高中物理教學中“對稱性”方法運用闡述

【摘要】本文就高中物理教學中的對稱性方法運用進行討論，在了解對稱性方法的同時，對其在高中物理教學中的具體應用進行深入的探討和描述，希望能夠為相關教學活動的開展提供一定的參考和借鑒，進一步提高高中物理教學的有效性.

【關鍵詞】高中物理；課堂教學；對稱性方法

物理學科是高中教育的重要組成部分，對于學生素質能力的培養以及高考成績有著巨大的影響，但在高中物理教學實踐當中，受到諸多因素的影響，往往會出現教學質量不高的情況，這在一定程度上影響了學生對于知識的掌握和物理核心素養的提升.而應用對稱性方法開展相關教學活動，則可以將上述問題有效解決，因此針對相關內容加強研究是很有必要的.

1 淺析對稱性方法

1.1 相關概念

學界對于對稱性最早的解釋為：基于中央平面或分界線兩端的，對應位置、形狀以及大小相同的物體對應性關系：換言之，即平衡的或者是適當的比例.對稱性也可以看作是某件事物經過相應操作以后，看上去未發生任何改變.而本文對于對稱性的討論為廣義上的定義，即除了上述定義，還涉及思維思考方法方面的對稱性.所以，對稱性方法具體可以分成兩個方面.一方面，是定量性質的數學對稱性；另一方面，是定性性質的對稱性.其中后者又可以劃分成兩種類型，一是抽象對稱性；二是形象對稱性［1］.

1.2 應用對稱性開展教學活動的重要性

自然科學在長期發展歷程中，始終在對自然的秩序性進行深入的探索與研究，從而對其中的完美性、簡單性以及對稱性等進行追尋，這已經成為科學認知及研究的出發點.而隨著物理學領域對于對稱性的深入研究，使得這種自然法則得到了深入的挖掘.由于對稱性能夠對自然構造原理予以揭示，所以人類完全可以借助對稱性來研究自然界，從某種程度上來講，對稱性也可以視為一種方法論，在早期階段，其主要作為一種認識自然的思維方式，而隨著現代社會及學科的發展，其不僅能夠用于物理規律的描述，同時能夠作為相關問題處理的重要方法.也正是因為對稱性的這種重要作用，使得其在高中物理教學中的實踐應用具有一定的迫切性.對其進行合理的應用，能夠幫助學生在掌握相關方法的同時，形成相應的科學思維方式，這對于學生的學習以及未來發展有著非常重要的意義［2］.

隨著現代社會的發展，各界對于人才的要求也在不斷提升，要求相關人才應該具有較強的創新思維能力，而對稱性方法的應用不僅能夠幫助學生進行科學探究，還能對其創新思維進行有效的培養.而且從學生角度來看，對稱性方法更加契合學生的認知規律，可以在減輕學生學習負擔的同時，幫助學生更好地理解相關知識，從而達到提高教學質量的目的［3］.

2 對稱性方法在高中物理教學中的應用

2.1 結合物理學史進行對稱性思維的滲透

在古代科學發展過程中，對稱性思維發揮了引領導向作用，例如，在天體運動方面，也正是有對稱性思維的指導，人們才會更加傾向于天體是橢圓形或圓形的，若缺乏對稱性思想，可能很多物理規律猜想的誕生要晚上許多年，而現代物理學家也是基于對稱性思維針對物理學規律進行探索的.若能結合物理學史進行對稱思維的滲透，不僅能夠幫助學生更好地學習和理解相關知識，還能對其獨立思考能力以及質疑精神進行有效的培養.當然，這需要教師對物理學史進行充分的了解，對物理知識背后蘊含的物理學史對稱性進行挖掘，并在課堂教學當中融入相關內容，采用課前任務設置或者是教學資料展示等方式，幫助學生了解相關物理學史，然后引導學生對其中的科學方法以及科學思維進行思考，并嘗試借助對稱性思維解決學習及生活中的相關問題.借此可以幫助學生看到對稱性思維對于以往科學事業的影響，使其認識到對稱性思維對于物理知識學習與研究的巨大作用，逐漸形成對稱思維意識［4］.

