對(duì)“居高臨下”物理教學(xué)的研究及踐行
——以將初中教材資源作為高中物理教學(xué)“情境素材”為例

方武增

（廣東省惠來(lái)慈云實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 揭陽(yáng) 515200；廣東省惠來(lái)縣華湖中學(xué)，廣東 揭陽(yáng) 515200）

1 “居高臨下”的中學(xué)物理教學(xué)

我國(guó)著名的物理教育學(xué)家許國(guó)樑教授早在20世紀(jì)60年代就對(duì)物理教師提出了“居高臨下”的要求.［1］1981年，許國(guó)樑先生在江蘇師范學(xué)院（現(xiàn)蘇州大學(xué)的前身）工作時(shí)，曾在他的著作《中學(xué)物理教學(xué)法》中指出：“中學(xué)物理教材教法分析……，選擇中學(xué)物理教材的若干章節(jié)和典型問(wèn)題，居高臨下地進(jìn)行分析……”［2］文中用了“居高臨下”這個(gè)充滿力量的詞.據(jù)《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》解義：居高臨下，為處在高處，俯視下面，形容處于有利的位置.許國(guó)樑先生高屋建瓴，指出對(duì)教材教法的分析，需要中學(xué)物理教師厚積薄發(fā)，需要扎實(shí)的物理學(xué)專業(yè)知識(shí)、教學(xué)方法和教學(xué)理論.

那么，在高中物理教學(xué)中，如何做到許國(guó)樑先生所說(shuō)的“居高臨下”呢？不同教師會(huì)有不同努力的方向，但一定是充分備課，拓展教學(xué)資源，豐富教學(xué)內(nèi)容，做到“居高”、并結(jié)合學(xué)情將物理思想、物理方法通過(guò)物理知識(shí)滲透給學(xué)生，做到“臨下”.下面以將初中教材資源引入作為高中物理教學(xué)“情境素材”為例.

中學(xué)物理中，初中與高中兩個(gè)學(xué)段的知識(shí)有著許多交叉的地方，但不是簡(jiǎn)單地重復(fù)，更不是機(jī)械式地難度升級(jí).物理知識(shí)體系是根據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)、認(rèn)知能力的思維能力，并在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022 版）及《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）的指導(dǎo)下，明確不同的定位，通過(guò)對(duì)應(yīng)學(xué)段的教材將知識(shí)以不同的方式呈現(xiàn)給師生.無(wú)論是初中物理還是高中物理，都是基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系的學(xué)科.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）也明確地指出：高中物理課程在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然，理解自然，建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景；引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力.［3］特別強(qiáng)調(diào)了“在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上”這一點(diǎn).

2 初中教材資源作為高中物理教學(xué)“情境素材”的可行性

與學(xué)生交流中發(fā)現(xiàn)，高中學(xué)生剛剛開始學(xué)習(xí)物理的時(shí)候，對(duì)物理還是很感興趣的.特別當(dāng)教師所講的內(nèi)容涉及“初中物理情境”或“生活情境”時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的興致就會(huì)很高，前者屬于側(cè)重于“知識(shí)儲(chǔ)備”，后者屬于側(cè)重于“生活儲(chǔ)備”，但均屬自己的“體驗(yàn)經(jīng)歷”，從而有了學(xué)習(xí)的興趣與信心.但是隨著物理學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深入，學(xué)生的興致就降低了.這與我們教學(xué)方式有很大的關(guān)系，沒(méi)有太注重學(xué)生的興趣與發(fā)展?jié)撃埽瑓s過(guò)于注重考試與刷題.

物理學(xué)根植于人類對(duì)自然規(guī)律的研究，并在過(guò)程中，人類發(fā)展了自身的科學(xué)思維及研究方法.高中物理教材中的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)等來(lái)源于“原始情境”的內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、領(lǐng)悟科學(xué)方法、形成科學(xué)思維具有重要作用，所以高中物理教學(xué)，特別是新授課教學(xué)，需要“情境素材”.

相比初中物理，高中物理在概念的嚴(yán)密性、實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，邏輯思維、數(shù)學(xué)運(yùn)算等方面都上了一個(gè)臺(tái)階.這就需要將初中教材資源適當(dāng)引入，以便“對(duì)比學(xué)習(xí)”.比如：“力”，初中的認(rèn)知要求相對(duì)簡(jiǎn)單，只關(guān)注其大小，不過(guò)多研究力的方向問(wèn)題，而在高中的認(rèn)知要求中，引入矢量的概念，考慮其方向性，并用矢量觀念分析問(wèn)題.

同時(shí)，初中物理教材中插圖較為直觀，有利于學(xué)生獲取信息.由此可見(jiàn)，將初中教材資源適當(dāng)引入作為高中物理教學(xué)“情境素材”是可行且必要的.

