從物理學(xué)特質(zhì)看高中物理教學(xué)任務(wù)

段紅民

【摘 要】物理是一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，有其獨特的學(xué)科特質(zhì)。文章對物理學(xué)特質(zhì)、對比數(shù)學(xué)中的物理問題與物理教學(xué)中的物理問題，在高中物理教學(xué)中如何體現(xiàn)這些特質(zhì)，如何更好地完成物理的教學(xué)任務(wù)等問題進行探討，并結(jié)合高中物理教學(xué)實際，列舉了一些具體的教學(xué)構(gòu)想和操作，以期為完善高中物理教學(xué)提供有益探索。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)特質(zhì)；物理教學(xué)任務(wù)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2017）09-0012-04

在高中物理教學(xué)中，我們經(jīng)?？吹竭@樣一種局面——在新課教學(xué)中，教師急于結(jié)束新課內(nèi)容，有人提出15分鐘結(jié)束新課，剩下的時間就是應(yīng)用物理概念和規(guī)律解題；在習(xí)題課中，教師編寫了大量習(xí)題，從知識的各個方面訓(xùn)練學(xué)生解題，似乎只有這樣訓(xùn)練，學(xué)生才能應(yīng)付考試，考取高分。這與“高中物理課程應(yīng)體現(xiàn)物理學(xué)自身及其與文化、經(jīng)濟和社會互動發(fā)展的時代性要求，肩負起提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、促進學(xué)生全面發(fā)展的重任”的課程標準顯然相悖。題海式教學(xué)不是師生需要的真實世界的物理教學(xué)，如何依據(jù)物理學(xué)的特質(zhì)進行教學(xué)設(shè)計和實踐，讓學(xué)生在物理課堂中，切實體驗物理知識形成的過程，充分感受掌握物理概念和規(guī)律的樂趣，形成科學(xué)的學(xué)習(xí)方法和有效解決新問題的技能，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，才是物理教師的使命。

一、物理學(xué)的特質(zhì)概述

物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運動形式和規(guī)律，因而它成為其他自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。它的理論結(jié)構(gòu)充分運用數(shù)學(xué)作為自己的工作語言，以實驗作為檢驗理論正確性的唯一標準，它是當(dāng)今最精密的一門自然科學(xué)學(xué)科。從物理學(xué)定義和物理學(xué)發(fā)展史來看，物理學(xué)的特質(zhì)主要包含以下方面：

特質(zhì)一：物理學(xué)發(fā)展中蘊含的思辨、邏輯方法是人類文明發(fā)展的重要成果。

觀察、思辨和邏輯推演是物理學(xué)發(fā)展的基本手段。物理源于觀察，人們觀察和研究各類運動，是為了探究其中蘊藏的規(guī)律，再將其運用于生產(chǎn)實踐，以提高人類生產(chǎn)、生活水平，推動社會發(fā)展和進步。在物理學(xué)發(fā)展過程中，每個概念和規(guī)律的形成和得出都充滿了思辨和邏輯推演，其中蘊含大量的思辨素材，充滿了想象力和邏輯思維的光輝，為教學(xué)提供了豐富的資源。

特質(zhì)二：實驗是物理學(xué)發(fā)展的生命線。

物理學(xué)是建立在大量實驗事實的基礎(chǔ)上的，物理實驗的特色在于精密而定量的測量，而且在可控制和可重復(fù)的條件下進行。只有在取得大量可靠數(shù)據(jù)并總結(jié)出經(jīng)驗規(guī)律之后，才能建立融會貫通的理論體系，而理論一旦建立以后，就要針對特定的問題從理論推導(dǎo)出具體的預(yù)言，再通過進一步的實驗來證實或證偽。經(jīng)過反復(fù)印證，物理學(xué)的理論才具有較高程度的可信性。而每一個物理學(xué)實驗，從設(shè)計、論證到具體實踐驗證和探索歷程，無不體現(xiàn)了物理學(xué)家的智慧、精巧；無不浸透了他們的心血和汗水，這需要我們大力挖掘和理解，并在教學(xué)中體現(xiàn)出物理實驗的育人功能。

