基于物理觀念下的高中物理有效教學的策略研究

吳新友

摘 要：物理觀念是從物理學視角形成的對某一客觀事物的認識和覺悟。培養學生的物理觀念有什么意義？高中階段應形成什么具體的物理觀念？如何在教學中滲透和培養學生的物理觀念？

關鍵詞：物理觀念;物質觀;運動與相互作用觀;能量觀;培養

觀念是客觀事物在人腦里留下的概括性的形象和總結。觀念還是一種思想意識，是一個人關于某一客觀事物的認識和覺悟。物理觀念是從物理學視角形成的物質、運動與相互作用、能量等的基本認識;是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。物理觀念主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素。

一、學生形成正確的物理觀念的意義

愛因斯坦說過：“所有的物理學理論都是起源于思維與觀念，而不是公式。”但物理概念的形成和物理公式的得出卻是建立在物理學理論的基礎上，這一過程中物理觀念是起主導作用的。觀念反映了人們對客觀事物的概括性認識和理解，它決定了人們去認識世界和解決實際問題的出發點、依據和方式方法。所以，物理觀念影響著學生的學習物理的效果，并為學生的可持續發展奠定了認識和解決問題的基礎。

物理觀念中的物質觀、運動與相互作用觀及能量觀是學生認識生活和客觀世界的視角和基礎，它指導著學生從物理學的視角了解和解釋各種自然現象，從物理學的思維和方法處理和解決身邊遇到的問題。所以，科學物理觀念的培養是學生形成正確和豐富的世界觀、人生觀、價值觀的具體途徑和要求。

物理觀念是物理學科核心素養的之一，而且擺在第一位。物理觀念是在學生學習和掌握物理概念和規律，并在之后的應用、實踐和遷移中慢慢培養和形成的，在此過程中也培養了學生的科學思維、實驗探究能力和科學的態度與責任。這樣，“物理觀念成為其他物理核心素養形成和發展的基礎”。可見，培養學生物理觀念是提升物理學科核心素養的“本位”條件和要求。

二、高中階段需要形成什么樣的物理觀念

1.物質觀

馬克思說，物質是客觀存在的。學生要形成這些觀念：質量是物體本身的一種屬性，它不隨物體的狀態而改變。質量是物體慣性大小的量度。整個宇宙都是由物質組成的，物質由分子或原子組成，原子還可以再分。目前人類認識到的物質有兩類，一類是實物粒子，一類是場，場是物質存在的另一種形式，場具有能量，并充滿整個宇宙。任何有質量的物體之間存在著相互吸引的萬有引力。電荷既不能被創造也不能被消滅。磁體和電流的周圍存在著磁場，磁體或電流間的相互作用是通過磁場而發生的。光是種電磁場。質能方程。另外，微觀世界和宏觀世界遵循不同的運動規律。

2.運動與相互作用觀

運動狀態反映受力情況，受力情況決定運動性質。學生要形成這些觀念：宇宙是由運動的物質組成的，運動是絕對的。運動和靜止都是相對的。一切物體總保持要保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，運動不需要力來維持。光在真空中的傳播速度。力是物體間的相互作用，具有物質性、矢量性、相互性。兩個物體間的相互作用力總是等大反向、同性質。宇宙中存在著四種基本相互作用力。力可以使物體的速度大小或方向發生變化，力是產生加速度的原因。

3.能量觀

能量的轉化與守恒是物理的一條主要解題思路，高中物理中涉及的力、熱、光、電、原子和原子核的各模塊知識都可以用到能量的轉化與守恒思想。學生要形成這些能量觀：功是力對位移的積累，是力在空間上的作用效果。功和能都是標量。功是能量轉化的量度，力做了多少功就有多少能量發生轉化。功能關系是由于力在空間上積累后產生的結果，所以既適用于恒力作用，也適用于變力作用;既適用于直線運動，也適用于曲線運動。重力做功對應重力勢能發生改變，大小關系為;彈簧的彈力做功對應彈性勢能發生改變，大小關系為;電場力所做的功對應電勢能發生改變，大小關系為;一對相互作用的滑動摩擦力對系統做功對應內能的增加，大小關系為;合外力對物體所做的功對應動能的變化，大小關系為;非重力或彈簧彈力對系統所做的功等于系統機械能的變化量，大小關系為。

4.時空觀

時空觀是關于時間和空間的根本觀點。學生要形成這些觀念：時間和空間是運動著的物質存在的基本形式，時間、空間具有客觀性、絕對性和無限性。學生要掌握時間間隔、時刻的概念以及一維、二維、三維空間的相關描述。描述物體的運動必須選定參考系。

三、如何在物理教學的過程中充分地滲透物理觀念

1.在概念和物理規律教學中，形成和更新物理觀念

物理規律和概念是物理教學最基礎最重要的內容，學生是否能形成正確的概念、掌握并運用好規律，關鍵在于教師在引入、建立、形成物理概念和規律的過程的效果如何。比如，在教學中經常會遇到“一個物體以一定的初速度沖上傾角為的斜面”這樣的情境，相當一部分學生認為該物體之所以能沿斜面向上運動，是因為一定有受到某個沿斜面向上的力的作用。學生之所以出現這一錯誤認識的主要原因是“力是維持物體運動狀態的原因”這一前觀念潛在的影響。

