由一道美國高中物理習(xí)題而引起的思考

摘 要：對照新課程標(biāo)準(zhǔn)，對一份留美中學(xué)生的高中物理作業(yè)和解答提出幾點(diǎn)思考。

關(guān)鍵詞：物理作業(yè)；慣性質(zhì)量；引力質(zhì)量

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2007)5(S)-0035-2

對質(zhì)量概念，中學(xué)物理教材中通過樸素的質(zhì)量概念、靜質(zhì)量概念、慣性質(zhì)量概念、引力質(zhì)量概念由淺入深、由表及里、層層推進(jìn)敘述，既符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，又符合質(zhì)量概念的發(fā)展歷程。物體的質(zhì)量表征著兩種不同的性質(zhì)，牛頓運(yùn)動定律中的質(zhì)量為慣性質(zhì)量，它反映了物體具有保持其原來運(yùn)動狀態(tài)不變的屬性即慣性，慣性質(zhì)量是物體慣性大小的量度。萬有引力定律中的質(zhì)量即引力質(zhì)量，反映了物體吸引其他物體的能力。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量這對概念，對一般的中國中學(xué)生而言，是一對高不可攀的概念，但在美國卻進(jìn)入一般中學(xué)生的作業(yè)，筆者不久前看到一本由留美中學(xué)生鞏昂著的《美國高中作業(yè)理科綜合卷》就有一題有關(guān)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的作業(yè)，現(xiàn)摘錄如下：

課題：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量(以下為筆者編譯)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯繎T性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)步驟：首先，通過八個已知質(zhì)量為m的金屬圓筒的振動周期T，描繪出T²-m定標(biāo)曲線，然后分別測出掛在空中的和沒有掛在空中的金屬圓筒的振動周期，對照T²-m定標(biāo)曲線找到對應(yīng)的慣性質(zhì)量，再與它們的引力質(zhì)量比較。

作者的解答：

（1）預(yù)期質(zhì)量大的物體周期長，因?yàn)?，質(zhì)量越大的物體通過相同距離時需要時間越長，因此，通過每一個全振動的時間即周期越長；

（2）通過八個已知質(zhì)量的砝碼的振動周期T，描繪出T²-m曲線，(利用慣性秤)測出石頭(代替金屬圓筒)的振動周期，然后，用描繪的T²-m曲線找到其對應(yīng)的慣性質(zhì)量(實(shí)驗(yàn)測量過程略)；

（3）理論上，石頭的引力質(zhì)量應(yīng)該等于其慣性質(zhì)量，因?yàn)?，兩者僅相差10¹⁰分之一；

（4）引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是相等的，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩者是不相等的，可能是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中存在誤差；

（5）既然慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量幾乎是相等的(兩者只相差10¹⁰分之一)，那么，它們應(yīng)該有相同的單位(當(dāng)然，它們可能形式不同，但只要換算正確亦可)。

（6）慣性質(zhì)量不依賴引力，而引力質(zhì)量依賴于引力，因此，在月球上的引力質(zhì)量比在地球上的引力質(zhì)量小，然而在月球上和在地球上的慣性質(zhì)量是相等的。

這是一份來自美國明尼蘇達(dá)州公立學(xué)校依頓派瑞高中的物理作業(yè)和留美中學(xué)生鞏昂的解答。

天平稱量質(zhì)量是基于萬有引力定律，通過比較重力求得質(zhì)量值，測出的是引力質(zhì)量。該方法在中學(xué)比較常見，這里不贅敘述。而測量慣性質(zhì)量有多種方法，但最常用的是用慣性秤測量，慣性秤稱量質(zhì)量是基于牛頓第二定律，是通過測量周期求得質(zhì)量值。慣性秤結(jié)構(gòu)如圖1。

實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)慣性秤的懸臂在水平方向作微小振動時，其振動周期T由下式?jīng)Q定：

式中m0為振動體空載時的等效質(zhì)量，mi為在秤臺上插入的附加質(zhì)量塊的質(zhì)量，k為懸臂振動體的倔強(qiáng)系數(shù)。將(1)式兩側(cè)平方，改寫成上式表明，慣性秤水平振動周期T的平方和附加質(zhì)量成線性關(guān)系。當(dāng)測出各已知附加質(zhì)量所對應(yīng)的周期值，作出直線圖，就是該慣性秤的定標(biāo)線(如圖2所示)。如需測量某物體的慣性質(zhì)量時，可將其置于慣性秤的秤臺上，測出周期，這樣就可從定標(biāo)線上查出對應(yīng)的質(zhì)量，即為被測物體的慣性質(zhì)量。