例如 在學習“牛頓第三定律”時，教師可以先讓學生結合教材內容對該定律背后的物理學史進行了解，并在課堂上讓其說一說自己的學習成果.然后，教師即可對該定律中的對稱思想進行揭示，如反作用力與作用力即可視為一種對稱性，根據對稱思想，在某一施力物體施加給受力物體力時，施力物體會受到相應的反作用力，而由于兩者的對稱關系，所以作用力是等同于反作用力的.在學生了解對稱性這一思維方法，并將牛頓第三定律概念有效掌握以后，教師還可以引導學生對這種對稱性進行尋找和應用，如力的分解與合成等，通過組織學生對物理學史當中的對稱性進行挖掘，并在實踐學習期間進行應用，有助于學生對稱性思維的形成與應用，從而有效提高物理教學活動的質量［5］.

2.2 通過物理概念的對稱性加強概念理解

從本質上來看，物理概念實際是一種經人腦加工概括的物理現象與本質，其本身具有一定的概括性和抽象性，能夠為學生的物理學習奠定相應的基礎.但高中階段的物理概念除了具有抽象性，還具備階梯性、主觀性以及確定性等特點，且很多學生對于相關知識的學習，往往是依靠死記硬背或者是照搬照抄等方式來實現的，這也導致學生對于相關概念缺乏深入的理解，并不能對其中的含義進行真正把握.而一些物理概念在定義方法等方面是具備對稱性特征的，結合對稱性方法開展相關教學活動，能夠幫助學生更為深入地理解物理概念.對此，需要教師做好教材分析工作，對其中具有對稱性的內容及物理量進行篩選，并在學習新物理量時，引導學生思考和新物理量存在對稱關系的舊物理量，嘗試應用學習舊物理量的方法來進行新物理量的學習，通過差異比較實施調整，從而確定學習新物理量的方法，并對其進行深入的理解［6］.

例如 通過電場與磁場之間的對稱性，幫助學生對磁感應的強度加以理解，首先教師可以設置相應的問題，例如，在電場當中，電場強弱是怎樣描述的？在對磁場強弱進行描述時，是否可以通過電場強弱描述的對比來獲得相應的支持？具體怎樣處理？可以通過試探電荷的加入來實現？磁場對什么會產生作用力？是否可以借助導線所受作用力對磁場強弱進行描述？所通電導線在長度和電流方面相同，其受力大小是否可以對磁場強弱進行反映？通過電場強度定義式的類比，該怎樣對磁場強弱進行描述？通過一系列的問題，能夠引導學生針對電場知識進行回憶，然后啟發學生應用對稱性思維針對電場知識進行類比，學生能夠從新舊問題當中發現其中的共性問題和個性差異，并對問題的解決方法進行探尋，學生結合對稱性思維進行對比分析和知識關聯，能夠快速將新概念掌握［7］.

2.3 借助物理問題的對稱性實現有效解題

在物理學科中，經常可以看到一些具有對稱性的問題，例如，拋體運動知識、靜電場知識、磁場知識、光學知識以及碰撞問題等，對物理問題當中蘊含的對稱性進行挖掘與應用，實現問題的有效分析，能夠幫助學生更好地把握問題中的關鍵要素，從而將變量數目有效減少，達到簡化運算的目的.實踐教學中，教師可以先對一些借助對稱性方法提高解題便捷性的實例進行收集和引入，借助例題幫助學生對問題中的問題特點進行分析，然后為學生介紹如何應用對稱性方法進行解題，讓學生看到相關方法應用的便捷性.然后，借助相同類型的問題開展專項訓練，逐漸對學生問題處理中的對稱性思維意識進行培養，通過多種習題的演練以后，教師可以嘗試組織學生就問題當中的對稱性展開分類.提高學生對于對稱性方法應用的靈活性與針對性，這樣不僅能夠對學生的思維能力進行有效的提升，還能強化其問題分析及解決能力，使學生對物理知識的學習產生更為濃厚的興趣.

