優(yōu)化物理知能結(jié)構(gòu) 促進(jìn)工科物理教學(xué)

摘 要：通過對物理學(xué)知能結(jié)構(gòu)的剖析，闡述了物理教學(xué)為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展而需在知識(shí)的構(gòu)建和能力的培養(yǎng)方面發(fā)揮更大的作用。

關(guān)鍵詞：知能結(jié)構(gòu)；知能結(jié)構(gòu)圖；物理教學(xué)

1 知能結(jié)構(gòu)概述

據(jù)美國教育家霍爾頓的理論，物理學(xué)的任一基本內(nèi)容都可以分解為實(shí)驗(yàn)事實(shí)、物理思想、數(shù)學(xué)表述三個(gè)層面或三個(gè)坐標(biāo)，即物理學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)中包含實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、邏輯體系、數(shù)學(xué)表述、思想方法、應(yīng)用價(jià)值五種基本成分。物理學(xué)課程不僅僅要擔(dān)當(dāng)傳授知識(shí)的責(zé)任，更要為能力培養(yǎng)和非智力因素的發(fā)展提供可能。傳統(tǒng)的理論知識(shí)結(jié)構(gòu)圖已難以滿足教學(xué)和培養(yǎng)人才的需要，因此我們把物理學(xué)科結(jié)構(gòu)中的五種基本成分投影到一個(gè)平面上（如圖1所示），從而較全面的反映知識(shí)、方法、能力的相互關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)圖可稱做知識(shí)-方法-能力結(jié)構(gòu)圖，或簡稱知能結(jié)構(gòu)圖。居于結(jié)構(gòu)圖中心的核心理論在知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)上起著載體和媒介的作用，核心理論附近上、下、左、右四個(gè)鄰區(qū)同時(shí)反映該學(xué)科知識(shí)所要求的能力結(jié)構(gòu)，能力和方法的培養(yǎng)與知識(shí)傳授緊密聯(lián)系為一個(gè)有機(jī)整體，相輔相成、不可分割。

2 物理知識(shí)結(jié)構(gòu)

作為一個(gè)合理的、健全的物理知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)該包括某一物理理論的過去、發(fā)展及前沿動(dòng)態(tài)，故物理的合理知識(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)包含三個(gè)方面：物理學(xué)史知識(shí)、物理專業(yè)知識(shí)、動(dòng)態(tài)前沿知識(shí)。在這三個(gè)方面應(yīng)做到“又紅又?！?，在物理學(xué)史和動(dòng)態(tài)前沿知識(shí)方面，應(yīng)積極關(guān)注、不斷擴(kuò)展視野，做到廣博；而在專業(yè)知識(shí)方面，應(yīng)深入探求、孜孜不倦，做到精深。

2.1 物理學(xué)史知識(shí)

物理學(xué)的發(fā)展史就是人類不斷進(jìn)步的歷史，是人類文明的重要源泉。在學(xué)習(xí)物理的過程中，物理學(xué)史的意義在某些時(shí)候甚至于超過了物理知識(shí)本身。從無數(shù)科學(xué)家孜孜以求的探索過程中，不僅可以激發(fā)對物理的興趣，更可以學(xué)習(xí)物理大師們極具靈氣的思維方式、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、為真理獻(xiàn)身的精神和不畏艱險(xiǎn)的工作作風(fēng)。

2.2 物理專業(yè)知識(shí)

物理專業(yè)知識(shí)包括物理概念、模型、定律、定理、理論及相互關(guān)系、邏輯推導(dǎo)等方面。“萬丈高樓從地起”，沒有夯實(shí)物理的基礎(chǔ)理論，就談不上應(yīng)用它去解決實(shí)際問題、去培養(yǎng)和提高學(xué)生的方法和能力了。因此，它是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，但目前的教學(xué)現(xiàn)狀是“突出重點(diǎn)，不計(jì)其余”，這與時(shí)代發(fā)展對物理教學(xué)的要求不相符的。

2.3 動(dòng)態(tài)前沿知識(shí)

動(dòng)態(tài)前沿知識(shí)即物理學(xué)科的新突破、新進(jìn)展以及各種新理論、新思潮、新觀點(diǎn)及其它“熱點(diǎn)”問題。一方面它可以為專業(yè)知識(shí)提供新鮮養(yǎng)分，促進(jìn)物理知識(shí)結(jié)構(gòu)的新陳代謝；另一方面可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，甚至可以為學(xué)生今后的發(fā)展指明一條前進(jìn)的方向。邁克爾遜否定“以太”、赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波，就是非常典型的實(shí)例。