下面談?wù)勎覍@份作業(yè)和解答的幾點(diǎn)思考：

（1）多年來，在應(yīng)試教育思想觀念影響下建立起來的習(xí)題教學(xué)模式使學(xué)生知識面狹窄。單純應(yīng)試的需要使物理習(xí)題教學(xué)被囿于課本、《教學(xué)大綱》和《考試說明》等范圍內(nèi)，對知識的掌握僅限于考試“夠用”的程度，做習(xí)題就是為了對付試卷中可能出現(xiàn)的題目，不考的內(nèi)容絕不作要求，更談不上培養(yǎng)查閱、引用和使用相關(guān)的專業(yè)文獻(xiàn)資料等能力了。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量這一對概念在我國的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中沒有要求，甚至在全國中學(xué)生物理競賽大綱中也沒有要求，對慣性質(zhì)量的測量只有在大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)才開設(shè)，由此說明美國高中學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識范圍要比我國廣得多。不久前，從華師大二附中校園網(wǎng)上獲悉，北大在華師大二附中自主招生時就考到了慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的比較，由此也可看出，著名高校非常歡迎知識面廣的學(xué)生。因此，我們中學(xué)物理教師在布置作業(yè)時不應(yīng)局限于考試大綱，可以出一些能拓寬學(xué)生知識面的作業(yè)。這同時也對我們中學(xué)物理教師提出了較高要求。

（2）由于受應(yīng)試教育的影響，習(xí)題教學(xué)是學(xué)生過重課業(yè)負(fù)擔(dān)的主要根源，物理習(xí)題經(jīng)常脫離客觀實(shí)際，愈來愈被“做”成脫離或大半脫離實(shí)際的“純物理”問題，語言、事例抽象，不注意在習(xí)題中創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)問題的情境，也不注重讓學(xué)生用周圍的實(shí)際事物去思考。翻閱鞏昂所著的這本《美國高中作業(yè)理科綜合卷》，我們可以清楚的看到，每份作業(yè)都給出做這份作業(yè)的目的，都給出實(shí)際的物理情景，可操作性很強(qiáng)?，F(xiàn)在各地正在實(shí)施或即將實(shí)施新課程，但仍然有不少學(xué)校繼續(xù)在搞題海戰(zhàn)，學(xué)生不明確做該題的目的，片面認(rèn)為只要能做出結(jié)果就算完成任務(wù)。當(dāng)前新課程標(biāo)準(zhǔn)下提出三維教學(xué)目標(biāo)，作為一名一線物理教師，我們應(yīng)盡量在給學(xué)生布置作業(yè)時，明確做該題的目的，那怕是某一維目標(biāo)中某個具體知識點(diǎn)的目標(biāo)。這樣既能使學(xué)生有的放矢，又能避免大量重復(fù)做習(xí)題，讓學(xué)生感受真實(shí)的物理情景，提高學(xué)習(xí)物理的興趣。

（3）在我國傳統(tǒng)物理教學(xué)中給學(xué)生布置作業(yè)大多是習(xí)題，必修的實(shí)驗(yàn)一般在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里完成，學(xué)生在課后以實(shí)驗(yàn)為作業(yè)的很少，即使布置實(shí)驗(yàn)作業(yè)，也多是書面實(shí)驗(yàn)習(xí)題，即使沒有做過實(shí)驗(yàn)，只要能理解物理實(shí)驗(yàn)原理，也同樣能做出實(shí)驗(yàn)習(xí)題。而在這本《美國高中作業(yè)理科綜合卷》中，所附作業(yè)很多都跟實(shí)驗(yàn)有關(guān)，并且是必須動手做的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中包括了實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等，這對于促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力有很大幫助。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)中各個模塊都安排了物理實(shí)驗(yàn)。我國的物理教師是不是可以考慮在布置作業(yè)時給學(xué)生幾個實(shí)踐性作業(yè)?讓學(xué)生在一定的時間內(nèi)完成？這樣做既可以增強(qiáng)學(xué)生動手能力，又為今后學(xué)生培養(yǎng)自主創(chuàng)新的能力打下基礎(chǔ)。