3 初中教材資源作為高中物理教學(xué)“情境素材”的踐行

3.1 將初中教材“科學(xué)史”作為高中物理新授課“導(dǎo)入”的素材

在高中《物理》選擇性必修1中“單擺”這一節(jié)的教學(xué)中，筆者將8年級(jí)《物理》中的“伽利略對(duì)擺動(dòng)的研究”，如圖1，作為“科學(xué)史”引入.實(shí)際上，自從伽利略的時(shí)代開始，人們才開始開發(fā)了研究的技巧及尋找和追蹤線索的系統(tǒng)方法，［4］之后才將史料中的原始問(wèn)題抽象并歸納出：如果細(xì)線的長(zhǎng)度不可改變，細(xì)線的質(zhì)量與小球相比可以忽略，球的直徑與線的長(zhǎng)度相比也可以忽略，這樣的裝置就叫作單擺.

圖1 8年級(jí)《物理》中的“伽利略對(duì)擺動(dòng)的研究”

用這段科學(xué)史素材還有另一個(gè)妙處，文中提到：“他發(fā)現(xiàn)，盡管吊燈的擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，但每一次振動(dòng)的時(shí)間似乎相等.”這個(gè)重要的猜想隱喻周期與振幅無(wú)關(guān).再切換到選擇性必修1“單擺”中的實(shí)驗(yàn)，如圖2，引導(dǎo)學(xué)生們思考，單擺周期與哪個(gè)因素有關(guān)？

圖2 研究運(yùn)動(dòng)周期

再用控制變量法進(jìn)行分類研究（偏角都在5°以內(nèi)）.

(1) 承災(zāi)體識(shí)別。該邊坡地處高速公路路口交匯帶，主要承災(zāi)體有受路塹邊坡影響土地資源、坡腳道路工程、過(guò)往車輛行人。

步驟1：兩單擺的擺球質(zhì)量、振幅相同，擺長(zhǎng)不同；

步驟2：兩單擺的擺長(zhǎng)、振幅相同，擺球質(zhì)量不同；

步驟3：兩單擺的擺長(zhǎng)、擺球質(zhì)量相同，振幅不同.

根據(jù)以上3種情況，比較兩擺的周期，可以得出什么結(jié)論？這樣就比較完整.

3.2 將初中教材“資料卡”作為高中物理新授課“拓展”的素材

在高中《物理》選擇性必修1中的“波的反射、折射和衍射”一節(jié)中提到：“……‘聞其聲而不見(jiàn)其人’的現(xiàn)象.通常的聲波，波長(zhǎng)在1.7 cm-17 m之間，跟一般障礙物的尺寸相當(dāng)，所以聲波能繞過(guò)一般的障礙物，使我們能聽到障礙物另一側(cè)的聲音.”而在課后的“練習(xí)與應(yīng)用”第1題中，提到“蝙蝠是通過(guò)聲波的反射來(lái)判斷前方是否有障礙物的.據(jù)此，你認(rèn)為蝙蝠發(fā)出的聲波頻率應(yīng)該具有怎樣的特征？盡可能用數(shù)量級(jí)來(lái)描述你的估算.”實(shí)際上，8年級(jí)《物理》中“聲音的特性”這一節(jié)中提到“人能感受的聲音頻率有一定的范圍.多數(shù)人能夠聽到的頻率范圍大約從20 Hz到20000 Hz…….”另外，還附了“人和一些動(dòng)物的發(fā)聲和聽覺(jué)的頻率范圍”一圖，如圖3，非常直觀，可以將此圖在課堂的PPT中呈現(xiàn)給學(xué)生看，圖中標(biāo)明人的聽覺(jué)頻率處于20 Hz-20000 Hz.這個(gè)比1.7 cm-17 m 更好記.

圖3 8年級(jí)《物理》中的“頻率范圍”

另外，對(duì)于課后的“練習(xí)與應(yīng)用”中，計(jì)算蝙蝠發(fā)出的聲波頻率后，可以讓學(xué)生看圖中的蝙蝠“發(fā)聲頻率范圍”“聽覺(jué)頻率范圍”，更清楚地了解蝙蝠發(fā)出的聲波頻率應(yīng)該具有的特征.此外，還可以拓展講蝙蝠采用的方法叫做回聲定位，采用這個(gè)原理制成的超聲導(dǎo)盲儀可以探測(cè)前進(jìn)道路上的障礙物，以幫助盲人出行.倒車?yán)走_(dá)更是在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，如圖4.

