突出“客觀性”，彰顯“必然性”

宋文軍

【摘要】利用比值法定義物理量是中學物理概念教學中常用的方法，是基于學科素養(yǎng)的核心教學內(nèi)容。在介紹“比值法”的內(nèi)涵和外延基礎(chǔ)上，依據(jù)學生在進行“比值法”定義物理量的學習探究之后存在的一些典型認知錯誤，提出了在課堂教學中應(yīng)注意的兩點思考。

【關(guān)鍵詞】比值法；屬性；特征；客觀性；必然性

在中學物理教學中，物理概念教學是物理教學的重中之重，是整個物理教學的基石和核心。而有質(zhì)的規(guī)定、又有量的規(guī)定的物理概念也叫物理量。在實際教學過程中，讓學生扎扎實實地掌握好物理量的內(nèi)涵和外延，并積極參與和領(lǐng)悟建立和定義物理量的過程與方法。不僅要使學生知其然，也要知其所以然，這也是聚焦學科核心素養(yǎng)，提高思維能力，實施有效教學的重要途徑。

在中學物理教學過程中，教師要引導(dǎo)學生學習很多物理量。例如：速度、加速度、電場強度、磁感應(yīng)強度、折射率等。這里面有很多物理量是運用“比值法”來定義的。所謂“比值法”定義物理量就是采取比值定義的形式，將某一物理量作為分子，將另一物理量作為分母，把比值定義為新的物理量的一種思維方法。

利用“比值法”可以對物質(zhì)某種屬性或特征等來定義物理量。例如：電場強度、磁感應(yīng)強度、電容等。通過物質(zhì)或物體與外界作用時顯現(xiàn)出來的一些性質(zhì)，達到給我們提供用外界因素來表示其屬性或特征的一種間接方式，可以通過借助實驗尋找一個只與物質(zhì)或物體的某種屬性或特征有關(guān)的兩個或多個可以測量的物理量，就能用“比值法”定義表征此種屬性或特征的一個新的物理量。還可以用“比值法”對描述物體運動狀態(tài)的特征來定義物理量，例如：速度、加速度、角速度等。應(yīng)用“比值法”來定義物理量，首先是客觀上需要，其次是間接反映特征或?qū)傩缘亩鄠€物理量可以測量，再次是多個物理量的比值能夠是一個定值。而被定義的物理量本身必須與定義它的物理量無關(guān)，而是由其他物理量來決定。比如：加速度a可以用比值法定義為a=Δv/Δt，但a與Δv及Δt無關(guān)，由合外力和質(zhì)量決定。我們可以把用比值法定義的公式a=Δv/Δt稱之為度量式，在等式中a不存在與Δv和Δt正反比關(guān)系；結(jié)合牛頓第二定律得到：a=F合/m稱之為決定式，這里a與F合及m有正反比關(guān)系。不能將比值定義法的公式純粹數(shù)學化。

反思教學實際過程，在物理概念的教學中相信很多教師都有相似體會。應(yīng)用“比值法”來定義物理量，盡管教師在教學中注意到了“比值法”自身的特殊性、特點及理解，但通過教學反饋的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，仍然有學生不清楚“比值法”的真正內(nèi)涵，把“度量式”與“決定式”相混淆。在學習定義物理量的過程中，首先不注意對物理思想和方法的正確理解，在沒有弄清楚概念要表達的某種屬性時，用純粹數(shù)學化的觀點去認識物理公式，沒有正確理解物理量的豐富內(nèi)涵。不能從公式中去揭示所定義的概念與一些有關(guān)概念的真實依賴關(guān)系，一味死記硬背和亂用公式。其結(jié)果導(dǎo)致在解決問題時往往會出現(xiàn)很多錯誤。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象存在于課堂教學過程中的原因，應(yīng)該是學生在學習過程中注意力重點放在了物理量的定義形式，而沒有引起學生去注意為什么引入這個物理量，為什么會這樣去定義它，只重視了定義的數(shù)學形式，忽視了在探究這種定義過程中運用的物理思想和方法，概念要表達的屬性。甚至，少數(shù)同學還有“用兩個物理量相除就能定義第三個物理量”的錯誤想法。為什么會有這樣的現(xiàn)象，原因可能是多方面的，筆者經(jīng)過教學實踐后反思認為，在運用“比值法”定義物理量的教學過程中，能夠關(guān)注以下兩點，可以較大程度上解決上述存在的問題。