特質(zhì)三：數(shù)學(xué)是表達物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)的語言。

17世紀蘇格蘭數(shù)學(xué)家納皮爾為簡化運算發(fā)明了對數(shù)，大大地推動了天文學(xué)的發(fā)展，以至于伽利略贊嘆道：給我空間、時間和對數(shù)，我可以創(chuàng)造一個宇宙！由此可見，數(shù)學(xué)是物理學(xué)的語言和有力工具，概括物理現(xiàn)象、形成物理概念、整理實驗數(shù)據(jù)、進行邏輯分析、建立物理定律、利用數(shù)學(xué)圖像展示物理規(guī)律等物理學(xué)的研究和學(xué)習(xí)過程都離不開數(shù)學(xué)。

二、物理問題在高中數(shù)學(xué)和物理教材中的不同呈現(xiàn)，表明高中物理教學(xué)必須凸顯物理學(xué)學(xué)科特質(zhì)

物理作為一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，學(xué)習(xí)它絕不僅是為了應(yīng)付高考的要求，其學(xué)科特質(zhì)決定了高中物理課程必須有助于學(xué)生學(xué)習(xí)基本的物理知識與技能；體驗科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究方法；增強創(chuàng)新意識和實踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情，這是其他學(xué)科不可替代的。

翻開人教版《普通高中課程標準實驗教科書數(shù)學(xué)必修1》，發(fā)現(xiàn)例題或練習(xí)中所涉及的物理問題或模型就高達10個，題量高達20題，內(nèi)容涉及運動學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、原子物理等模塊的知識，乍一看，似乎高中物理學(xué)習(xí)已經(jīng)沒有必要，實際情況并非如此。那么，數(shù)學(xué)教材中物理問題的呈現(xiàn)與物理教學(xué)中該問題的呈現(xiàn)有何不同，又能給我們哪些啟示？下面以“豎直上拋運動”這一知識點為例來說明：“菊花”煙花是非常壯觀的煙花之一，制造時一般期望在它達到最高點時爆裂。如果煙花距地面的高度hm與時間ts之間的關(guān)系為h（t2）=-4.9t2+14.7t2+18，那么煙花沖出后什么時候是爆裂的最佳時刻？這時距地面的高度是多少（精確到1m）？

同一問題在“高中物理必修2”教材中：已知豎直上拋物體的初速度v0，試求：①物體上升最大的高度及上升到最大高度所用的時間；②物體由最高點落回原地時的速度，以及落回原地所用的時間。

通過二者對比可以發(fā)現(xiàn)：“數(shù)學(xué)中的物理問題”雖然展示了需要處理的物理問題的實際情景，但其重點不在于如何構(gòu)建處理該問題的數(shù)學(xué)模型“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”，而在于告知該模型后如何運用二次函數(shù)的知識求解當(dāng)自變量t是多少時，函數(shù)能取最大值，且最大值是多少，而要做到這一點只要將函數(shù)寫成頂點式（用配方法）即可；在“高中物必修2”中所描述的“豎直上拋”問題，卻需要學(xué)生根據(jù)實際情況， 在“s=v0 t-g t2”“h=”或“t=”等這一系列勻變速直線運動規(guī)律公式中自己尋找合適的公式來求解，至于函數(shù)中“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”中的-4.9是何含義，怎么得到的？這恰恰是數(shù)學(xué)教材中所不能解答的，或者說不需要解答的，因為學(xué)生還要學(xué)習(xí)物理課程。應(yīng)該說，數(shù)學(xué)教材所編排的這些問題讓學(xué)生開闊了視野，充分體現(xiàn)了數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)工具學(xué)科在各領(lǐng)域的強大功能，很好地體現(xiàn)了教改的理念。