3 物理能力結(jié)構(gòu)

一個(gè)物理理論的發(fā)展和完善，通常包括以下五個(gè)階段（見圖2），因此物理理論的學(xué)習(xí)也需具備觀察分析、建立模型、數(shù)學(xué)描述和應(yīng)用實(shí)踐等方面的能力。當(dāng)然，這些能力是在系統(tǒng)的學(xué)習(xí)物理過程中逐步培養(yǎng)的，不同學(xué)科、不同專業(yè)的學(xué)生對各方面的要求也不一樣。物理教學(xué)應(yīng)該以物理理論為主線，深入挖掘主線背后蘊(yùn)涵的在培養(yǎng)學(xué)生方法和能力方面所蘊(yùn)涵的價(jià)值，突出物理理論對學(xué)生方法論的形成和能力的培養(yǎng)。

3.1 觀察分析、概括總結(jié)的能力

物理學(xué)理論來源于實(shí)踐，來源于對大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察分析，因此實(shí)驗(yàn)事實(shí)對物理學(xué)理論有極為重要的意義。一個(gè)成功的物理理論，總是眾多的科學(xué)家經(jīng)過無數(shù)次的觀察和分析之后，經(jīng)過概括總結(jié)而上升為理論體系。因此在教學(xué)過程中，對經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)的回顧和剖析；或者呈現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)同類現(xiàn)象，然后讓同學(xué)自己仔細(xì)觀察、分析，從而得出正確結(jié)論，是培養(yǎng)學(xué)生能力的一條重要途徑。

3.2 建立模型的能力

物理學(xué)研究現(xiàn)實(shí)世界的物質(zhì)性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相互作用，而現(xiàn)實(shí)和理論畢竟有差異。這就需要區(qū)分事物的主要矛盾和次要矛盾、矛盾的主要方面和次要方面，并建立起一個(gè)與實(shí)際最接近的理論模型，進(jìn)行分析和邏輯推導(dǎo)，從而從紛繁復(fù)雜的客觀世界中發(fā)現(xiàn)潛在的物理規(guī)律。

3.3 數(shù)學(xué)表述及邏輯推理的能力

物理學(xué)科由定性的科學(xué)走向量化，成為一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)、完整、系統(tǒng)的科學(xué)，數(shù)學(xué)起到了極大的作用，同時(shí)它也推動(dòng)了數(shù)學(xué)的發(fā)展。一個(gè)物理學(xué)理論，如果沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述或證明，則它是不完美的、或說是不成功的。學(xué)習(xí)物理的過程，很大一部分在學(xué)習(xí)它的數(shù)學(xué)規(guī)則和邏輯推導(dǎo)，從而提高自己的數(shù)學(xué)描述能力和邏輯推理能力。

3.4 理論應(yīng)用于實(shí)際的能力

發(fā)展理論的目的在于改造世界、指導(dǎo)實(shí)踐。所以學(xué)習(xí)了物理理論，就需要用它解釋一些物理現(xiàn)象，解決一些實(shí)際問題。理論應(yīng)用于實(shí)際，僅僅有物理知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它還需要深刻的洞察力、分析判斷的能力、實(shí)際動(dòng)手的能力。

4 知能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

掌握物理知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，將有助于我們在教學(xué)過程中有的放矢，使課堂教學(xué)不僅成為傳授知識(shí)的殿堂，而且成為培養(yǎng)能力和思維方式的重要途徑。為此在備課的環(huán)節(jié)和教學(xué)的環(huán)節(jié)，教師應(yīng)該深刻分析每一章的知能結(jié)構(gòu)圖，將章節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)利用表格或者圖表形象直觀的表示出來，從而更好的為課堂教學(xué)和人才培養(yǎng)服務(wù)。

下面我們以工科物理教學(xué)中的力學(xué)部分為例，來闡述一下知能結(jié)構(gòu)圖在物理教學(xué)中的具體應(yīng)用。

4.1 知識(shí)結(jié)構(gòu)要優(yōu)化

物理學(xué)的研究對象非常廣泛，研究的內(nèi)容也非常復(fù)雜。這就要求在教學(xué)過程中要注意總結(jié)、對比，理順各章節(jié)、各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系。譬如力學(xué)中的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁學(xué)中的電學(xué)、磁學(xué)，甚至宏觀、微觀，都可以進(jìn)行對比。物理教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生建立系統(tǒng)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，而不是零碎的知識(shí)片斷。