一、探究過程突出“客觀性”

研究物理問題時，引入任何一個“物理量”及怎么去定義它應(yīng)該是“客觀”的，而不是人為的。這種“客觀性”在課堂教學探究中是需要強調(diào)和加以突出表達的。“加速度”概念對很多學生而言，感覺不好掌握，是認知上的一個“難點”知識。現(xiàn)以“加速度”概念的引入和定義教學為例來說明一下教學過程。首先，在引入“加速度”概念之前，做好鋪墊，上網(wǎng)搜索4款牌子的家用轎車及2款跑車加速情況如表1、表2。

引導(dǎo)學生觀察上述表格進行思考；4款家轎車及2款跑車做變速運動，客觀上存在著一個明顯的區(qū)別是什么？在教師引導(dǎo)下學生觀察表格能夠發(fā)現(xiàn)4款家轎車在車速0-100km/h變化中所用時間不同，2款跑車車速0-50km/h變化所需時間也是不同的，這些不同是“客觀”的，學生結(jié)合生活中的經(jīng)驗，能發(fā)現(xiàn)速度變化有快慢之分的客觀事實；這也是做變速運動的物體存在的“客觀特征”，研究變速運動就必須反映這樣的“客觀特征”，那么需要引入一個物理量來描述這個“客觀特征”也就是順理成章了，為加速度概念引入的客觀性做了鋪墊。引入了“加速度”來描述速度變化快慢，那么如何定義加速度呢？還要引導(dǎo)學生利用這兩張表格做進一步探究，對比兩張表格引導(dǎo)學生判斷用速度變化量來描述速度變化快慢來定義加速度是否合理？例如：比亞迪漢EV在7.9秒內(nèi)速度變化100km/h，鈴木入門級跑車在4.49秒內(nèi)速度變化50km/h。生活中大家都知道跑車提速快，如果能用速度變化量來反應(yīng)速度變化快慢，那么跑車的提速性能要低于4款家轎了。這顯然是不客觀的。引發(fā)這樣的認知沖突后，引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)問題的原因是比較速度變化量去反應(yīng)速度變化快慢時沒有選取相同的時間標準。選取相同時間標準去比較速度變化量可以比較速度變化的快慢，其實這也是客觀的，觀察表1表2會發(fā)現(xiàn)4款家轎車的Δv/Δt值明顯小于2款跑車Δv/Δt的值，即跑車提速性能要優(yōu)于家轎車，這符合大家日常生活經(jīng)驗。而4款家轎車Δv/Δt值及2款跑車Δv/Δt值也各不相同，Δv/Δt值大的說明速度變化快。Δv/Δt值小的說明速度變化慢。學生思維發(fā)展、認知程度進一步提升，采用比值法來定義加速度去比較速度變化快慢的方法已經(jīng)呼之欲出了。

二、結(jié)論得出彰顯“必然性”

仍以“加速度”概念教學為例，通過探究物體做變速運動發(fā)現(xiàn)它存在的客觀性問題：一是要研究變速運動需要引入一個物理量來描述速度變化快慢；二是用一個合適的比值可以定義這個物理量。那么引入加速度這個概念和選擇Δv/Δt來定義加速度對于結(jié)論得出已是必然。學生會覺得這個認知過程“合情合理”。進而能清楚地認識到公式a=Δv/Δt是加速度在運動學中的一個定義式、度量式。比值定義法是比知識還要抽象的物理思維方法，在公式a=Δv/Δt得出必然性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進一步引導(dǎo)學生需明確：加速度的物理意義是表示運動物體單位時間內(nèi)速度的變化量，是速度的變化率，我們定義其為“加速度”，用字母“a”來表示，國際單位制中的單位是m/s2，避免學生對此概念望文生義錯誤曲解。事實上，產(chǎn)生加速度的根本原因是合外力，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，也是產(chǎn)生加速度的原因。而“勻變速運動”就是物體在恒力作用下的加速度恒定的運動。