所以我們應(yīng)該思考：是否在很多物理常規(guī)教學(xué)中忽視或太快結(jié)束了物理教學(xué)中最具物理特質(zhì)的部分——物理概念和物理規(guī)律的形成過程，對于其形成過程中“觀察——假想——構(gòu)建（思辨）——驗證（實驗）——應(yīng)用（適用條件）——拓展（創(chuàng)新）”只強調(diào)了其中的“應(yīng)用”環(huán)節(jié)，并通過大量練習(xí)來提高應(yīng)試成績，而忽視了最具物理美學(xué)的其他環(huán)節(jié)？利用題海戰(zhàn)術(shù)提高物理成績顯然是舍本求末，結(jié)果注定是事倍功半。所以，在教學(xué)中，精心進行教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生真正地重演物理知識的形成過程，使他們感受物理學(xué)家的思辨光輝、體驗實驗成敗的考驗及建立起科學(xué)理論的艱辛和喜悅，對于后期運用好這些概念和規(guī)律解決新問題有著事半功倍的作用。

進一步分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然數(shù)學(xué)教材中設(shè)計的物理問題、模型眾多，但它們只是一些按數(shù)學(xué)知識運用需要的零散知識的集合，彼此之間沒有邏輯關(guān)聯(lián)，更談不上形成系統(tǒng)和理論，這提醒我們在教學(xué)中必須理清高中物理課程中各模塊、各章節(jié)、各知識點之間內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)和認知秩序，并在教學(xué)中體現(xiàn)物理學(xué)科的這一特點。

三、從物理學(xué)特質(zhì)看高中物理教學(xué)任務(wù)

1. 教學(xué)要體現(xiàn)物理學(xué)思辨、邏輯的特質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)能力

物理學(xué)區(qū)別于其他任何一門自然科學(xué)的最大特點就是，所有的知識內(nèi)容都具有很明顯的邏輯發(fā)展關(guān)系，環(huán)環(huán)相扣，思維縝密。高中物理教材就充分體現(xiàn)了這一特點，這對于構(gòu)建充滿邏輯思維的課堂大有幫助。教學(xué)中，可以先行對高中物理課程中各模塊、各章節(jié)、各知識點之間內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)和認知秩序構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的學(xué)習(xí)方法和大局觀，實現(xiàn)知識的意義構(gòu)建。

例如，“高中物理必修1”（粵教版）物理，各章知識點可以構(gòu)建以下邏輯關(guān)系圖（圖1）：

通過引導(dǎo)，學(xué)生可以很快分清模塊一中各知識點的邏輯發(fā)展和層次關(guān)系，對于牛頓第二定律的核心作用也一目了然。

2. 深入開發(fā)實驗教育功能，培養(yǎng)學(xué)生處理新問題的能力

教學(xué)中，善用教材，突出實驗教學(xué)，努力創(chuàng)造能使學(xué)生體驗物理知識形成過程的環(huán)境和條件，使學(xué)生感受其中的艱辛和樂趣，學(xué)到科學(xué)的思維和處理問題的方法，得到實驗歷練。

例如，在《高中物理選修3-2》（粵教版）“感應(yīng)電流的方向”教學(xué)中，教材提供了如表1實驗探究圖表。（其中，A—F行中各實驗得出量為筆者所填）

如何從數(shù)據(jù)表格中得出正確的結(jié)論？

“感應(yīng)電流的方向”（楞次定律）的教學(xué)內(nèi)容可以說是高中物理教學(xué)中難教、難學(xué)的內(nèi)容之一，因為定律中對于“感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通量的變化”的描述十分精準，每個字都不可替代，蘊含深意，僅憑教師講解，學(xué)生是不能深刻地理解和運用好這一定律的，需要學(xué)生體驗其中的物理探究過程。此外，面對繁雜的實驗數(shù)據(jù)，如何進行科學(xué)地處理，也能極大提高學(xué)生的思辨能力，練習(xí)應(yīng)對新問題的解決思路和方法，考驗學(xué)生的意志品質(zhì)，所以我們應(yīng)知難而進。