圖4 8年級(jí)《物理》中的“倒車?yán)走_(dá)”

再如，高中講到“電勢(shì)差”，當(dāng)講完節(jié)后的習(xí)題，如圖5中的電勢(shì)圖，適時(shí)加入物理9年級(jí)中的“安全用電”中這一節(jié)中的“跨步電壓”，如圖6，而彼時(shí)，以初中知識(shí)很難較好解釋“跨步電壓”，但現(xiàn)在引入，一是解開初中懸而未解之事，圖中的各個(gè)圓弧相當(dāng)于等勢(shì)線，兩腳與地接觸點(diǎn)則相當(dāng)于兩個(gè)電勢(shì)點(diǎn)φA、φB，故“跨步”形成電勢(shì)差UAB=φBφA（當(dāng)然，若φA=φB，UAB=0）；二是拓展學(xué)習(xí)生活安全知識(shí)，與高壓輸電線高塔保持一定的距離.

圖5 高中教材中的“電勢(shì)差”習(xí)題

圖6 9年級(jí)《物理》中的“跨步電壓”

3.3 將初中教材“想想議議”作為高中物理習(xí)題課“母題”的素材

圖7 電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖

（A）將左、右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆都刮掉.

（B）將左、右轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉.

（C）將左轉(zhuǎn)軸上側(cè)的絕緣漆刮掉，將右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆刮掉.

（D）將左轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉，將右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆刮掉.

此題一出，不少高中物理教師都認(rèn)為“漆包線”這個(gè)材料超過(guò)了學(xué)生的認(rèn)知，而且課本也沒(méi)有出現(xiàn)，有的教師甚至將此題定為“超綱”的題.但此題的原型正是來(lái)源于9 年級(jí)的課本第134 頁(yè)的“讓線圈轉(zhuǎn)起來(lái)”，如圖8，文中已明確指出“左端全部刮掉”及“右端只刮上半周或下半周”“輕推一下，線圈就會(huì)不停地轉(zhuǎn)下去”.這些文字表述與上述這一高考題中一選項(xiàng)極為相似.

圖8 9年級(jí)《物理》中的“讓線圈轉(zhuǎn)起來(lái)”

另外，8年級(jí)《物理》中還解釋道：有時(shí)線圈之所以不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)榫€圈越過(guò)平衡位置之后，受到的力要阻礙它繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).如若在越過(guò)了平衡位置后就停止對(duì)線圈供電，由于慣性，線圈就能連續(xù)轉(zhuǎn)下去了.而停止對(duì)線圈供電方法就是：采用刮去引線漆皮的辦法來(lái)控制電路的通斷，即一端的漆皮全部刮掉，另一端的漆皮只刮上半周或下半周，從而保證給線圈適時(shí)供電或停電.總體來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)是為了讓線圈每轉(zhuǎn)一周，只有半周獲得動(dòng)力，在另半周線圈里沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，靠慣性轉(zhuǎn)過(guò)這半周后，又回到原來(lái)的狀態(tài).之后線圈又受到向同方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力，以確保線圈能循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)下去.如此引入初中物理課本中這一素材來(lái)解釋這一高考題，就恰到好處.

另外，在《物理》必修2中的“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中，汽車過(guò)拱橋，如圖9，文中指出：汽車的速度越大，汽車對(duì)橋的壓力越小.試分析，當(dāng)汽車以越來(lái)越大的速度通過(guò)拱形橋的最高點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？（會(huì)不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：速度大到一定程度時(shí)，地面對(duì)車的支持力是0）此時(shí)，可以加入8年級(jí)物理中的插圖，如圖10，結(jié)合“限速”的標(biāo)志，進(jìn)行命題.

圖9 汽車過(guò)拱橋

圖10 “限速”的標(biāo)志

3.4 將初中教材“研究方法”作為高中物理實(shí)驗(yàn)課“科學(xué)探究”的素材

物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，其中科學(xué)探究中的一些“研究方法”會(huì)在不同的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)，如控制變量法、放大法、替代法等.

“面積法”也是常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方法，如《物理》必修3中“電容器的電容”這一節(jié)中的“用傳感器觀察電容器的放電過(guò)程”，如圖11 所示.這一環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)了：（1）在圖中畫一個(gè)豎立的狹長(zhǎng)矩形它的面積的物理意義是什么？（2）怎樣根據(jù)I-t 圖像估算電容器在全部放電過(guò)程中釋放的電荷量？

圖11 用傳感器觀察電容器的放電過(guò)程

實(shí)際上，這種運(yùn)用面積方法早已在8年級(jí)《物理》“壓強(qiáng)”一節(jié)中出現(xiàn)了，如圖12，利用面積法來(lái)研究壓強(qiáng).文中介紹了要注意的細(xì)節(jié)：不滿足一格時(shí)，大于半格的算一格，小于半格的不算，再乘以每一小格的面積.這個(gè)可以給學(xué)生復(fù)習(xí)一下，并將此方法引入到高中物理教學(xué).