“電場強度”是高中生首次學習“場”的概念需定量描述而引入的一個物理量，學習掌握這個概念有一定的難度，若以實驗的方法探究學習，靜電力及電量的測量在教學中有一定的困難。理解和掌握好這一概念對以后學習“磁場”方面的知識會有幫助。下面以高中物理“電場強度”概念的教學為例，嘗試以庫侖定律為工具進行理論探究。

設(shè)真空中有一靜止的場源電荷Q（可視為點電荷），距離場源電荷rA和rB（rA大于rB）有兩點A、B，引入一檢驗電荷q分別放在A點和B點。由庫侖定律計算檢驗電荷受到的電場力（兩電荷之間的庫侖力）。

由于rA>rB，明顯FA<FB。同一電荷在電場中的不同位置受到的電場力不同，說明場有強弱之分，這是客觀的。教學中需要引領(lǐng)學生注意到這一點。研究電場，需要去描述這種強弱不同，從而引出電場力的性質(zhì)的研究。

那么如何去描述場的強弱呢？從上述分析可知：同一電荷q在電場中不同點A、B；FA<FB，B點電場比A點強。那么，是否可以用電荷在電場中受到的電場力來表征電場的強弱呢？引導(dǎo)學生進一步分析。列表3如下，讓學生填好表格。

引導(dǎo)學生對比分析表中的數(shù)據(jù)，得出以下兩點結(jié)論。

（1）電場中的不同點（例如A、B兩點），引入不同電量的電荷q，電荷受到的電場力F不一定相同；

（2）電場中的同一點（例如A點或B點），引入不同電量的電荷q，電荷受到的電場力F也不同。

據(jù)此以上結(jié)論，明顯可以看出用電荷在電場中受到的電場力來表征場的強弱不合適，電場力大小還與引入電荷本身有關(guān)。同一電荷在電場中不同位置電場力大的地方場應(yīng)該強，這一觀點符合學生基本認知。引導(dǎo)學生繼續(xù)觀察表格中的后兩列有兩點發(fā)現(xiàn)：（1）在電場中同一點，檢驗電荷的電場力與電荷電量比值相同，與檢驗電荷電量無關(guān)；（2）在電場中不同點，檢驗電荷的電場力與電荷電量比值不同，比值大的場比較強。

基于上述兩點，學生會發(fā)現(xiàn)用電荷在電場中受到的電場力與電荷電量的比值定義場強已是客觀、必然的選擇。雖然上述探究是以點電荷激發(fā)的電場為例，但場強的定義同樣適用于其他形式的電場。當然，公式E=F/q也是場強的定義式、度量式，在本例探究中得到的E=kQ/r2是點電荷場強的決定式。同時，經(jīng)歷這樣的一次探究過程，學生也會容易理解場強由場本身因素決定，與引入電荷電量大小及有無引入電荷無關(guān)。

教學邏輯要蘊含思維認知及時空順序，在教學中要合理呈現(xiàn)諸要素。例如在上述加速度、電場強度概念的教學過程中，從加速度、場強概念需引入的客觀性，不能用速度的變化量反應(yīng)速度變化的快慢、不能用電場力來描述電場的強弱的客觀性到需用“比值法”定義的客觀性及合理性。三個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，在引發(fā)學生的認知沖突下，有序展開。

【參考文獻】

[1]邢紅軍.按照比值定義法的本質(zhì)改進高中物理概念的編寫[J].物理教師，2004（04）.

[2]劉建鋼.例談高中物理比值定義法[J].青年文學家，2013（36）.