范式的內涵與應用展開研究，就在一定程度上為我們深刻地認識中學物理的體系，打開了一扇塵封已久的大門。

1.中學物理描述范式之“運動”描述

在中學物理范疇內，運動的描述有兩種范式，即線量描述和角量描述。線量描述是一維的，較易理解。學生在初中物理的學習中就開始學習用線量來描述運動，這些物理量包括路程、時間以及速度（準確地說是速率）;高中教材又借助位移、速度以及加速度等線量進一步描述物體的運動狀態(tài)。由于線量描述的適用范圍廣、操作簡單，就使其成為人們描述運動的首選方式。相比之下，角量描述是二維的，更為抽象。所以直至進入高中，學生在圓周運動的學習中才開始接觸角位移、角速度等角量。角量描述的出現(xiàn)既是運動描述的深化，也是學生物理描述方式的一個重大轉變。

雖然角量描述較晚進入學生的視野，但在運動的描述中，角量描述與線量描述卻具有同等重要的地位，它們都屬于中學物理描述范式的范疇。以“圓周運動”教學為例，高中教材先介紹圓周運動的線速度，再介紹角速度，最后分析二者之間的關系。誠然，圓周運動需要角量和線量共同描述，但教材的呈現(xiàn)順序和方式卻不利于學生把握本節(jié)課的教學重難點，因為教材的編寫沒有突出角量作為運動描述方式的重要地位，使其處于附屬線量描述的地位，這是對運動描述范式認識不清的典型表現(xiàn)。

2.中學物理描述范式之“場”描述

在中學物理教學中，對于場的描述也有兩種范式，即“力”的范式和“能量”的范式。從力的角度出發(fā)，最直觀的感受是，場與場之間存在相互作用。比如，在電場中放入一點電荷，該電荷會受到一個力的作用，這個力就是電場對其施加的“電場力”;又如，蘋果之所以會下落是因為它受到了重力場對其施加的“重力場力”（簡稱“重力”）。電場力、重力等統(tǒng)稱為“場力”。進一步研究發(fā)現(xiàn)，試探物所受的場力與試探物的電量或質量之比為定值，與試探物無關，僅與場的位置有關，這個比值就是“場強”，它反映了場自身的特性。從能量的角度出發(fā)描述場，物質系統(tǒng)因各物體之間存在相互作用而具有能量。該能量是由于處于“場”中的物體因位置變化而具有的，我們稱之為“勢能”。如電勢能、重力勢能等。與從力的角度描述場相似，在能量的視角下勢能與試探物的電量或質量之比也為定值，與試探物無關，僅與場的位置有關，這個比值就是“勢”，它同樣反映了場自身的特性。進一步，兩個視角描述場通過“勢差”建立聯(lián)系，從而使場的描述趨于完備。

通過力和能量兩個角度共同搭建了場描述的完整框架，這對于完善學生場的認知結構具有重要作用。通過梳理高中物理教材中重力場和靜電場的描述可知，教材從力和能量兩個角度對靜電場進行了全面的描述，但重力場的描述則存在以下問題：第一，從力的角度描述缺少重力場強的引入;第二，從能量的角度描述缺失重力勢;第三，由于重力場強與重力勢的缺失，就不可能建立起兩種描述范式的聯(lián)系[2]。因此，我們認為，高中物理教材關于重力場的描述是不完備的，這就會反過來影響學生對于靜電場的完整理解。這一問題的本質在于，高中物理教材的編寫沒有從中學物理描述范式的角度處理重力場與靜電場的關系，從而導致長期以來靜電場教學成為教學難點。

3.中學物理描述范式之“電磁系統(tǒng)”描述

在中學物理教學內容中，描述電磁系統(tǒng)同樣有兩種范式，即“場”的范式和“路”的范式，反映在物理知識層面就是電磁場理論與電路理論。在場的范式下，主要是研究電場和磁場的性質、關系與變化規(guī)律，它是用場量來描述場中各點的特性和能量分布的情況。因此，我們既可以從力的角度也可以通過能量的角度描述電磁系統(tǒng)，這在“場”的描述范式中已做了詳盡論述，此處不再贅述。而在路的范式下，研究者關注的是一段電路或整個電路的特性和能量轉換情況。所以，人們往往只是關心與能量輸送有直接關系的物理量，而不必具體研究橫截面上不同點的物理情況[3]。

例如，高中焦耳定律的推導就涉及了兩種不同的描述范式，但許多人卻渾然不覺，其原因就在于不清楚中學物理的描述范式。人教版教材“焦耳定律”開篇指出，“所謂電流做功，實質上是導體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。自由電荷在靜電力作用下沿靜電力的方向做定向移動，結果電荷的電勢能減小，其他形式的能增加。”[4]這其中就包含了路量和場量。接著，教材給出了靜電力做功的表達式W=qU，把q=It代入，得到W=IUt。最后，根據歐姆定律U=IR，得到焦耳定律Q=W=I2Rt，其中Q為電流通過導體產生的熱量。教材利用公式代換就“輕巧”得出了焦耳定律的表達式，但是以上推導方式存在的幾個問題卻值得深思。第一，為什么從靜電力做功的表達式W=qU入手，即從場的描述范式出發(fā)？第二，公式推導過程僅僅是數(shù)學表達式的代換嗎？背后的物理本質是什么？這些問題的模糊化往往會導致教師的教學和學生的學習均處于“知其然，而不知其所以然”的狀態(tài)。