4.2 能力結(jié)構(gòu)要突出

（1）哲學(xué)思辯能力。

一部物理學(xué)史就是一部哲學(xué)史，在物理學(xué)中蘊(yùn)涵了豐富的哲學(xué)思想：如從實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)歸納出客觀規(guī)律的歸納法、從一般到特殊的演繹法、理想模型建立中抓住主要因素的研究方法。這些方法論是培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)與能力的好素材。在物理教學(xué)中，不能僅僅圍繞著知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)圈子、應(yīng)在教學(xué)中深入挖掘物理知識(shí)的美學(xué)意義、絕妙的物理思想和方法，既能使學(xué)生加深對物理規(guī)律的理解和掌握．又有利于他們逐步樹立辯證唯物主義的世界觀，從而達(dá)到“授人以漁、教為不教”的目的。

在講授力學(xué)中的參考系和坐標(biāo)系時(shí)，我們著力挖掘了時(shí)間和空間的絕對性與相對性的問題；在分析相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，突出了運(yùn)動(dòng)的絕對性和相對性。這對于學(xué)生唯物主義世界觀的建立有重要的作用。

（2）數(shù)學(xué)運(yùn)用能力。

物理學(xué)是一門定量的學(xué)科。物理學(xué)的魅力，在于用極其簡潔的數(shù)學(xué)公式描述了紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界。牛頓運(yùn)動(dòng)定律、麥克斯韋方程組，這樣兩組簡練的方程，就概括了復(fù)雜的力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律，這是一種簡潔美。而物理學(xué)又是一們非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)、有著非常鮮明的邏輯性，這和復(fù)雜的客觀世界相映成趣。

（3）觀察分析和建模能力。

物理學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，物理學(xué)理論的發(fā)展來自于實(shí)驗(yàn)的不斷推動(dòng)，同時(shí)物理理論的發(fā)展也為一些新實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行指明了方向和道路。

在力學(xué)的發(fā)展中，有一些非常有趣而且意義重大的實(shí)驗(yàn)，諸如比薩斜塔的實(shí)驗(yàn)、馬德堡半球?qū)嶒?yàn)、伽利略理想斜面的實(shí)驗(yàn)、牛頓的蘋果落地實(shí)驗(yàn)、卡文迪許的扭稱實(shí)驗(yàn)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)理論體系就是建筑在這樣一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，對這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的回顧與反思，促使了學(xué)生對物理理論的掌握，也培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、開闊了視野。（4）應(yīng)用與延伸。

理論來自于實(shí)踐，而最終用于指導(dǎo)實(shí)踐。物理學(xué)的理論——?dú)w根結(jié)底，是用來指導(dǎo)我們改造物質(zhì)世界，改善我們的生產(chǎn)和生活。在物理理論教學(xué)中，一定要突出理論在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力。

力學(xué)是古老的學(xué)科，與實(shí)際生活聯(lián)系非常緊密。工程技術(shù)中的機(jī)械設(shè)計(jì)制造、建筑工程設(shè)計(jì)等，都用到了大量的力學(xué)原理，如滑輪、杠桿的大量使用。而引力理論、動(dòng)量和能量守恒定律，對于太陽系中行星的發(fā)現(xiàn)、航空航天技術(shù)的發(fā)展的指導(dǎo)，都堪稱物理學(xué)應(yīng)用的典范。

5 知能結(jié)構(gòu)要完善

社會(huì)的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，對現(xiàn)代的人才知能結(jié)構(gòu)提出了越來越高的要求。而物理學(xué)也從昔日一馬當(dāng)先的領(lǐng)頭學(xué)科，轉(zhuǎn)向到逐步與其他學(xué)科交叉融合。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，與時(shí)俱進(jìn)，昔日的物理教學(xué)也必然要做出更深層次的改革。一方面，可以通過更新教學(xué)內(nèi)容、采用先進(jìn)的教學(xué)方式；而更重要的，物理教學(xué)應(yīng)該擔(dān)負(fù)起在培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)和能力方面的更多責(zé)任。在幫助學(xué)生樹立正確的自然觀、科學(xué)觀和世界觀、掌握有效的思維方法和研究方法，改善和優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)創(chuàng)造性等方面物理學(xué)都應(yīng)該發(fā)揮起重要作用。

物理學(xué)科知能結(jié)構(gòu)的提出，也是為了適應(yīng)新時(shí)代對人才的要求和物理教學(xué)本身的需要。通過知能結(jié)構(gòu)圖，使得教師在備課和教學(xué)時(shí)不再以理論知識(shí)為中心，而更注重挖掘理論背后的深層內(nèi)涵，注重對學(xué)生科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法和科學(xué)能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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