圖12 8年級(jí)《物理》中的“壓強(qiáng)”習(xí)題

另外，在《物理》選擇性必修3 中“實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”這一節(jié)里，如圖13，也出現(xiàn)：在淺盤里盛上水……用注射器向水面上滴1 滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面散開，形成一塊油膜，可以清楚地看出它的輪廓.待形狀穩(wěn)定后，將事先準(zhǔn)備好的帶有坐標(biāo)方格的玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描下薄膜的形狀.如此，根據(jù)畫有油膜輪廓的玻璃板上的坐標(biāo)方格，計(jì)算輪廓范圍內(nèi)正方形的個(gè)數(shù)，不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算一個(gè).然后，再用正方形的個(gè)數(shù)乘單個(gè)正方形的面積就得到油膜的面積S.

圖13 估算油膜的面積

4 初中教材資源作為高中物理教學(xué)“情境素材”的困境

1980年，朱正元教授曾指出：“當(dāng)前中學(xué)教育的一個(gè)突出問(wèn)題是把追求升學(xué)率作為辦學(xué)的唯一 目 的，”［5］但40 年 后 的 今 天，還 是 有 許 多 地 方以“升學(xué)率”為目標(biāo)，以“刷題”為手段，教師的主要精力不是注重研究教材、研究學(xué)情、研究如何“居高臨下”地進(jìn)行物理教學(xué)，而是轉(zhuǎn)到搜集各種復(fù)習(xí)資料或習(xí)題集上面去了.“以考代學(xué)”壓縮了對(duì)原始情境探析的時(shí)間.部分教師會(huì)問(wèn)道，“物理教學(xué)情境化”太耗時(shí)間了.那么我們時(shí)間去哪兒了呢？從高一開始，每一周很多科目都有“周練或周測(cè)”，在對(duì)“高考備3 年”這句話斷章取義后的肆意理解下，將高三的教學(xué)管理方式移植到高一和高二，“周練或周測(cè)”后還要花1節(jié)課來(lái)講評(píng)試題，之后便是在“教學(xué)進(jìn)度”的驅(qū)使下，為完成教學(xué)任務(wù)拼命“趕課”，甚至提前結(jié)束課程，大量時(shí)間搞復(fù)習(xí)備考等做法.可想而知：過(guò)于急功近利的做法顯然無(wú)法體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì)，也與“居高”背道而馳.

當(dāng)然，也有人會(huì)認(rèn)為初中物理太簡(jiǎn)單了，沒(méi)必要講.這是一種誤解，將初中教材資源作為高中物理教學(xué)“情境素材”，一來(lái)，在“初高中物理銜接”中給予學(xué)生一個(gè)可以緩沖的小臺(tái)階，可以小步伐向上攀，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心；二來(lái)，初高中物理本來(lái)就屬于一個(gè)大體系，知識(shí)與方法可相互滲透.

5 “居高臨下”教學(xué)是中學(xué)物理教師的使命

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，教師備課的手段已呈多樣化，但中學(xué)物理教學(xué)的發(fā)展，必須是扎實(shí)的發(fā)展，樸素真實(shí)的發(fā)展，［6］研究物理教學(xué)規(guī)律并掌握實(shí)質(zhì)，做到“居高臨下”是中學(xué)物理教師的使命.而居高是為了更好地臨下.中學(xué)物理教師，要綜合運(yùn)用所學(xué)的物理專業(yè)知識(shí)和教學(xué)理論，熟悉中學(xué)物理（初中和高中）兩套教材的結(jié)構(gòu)體系及知識(shí)體系，明確各個(gè)階段的目的要求，注重初高中的銜接.初中物理教師要研究高中物理教材，才能突出重點(diǎn)、詳略得當(dāng)——對(duì)需要高中物理知識(shí)才能解釋的，不必過(guò)早地加深加寬，如磁通量、加速度、角速度，但也可根據(jù)學(xué)情為之打好基礎(chǔ)，做好鋪墊.另外，高中物理教師也要通曉初中物理教材，方可充分利用學(xué)生已有的認(rèn)知能力和知識(shí)儲(chǔ)備，全力突破難點(diǎn).

這種拓展教學(xué)資源的過(guò)程，是充分發(fā)揮自己主動(dòng)精神的創(chuàng)造性過(guò)程，需要實(shí)事求是、腳踏實(shí)地、鍥而不舍的優(yōu)良科學(xué)態(tài)度和教育作風(fēng)，抵制誘惑和防止各種精神污染，而在這一個(gè)“繼承”與“升華”的過(guò)程也是努力做到許國(guó)樑先生所說(shuō)的“居高臨下”教學(xué)的一個(gè)過(guò)程.