例如 在面對碰撞問題時，如在一個杯口處，以某一初速度將小球向直徑方向水平拋出，小球在達到杯底之前與杯壁的碰撞次數為n，且達到杯底時，其所處位置與拋出位置處在一個豎直直線上，而該杯子高是h，直徑是d，壁面光滑，那么施加在小球上的初速度為？針對該問題，可以通過對稱性方法進行處理，因為杯壁處于光滑狀態，且碰撞主要為彈性碰撞，由此可以確定在每次碰撞以后，小球均會以杯壁為基點，應用對稱的初速度完成拋體運動，所以整個運動過程都可以視為是一個平拋運動，借此可以通過平拋運動規律完成解題.高中物理學習中，類似小球和物體彈性碰撞出現原速率反彈的情況較為常見，若應用常規思維解題，問題不僅涉及碰撞之前的平拋運動，還涉及后續的斜坡運動，但這種解題思路會讓問題變得相對復雜.而通過碰撞前后方向以及速度和接觸面法線形成的對稱性，可以將反彈后的運動看作是對原運動進行鏡面反射，將原運動或者是反彈以后的運動對稱折疊，即可將原來復雜的問題簡單化，從而很快將問題解決.

2.4 應用物理規律的對稱性對新規律加以把握

我們知道，物理規律能夠對物理概念間的客觀聯系進行有效的反映，如定則、原理以及定律等，其是高中物理不可或缺的一部分，但因為高中階段的物理知識本身較為繁瑣和復雜，較為抽象的物理過程使得學生無法實現物理規律的有效應用，甚至容易讓學生產生畏難心理.但物理規律之間實際也是具有對稱性的，例如，能量守恒定律和電荷守恒定律之間，兩者在內容表述方面就具有一定的對稱性.所以完全可以通過這種對稱性，完成知識遷移，在幫助學生對各規律異同加以了解的同時，使其能夠更為深入地理解各項物理規律，并提高物理規律的應用能力.

例如 物理規律圖象，此類內容在高中物理當中十分常見，通常需要應用圖象法在物理實驗中完成數據處理工作，且是較為重要的考點之一，但高中物理中的圖象種類繁多，對于見過的圖象，學生還具備一定的處理能力，但對于新的圖象，其往往會表現得無所適從.而逐個進行圖象的學習與記憶，無疑會產生較大的工作量，難以保證學習效果.對此，教師可以引導學生對物理規律圖象之間的對稱性進行發掘，通過類比分析掌握其中的對稱性，以此來完成知識遷移，達到掌握通法，提高教學效率的目的.

3 結語

綜上所述，在高中物理教學當中合理應用對稱性方法，能夠推動學生學習思維的有效創新，并提高其思維能力與學習能力，這對于物理教學質量的提升有著非常重要的意義，因此教師應該對這種方法保持重視，在深入研究的同時進行合理的應用，使其能夠在教學實踐當中發揮更大的作用.

參考文獻：

［1］王冠軍.高中物理力學問題中對稱性的應用研究［J］.中學物理教學參考，2020，49（12）：36.

［2］司潤明.“對稱性”在中學物理力學問題求解中的應用［J］.中學生數理化（教與學），2019（12）：95.

［3］趙剛.以對稱性為中心的高中物理力學問題的探析［J］.數理化解題研究（高中版），2015（09）：39.

［4］張麗春.高中物理力學問題中“對稱性”的效用探討［J］.高考，2018（33）：218.

［5］丁小春.應用對稱性分析高中物理力學問題［J］.考試周刊，2017（86）：159.

［6］陳卓涵.對稱性在高中物理力學問題中的應用［J］.知音勵志，2016（20）：75.

［7］孫小剛.高中物理力學問題中對稱性的應用研究［J］.中學物理教學參考，2020，49（06）：40-41.