（4）傳統(tǒng)的物理作業(yè)過分重視定量結(jié)果，輕視定性分析在物理問題解決中的作用，忽視對物理過程的描述、事物內(nèi)在聯(lián)系的分析和論證、說理、建立模型等能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生的發(fā)散思維和直覺思維能力培養(yǎng)受到抑制。該書中所附作者的作業(yè)解答，沒有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)運(yùn)算和推理，僅定性給出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和作者本人對結(jié)果的評價。因此，我們可以多布置些定性或半定量的討論思考作業(yè)，讓學(xué)生的發(fā)散思維和直覺思維能力得到充分發(fā)揮。

（5）在傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)中，題后都會給出標(biāo)準(zhǔn)答案或參考答案，這對檢測學(xué)生學(xué)習(xí)效果起到積極作用，但有時難免會束縛學(xué)生的思維，會忽視創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，很少用實(shí)驗(yàn)、估算等簡便、實(shí)用的特殊方法尋求解題條件或直接求解的能力。從這本書后所附作者解答可以看出，學(xué)生之間的解答一定存在差異，并都有自己的觀點(diǎn)。因此，我們可以布置些沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的作業(yè)，這些作業(yè)具有開放性，讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力，同時又能顯示出學(xué)生的個性。

（6）傳統(tǒng)的習(xí)題教學(xué)難以培養(yǎng)學(xué)生對物理學(xué)的情感、態(tài)度和價值觀。浩瀚的題海、枯燥重復(fù)的題型，無法喚起學(xué)生對物理學(xué)美的認(rèn)識，難以培養(yǎng)起學(xué)生的解決問題的能力，更談不上發(fā)展創(chuàng)

新意識和創(chuàng)新能力了，這和我們當(dāng)前素質(zhì)教育的要求是相悖的。該份作業(yè)通過測量不同物體的周期，再對照T²-m定標(biāo)曲線，找到不同物體的慣性質(zhì)量，再測出它們的引力質(zhì)量，然后去探究慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的關(guān)系，通過動手實(shí)驗(yàn)比較了一對抽象的概念，在探究過程中體驗(yàn)理論和實(shí)際存在的差異，在體驗(yàn)中獲得了對物理學(xué)的情感。

作業(yè)作為教與學(xué)的紐帶，它是學(xué)生學(xué)習(xí)知識、發(fā)展思維、培養(yǎng)能力的最經(jīng)常性的一項(xiàng)實(shí)踐活動，是學(xué)生在親身實(shí)踐中鞏固知識、深化知識、形成技能的重要環(huán)節(jié)，是教師用來檢查、了解教學(xué)效果的重要手段和方式，是駕馭和調(diào)控教學(xué)活動的一種重要途徑，是課堂教學(xué)的延伸，是師生交流信息的一個重要窗口。因而，關(guān)注和研究作業(yè)問題，成為關(guān)注和研究學(xué)生學(xué)習(xí)活動的一個很重要的切入點(diǎn)，也是我們研究學(xué)習(xí)實(shí)效性的一個視角。但是，現(xiàn)在的高中生，課余時間幾乎全被作業(yè)所占據(jù)，試問：有幾位學(xué)生在自愿地、愉快地去完成作業(yè)呢?作為一名一線物理教師，我們能否從教學(xué)環(huán)節(jié)入手去研究傳統(tǒng)的作業(yè)在形式、內(nèi)容、數(shù)量的設(shè)計(jì)方面，以及在批改、反饋方面存在哪些問題?該書得到中國教育學(xué)會會長顧明遠(yuǎn)教授的推崇。雖然，美國的國情和我國的國情相差甚遠(yuǎn)，但在中學(xué)生素質(zhì)教育方面有其成功之處，這份作業(yè)值得我們中學(xué)物理教師借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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［2］鞏昂著．美國高中作業(yè)理科綜合卷［M］．北京：中國盲文出版社．2005年9月

［3］教育部教學(xué)儀器研究所主編．《高中物理學(xué)生實(shí)驗(yàn)》［M］．人民教育出版社．2006年

［4］物理課程標(biāo)準(zhǔn)研制組．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))解讀［M］．武漢：湖北教育出版社．2004年4月

［5］許偉強(qiáng)．新課程標(biāo)準(zhǔn)下物理作業(yè)設(shè)計(jì)的嘗試．教學(xué)月刊中學(xué)版［J］．2005年第7期上

（欄目編輯羅琬華）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。