限于篇幅，筆者只解讀實驗數(shù)據(jù)的處理過程。

首先，在得到表1中A—F行中各實驗數(shù)據(jù)后，面對大量數(shù)據(jù)，我們需要采取“確定自變量和對應(yīng)改變量之間的邏輯關(guān)系，如果自變量相同，而改變量不同則邏輯不相關(guān)，只有二者一一對應(yīng)，才是邏輯相關(guān)”的判定原則，尋找邏輯相關(guān)量。根據(jù)實驗操作，可知A、B中的數(shù)據(jù)是實驗中的兩組自變量。

第一輪的對比篩查，以A作為自變量開始。

分別用A對比C中數(shù)據(jù)，當(dāng)“原磁場磁場方向”都“向下”時，C中的“指針偏轉(zhuǎn)”出現(xiàn)了“左偏”“右偏”兩個不同的結(jié)果，顯然A與C邏輯不相關(guān)。如用A對比D中數(shù)據(jù)，當(dāng)A中左4格“原磁場磁場方向”都“向下”時，D中的“線圈中感應(yīng)電流方向（俯視）”出現(xiàn)了“逆時針”“順時針”兩個不同的結(jié)果，顯然A與D邏輯不相關(guān)。同理，可以發(fā)現(xiàn)A與E、F均為邏輯不相關(guān)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，從A的變化中不能得出相應(yīng)變化規(guī)律。

第二輪的對比篩查，以B作為自變量開始。

分別用B對比C中數(shù)據(jù)，當(dāng)“穿過線圈的磁通量變化”都“增加”時，C中的“指針偏轉(zhuǎn)”出現(xiàn)了“左偏”“右偏”兩個不同的結(jié)果，顯然B與C邏輯不相關(guān)。如用B對比D中數(shù)據(jù)，當(dāng)B中第1、2、5、6格（從左向右）“穿過線圈的磁通量變化”均為“增加”時，D中的“線圈中感應(yīng)電流方向（俯視）”對應(yīng)出現(xiàn)了“逆時針”“順時針”兩組不同的結(jié)果，顯然B與D邏輯不相關(guān)。

同理，可以發(fā)現(xiàn)B與E也為邏輯不相關(guān)。對比B、F，我們可以發(fā)現(xiàn)，二者存在邏輯關(guān)聯(lián)，故得出結(jié)論：當(dāng)原磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反；當(dāng)原磁通量減小時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同。進一步整理提煉得到楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通量的變化。

重視教材，善用教材，理解教材編寫的意圖，其實就是取得完善學(xué)生知識結(jié)構(gòu)、啟發(fā)學(xué)生思維的最佳和最簡的途徑，因為教材本身就蘊含了物理學(xué)科的特質(zhì)，有待教師去理解和開發(fā)。

3. 學(xué)會構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來表達物理情境，為學(xué)生未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)

深入挖掘物理史實，注重還原物理概念和物理規(guī)律的形成過程，讓學(xué)生體會數(shù)學(xué)對于物理學(xué)發(fā)展的強大支撐作用，從而更自覺地利用數(shù)學(xué)工具來解決物理學(xué)的新問題。

下面以人們對勻變速直線運動規(guī)律的認識過程為例說明：在對勻變速直線運動規(guī)律的教學(xué)中，不少教師都引用了——伽利略的“羊皮卷”中記錄的關(guān)于初速為零的勻變速運動的實驗數(shù)據(jù)來啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)位移與運動時間t之間的s∞t2的關(guān)系，詳見表2，（其中數(shù)據(jù)來自原始記錄），的確，如果僅作為探究習(xí)題的演練無疑是極好的素材，但事實是怎樣的？伽利略當(dāng)年為何要做這個實驗，又是怎樣做的？其實驗的最終目的又是如何？自由落體運動規(guī)律是如何得到的？