基于此，我們認為，教學伊始教師應帶領學生復習靜電力做功與電勢差的關系，即W=QU。這樣安排能夠很好地起到承上啟下的作用，使整個教學邏輯井然有序。通過場描述范式下相關內容的回顧，就自然選擇從場的視角出發(fā)。因此，靜電力做的功與電勢差的關系就可以寫成（1）：W（場）=qU（場），式中的W（場）為靜電力在電場中所做的功，U（場）為電場中的電勢差;然后，借助電荷量與電流的關系式（2）：q=I（路）t，代入（1）式得到電流在電路中做功的表達式（3）：W（路）=I（路）U（路）t，式中W（路）為電流在一段電路中所做的功，U（路）為電路兩端的電壓;最后，利用歐姆定律（4）：U（路）=I（路）R（路），代入（3）式得出焦耳定律的表達式（5）：Q（路）=W（路）=I2（路）R（路）t，式中Q（路）為電流通過導體產生的熱量。

綜上所述，焦耳定律是在經歷“場”→“路”→“路”轉變之后才得出的。需要說明的是，雖然W=qU與W=IUt中都含有物理量W和U，但在不同表達式中，相同的物理量卻具有截然不同的物理意義，因為它們分屬不同的物理描述范式。顯而易見，唯有顯化這樣的推導過程，才能凸顯物理教學過程中內在的思維變換，才能咀嚼出物理教學的“味道”。

二、中學物理描述范式對教學的作用

1.中學物理描述范式的教育價值

在當前發(fā)展學生核心素養(yǎng)的背景下，《物理課程標準》推出了物理學科核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態(tài)度與責任四個維度。

在物理教學中發(fā)展學生的科學思維，還可以做更深入的思考。對于物理學的研究，楊振寧先生曾經說道：“研究物理學好象看一幅很大的畫，看這一幅畫可以有幾種看法。一是必須在近距離仔細研究。二是應當在遠距離去看它，三是還有中距離的看法，物理學需要近、中、遠三種看法。”[5]受楊振寧先生這個觀點的啟發(fā)，我們認為，在中學生學習物理的過程中，對物理知識的學習是從近距離看物理，對物理方法的掌握是從中距離看物理，而對物理描述范式的把握就屬于從遠距離看物理。顯然，物理教學需要教會學生從近、中、遠三個不同距離看物理。因此，中學物理描述范式的教育價值就在于，它能夠教會學生學會從遠距離看物理，這就使我們對物理教育的認識產生了一個飛躍。

2.中學物理描述范式的教學功能

我們目前的物理教學，教學內容往往是按照教材呈現(xiàn)知識點的先后順序進行的。因此，教師往往采用傳授知識的方法幫助學生形成物理知識結構。然而，這種教學方法僅僅是在搭建知識結構，與運用物理描述范式搭建的物理認知結構相去甚遠。為了避免將物理描述范式誤解為是對物理知識的總結，就需要對物理描述范式的意義有深刻理解。

雖然物理描述范式是以物理知識為依托的，但它并不囿于知識的呈現(xiàn)順序，也不受單元、章節(jié)的限制。以電磁系統(tǒng)的描述范式為例，電路、磁場是初中物理的知識，其中既有路的視角也有場的視角;進入高中后，電勢差、磁感應強度等知識的學習又進一步豐富了學生既有的路和場的視角。由此可見，物理描述范式的教學是不受時間限制且不斷進階的。

3.中學物理描述范式對教科書編寫的啟示

現(xiàn)行物理教科書的編寫依據主要源于社會結構、學生心理結構和學科結構三者的結合，最終以單元“知識塊”的形式呈現(xiàn)，但單元與單元之間的內在聯(lián)系欠佳，不利于學生認知結構的形成。而物理描述范式是對知識、技能、方法等之外更加上位的教學內容的呈現(xiàn)規(guī)則，是物理認知結構的頂層部分。運用物理描述范式，能夠將物理教材的不同單元乃至不同章節(jié)揉合在一起。如前所述，場的描述包括“力”的描述范式和“能量”的描述范式，這兩種描述范式既可以描述重力場，又可以描述靜電場，這就把不同章節(jié)、不同知識聯(lián)系在了一起，并且能夠從一個全新的角度來詮釋不同物理知識形成的來龍去脈，揭示物理知識的本質，使學生對物理學的認識發(fā)生深刻的變革，這就為物理教科書的編寫提供了有益的啟示。

參考文獻

[1] 張婷玉，陳清梅，邢紅軍.圓周運動的高端備課[J].首都師范大學學報：自然科學版，2015，36（03）.

[2] 趙曉蕊，邢紅軍.高中物理教學中兩類場描述的方式對比研究[J].湖南中學物理，2018，33（09）.

[3] 黃永修.基礎物理專題分析[M].鄭州：河南科學技術出版社，1993.

[4] 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理：選修（3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[5] 楊振寧.楊振寧演講集[M].天津：南開大學出版社，1989.

【責任編輯 ? 孫曉雯】