我們在《牛頓第一定律》的教學中，在得出“牛頓第一定律”后，必須對牛頓第一定律的內容進行深入的挖掘和分析。

“一切物體”為定律的適用對象即研究對象——形成物質觀。

“總”表示任何時候——形成時空觀。

“直到有外力”說明前半句話物體是不受外力的，描述的是一種理想的狀態，不受外力物體要保持靜止或勻速直線運動狀態，說明運動不需要力來維持——運動觀。

“直到有外力迫使它改變這一狀態”表明外力的效果是改變原來保持的狀態——運動與相互作用觀。

2.在實際運用中，滲透和強化物理觀念

比如，在學習“機械功”時，課本給出功的定義為“功是力與位移的乘積”，學生往往對公式的理解不夠深入，除了表現在學生經常忽視這個公式只適用于恒力做功外，還表現在對功的計算式中各個物理量應形成的物理觀念的缺陷：（1）功W是標量，W可包含正負，（2）力F作用對象是什么，對應的作用對象的位移s是多少，學生往往搞不清楚。這反映了學生對力的物質性中包含的物質觀和位移s選取以地面作為參考系的空間觀和運動觀的缺失。

例如，如圖所示，有一質量為M、板長為L的平板車A放置在光滑的水平面上，質量為m的物塊B放在平板車的左端。現施加一水平恒力F在B上，使B從靜止開始運動。對B，由動能定理得，;對A，由動能定理得，。所以，系統增加的機械能為。

學生在解答這道典型題時遇到的障礙一般有：（1）無法明確這個模型中存在一對相互作用的摩擦力，相互作用觀念模糊;（2）無法明確研究對象，對摩擦力f作用的對象是什么這一力的物質觀念模糊;（3）無法確定研究對象的對地位移s是多少，對位移s的參考系的空間觀念意識不足。教師在教學過程中應就這些物理觀念進行補充和強化。

教師可繼續引導性地發問：根據功能關系，做功的過程就是能量的轉化過程，做了多少功，就有多少能量發生轉化。外力F對整個系統做功為，但整個系統增加的機械為。那么少了的轉化為什么能量。學生根據之前的學習，會想到摩擦生熱。

這樣，學生在平時解決問題的過程，能量觀等物理觀念就得到了不斷完善、強化、應用。

3.在實驗探究中，設計引導性的問題，潛移默化形成物理觀念

物理學是一門以實驗為基礎的學科。通過高中物理探究性實驗，讓學生經歷和領略科學家進行科學探究時的方法，培養學生的科學探究的基本技能和科學精神，也是培育學生物理觀念的重要途徑。但實際的物理探究性實驗課很難激發出學生學習物理的興趣，也無法培養學生的物理觀念，無法達到物理探究課的目的。教師如何教學，才能在一節“很緊張”的實驗探究課中，探出物理味道、探出物理規律、探出物理興趣、形成物理觀念呢？這是每一位物理教師要積極思考并積極實踐的問題。

比如，在“驗證機械能守恒”這個實驗，教師可先布置預習作業，讓學生先預習實驗。預習時，布置這些問題讓學生思考：①根據實際受力情況，提紙帶時，紙帶是否要保持豎直？②根據實際受力特點，選用重錘時，要注意什么？為什么？③根據自由落體的規律，選紙帶時，為什么要選擇第1、2點接近2mm的紙帶？

這些讓學生思考的問題中，都能引導性讓學生從運動與力的關系進行思考和分析，強化了相互作用觀、運動觀。

4.在讀題中，注意通過物理問題的表征，應用和強化物理觀念

開頭談到，觀念是客觀事物在人腦里留下的概括性的形象和總結。學生形成什么樣的物理觀念，就決定了他解決物理問題的方式。物理問題的表征不同于一般的語言詞匯，它有特定的含義。學生只有在形成了正確的物理觀念后，才能注意到表征物理問題的這些特殊詞匯的含義。特別是在高一年級，必須培養學生樹立正確的運動與相互作用觀，讓學生熟悉并懂得運用。至少要讓學生知道，運動與力的關系，要強化“受力情況決定運動情況，運動情況反映受力情況”的觀念。學生樹立了正確的運動與相互作用觀后，就像是具有了“慣性”，學生一遇到特定的語境，就能激發出“運動與相互作用觀”這一性質。

教師在引導學生讀題的過程中，要一直強化力與運動的關系，即強化“受力情況決定運動情況，運動情況反映受力情況”的這種運動與相互作用觀。比如“小物體處于靜止狀態”反映了初始時刻的受力情況，所以要寫出平衡式。“使小物體向上做勻加速直線運動”中，通過“運動情況反映受力情況”，得出運動過程中的受力是恒力。再如，如果遇到“物體做勻速圓周運動”，就要引導學生明確勻速圓周運動的動力學特征為“合外力等于向心力”這一運動與相互作用觀，從這一觀念出發，根據牛頓第二定律求出相應的式子，是解題的關鍵。

結束語：從物理觀念的視角去更新物理教學，就是從本質和基礎上促進了教育觀念的更新，對于培養學生的科學素養更是一種提升。課堂是一個具有創造性的過程，讓學生在解決實際問題的過程中，隨時能運用物質觀、時空觀、運動與相互作用觀以及能量觀，具備從物理學的視角思考問題的動機和能力，最終達到通過物理課程的學習，培養和提升學生科學素養的目的。

參考文獻

[1]蔡鐵權，鄭瑤.物理觀念的物理教育價值_物理觀念教育思考[J]物理教學，2018（9）：4-7.

[2]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018：49-53.

[3]應俊，許佳其.探討物理核心素養中物理觀念教學策略[J]中學物理教學，2018（5）：25-27.

[4]馮華.以物理觀念統領物理教學[J]課程·教材·教法，2014（8）70-73

[5]愛因斯坦，英菲爾德.物理學的進化[M].上海：上海科學技術出版社，1963：201.

福建省廈門市學科帶頭人2019年度課題+核心素養背景下高中物理實驗高效課堂教學模式的研究