真實的情況是：在公元14世紀30年代，英國牛津大學(xué)默頓學(xué)院的W.海特斯伯里等數(shù)學(xué)家已經(jīng)通過數(shù)學(xué)推理認識到了“勻變速運動”即為“均勻加速的運動是指在相同的時間內(nèi)其速度的增量相同”的運動，得到了速度隨時間而變化的函數(shù)關(guān)系，但沒有具體提出加速度的概念。200多年后，伽利略在此基礎(chǔ)上進一步研究了自由落體運動，從而揭開了勻變速直線運動規(guī)律的神秘面紗。伽利略認識到了v-t圖像中速度圖線與時間所包圍的面積即為質(zhì)點相對應(yīng)的位移，所以他假設(shè)自由落體運動為初速為零的勻加速直線運動，首先依據(jù)面積互補理論（圖2中陰影部分面積相等），推斷了從靜止開始做勻加速運動的物體平均速度v=■（如圖2所示），接著又由Vt ∞ t和S=v · t推導(dǎo)了自由落體運動位移與時間的關(guān)系為s ∞ t2，但是由于自由落體運動下落時間太短，依據(jù)當(dāng)時的條件根本無法測量時間，于是巧妙設(shè)計了鐵球從斜面上勻加速滾下（如圖3所示）的裝置來進行驗證，他利用同一開關(guān)控制鐵球滾動和水的下流，經(jīng)過上百次的實驗，終于得到了“羊皮卷”中的數(shù)據(jù)，從而“驗證”了前面的s ∞ t2推斷。當(dāng)他不斷抬高斜面的傾角時，發(fā)現(xiàn)s ∞ t2關(guān)系依然成立，只不過時間更短了，于是他做出了自由落體運動就是一種初速度為零的勻加速直線運動的判斷，而且得到了下落與鐵球本身的重力大小無關(guān)的重要結(jié)論。

通過上述學(xué)習(xí)，學(xué)生不光可以理解和掌握物理學(xué)規(guī)律，還能充分感受到數(shù)學(xué)作為工具學(xué)科對物理學(xué)的強大支持作用，更能學(xué)會構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來處理物理實際問題，學(xué)會用精準的數(shù)學(xué)語言來表達物理問題，這對于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升非常重要。

四、教學(xué)中的幾個認識誤區(qū)

不少教師認為，在教學(xué)中花時間到體驗物理學(xué)概念、規(guī)律的形成過程的學(xué)習(xí)還不如直接學(xué)習(xí)，加強練習(xí)來得更有效，其實這和“磨刀不誤砍柴工”的道理一樣，如果學(xué)生能知其然，還能知其所以然，就能學(xué)到物理學(xué)的精髓。

鼓勵教師在實際教學(xué)中為學(xué)生創(chuàng)造物理知識的形成過程的體驗或?qū)W習(xí)，并不是僅讓他們了解或?qū)W會在當(dāng)時條件下如何研究、實驗，而是學(xué)習(xí)物理學(xué)家的思辨方法和科學(xué)精神，感受物理學(xué)家研究思想的發(fā)展歷程，以便學(xué)生形成感悟后遷移到現(xiàn)代社會中去解決新問題。

不是所有的學(xué)生都能成為物理學(xué)家或從事物理學(xué)方面的工作，物理教學(xué)的追求應(yīng)是讓孩子們感受物理學(xué)的實驗美、思辨美、實用美，體驗學(xué)習(xí)物理的樂趣，養(yǎng)成科學(xué)的學(xué)習(xí)思維和習(xí)慣，成為具有較高科學(xué)素養(yǎng)的公民。

參考文獻：

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（編輯：易繼斌）