物理觀(guān)念形成的教學(xué)規(guī)律性探尋

李鴻彬

摘 要：物理觀(guān)念是高中物理核心素養(yǎng)的重要方面，通過(guò)教學(xué)幫助學(xué)生形成正確的物理觀(guān)念是物理教學(xué)超越于知識(shí)、方法目標(biāo)的更為重要的教學(xué)目標(biāo)。本文以《追尋守恒量——能量》一節(jié)為例，設(shè)計(jì)了守恒觀(guān)念教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，研究了形成物理觀(guān)念的教學(xué)規(guī)律性，即：“鋪墊—建立—鞏固—發(fā)展—強(qiáng)化—反思”。

關(guān)鍵詞：觀(guān)念形成；教學(xué)規(guī)律；研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）9-0077-4

1 教學(xué)目標(biāo)分析

“觀(guān)念”是人們對(duì)事情的主觀(guān)與客觀(guān)認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)化之集合體，人們會(huì)根據(jù)自身形成的觀(guān)念進(jìn)行各種活動(dòng)?！拔锢碛^(guān)念”是高中物理核心素養(yǎng)的重要方面，新課程標(biāo)準(zhǔn)提出：“物理觀(guān)念”主要包括物質(zhì)觀(guān)念、運(yùn)動(dòng)觀(guān)念、相互作用觀(guān)念、能量觀(guān)念及其應(yīng)用等要素。其實(shí)，物理觀(guān)念還有超越這幾方面的內(nèi)容，它們是在這些內(nèi)容之上的進(jìn)一步提煉與升華，像守恒觀(guān)念、對(duì)稱(chēng)觀(guān)念等。

《追尋守恒量——能量》是人教版高中物理課本必修二第七章《機(jī)械能守恒定律》的開(kāi)篇內(nèi)容，章眉處給了德國(guó)物理學(xué)家勞厄的一段話(huà)：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。因?yàn)檫@樣的規(guī)律的最簡(jiǎn)單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對(duì)于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向”。

本節(jié)內(nèi)容不多，主要是圍繞追尋“什么東西守恒”而形成了“能量”概念，它不僅有清晰的知識(shí)目標(biāo)、方法目標(biāo)，還有重要的觀(guān)念養(yǎng)成目標(biāo)。守恒關(guān)系應(yīng)是自然界客觀(guān)存在的一種重要關(guān)系，通過(guò)本節(jié)教學(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的守恒觀(guān)念，并要求學(xué)生能用它去解決實(shí)際問(wèn)題，甚至描述自然界的圖景和人類(lèi)社會(huì)的圖景。應(yīng)該說(shuō)，這一目標(biāo)比知識(shí)、方法目標(biāo)更為重要。鑒于觀(guān)念具有的主觀(guān)性、實(shí)踐性、歷史性、發(fā)展性等特點(diǎn)，形成物理觀(guān)念的教學(xué)也應(yīng)有其相應(yīng)的規(guī)律。

2 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

視頻導(dǎo)入新課；接著分析水流問(wèn)題，對(duì)理解守恒觀(guān)念進(jìn)行鋪墊；再依次對(duì)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)、單擺實(shí)驗(yàn)、彈簧振子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀(guān)察與分析，讓學(xué)生建立和鞏固動(dòng)能與重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能之間轉(zhuǎn)化時(shí)總量守恒的觀(guān)念；再分析焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)出電能與內(nèi)能間轉(zhuǎn)化時(shí)總量也守恒，發(fā)展學(xué)生的守恒觀(guān)念；再分析中微子發(fā)現(xiàn)事例，強(qiáng)化學(xué)生的守恒觀(guān)念并說(shuō)明守恒觀(guān)念是物理研究的思想方法；最后再分析對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)，對(duì)建立的守恒觀(guān)念進(jìn)行反思?；谟^(guān)念的諸多特點(diǎn)，通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)引、設(shè)置鋪墊、觀(guān)察分析實(shí)驗(yàn)與事例，讓學(xué)生建立、發(fā)展、應(yīng)用守恒的觀(guān)念，并對(duì)建立的觀(guān)念進(jìn)行反思，有效地形成物理觀(guān)念，達(dá)成設(shè)定教學(xué)目標(biāo)。

3 教學(xué)過(guò)程實(shí)施

3.1 新課導(dǎo)入

播放中央電視臺(tái)“2011年感動(dòng)中國(guó)”頒獎(jiǎng)典禮開(kāi)場(chǎng)片段，通過(guò)人文素材導(dǎo)引新課，說(shuō)明追求變化之中不變的觀(guān)念之普適性。

主持人敬一丹：“觀(guān)眾朋友，這里是感動(dòng)中國(guó)，讓我們一起走進(jìn)感動(dòng)中國(guó)2010年度人物評(píng)選頒獎(jiǎng)盛典”。

主持人白巖松：“還是這個(gè)季節(jié)，還是這個(gè)時(shí)間，還是對(duì)溫暖的渴望，還是您期待的目光，在這個(gè)極具變化的時(shí)代里，總要有一些不變的東西，讓我們向前走的時(shí)候，會(huì)更踏實(shí)，接下來(lái)我們就再度與感動(dòng)相逢……”

師：在這極具變化的時(shí)代，文化工作者在努力尋找一種不變的東西，這是感動(dòng)我們的一些人和事，這是我們社會(huì)所要弘揚(yáng)的價(jià)值理念。科學(xué)工作者，面對(duì)不斷變化的物質(zhì)世界，他們也要努力尋找不變的東西，尋找變化之中的不變量，這就是本節(jié)課要研究的主題。

3.2 新課內(nèi)容

3.2.1 理解守恒觀(guān)念的鋪墊引導(dǎo)——水流問(wèn)題

問(wèn)題：如圖1，開(kāi)口朝下的水龍頭口較小時(shí)，會(huì)形成一條連續(xù)的水柱。水沿豎直方向流下，仔細(xì)觀(guān)察會(huì)發(fā)現(xiàn)水柱的直徑是不斷減小的?，F(xiàn)測(cè)得水在出口處的速度大小為1 m/s，出口處水柱的直徑為1 cm，出水口離接水盆距離為75 cm。求水流柱在落至接水盆前瞬間的直徑大小。（g=10 m/s2）

學(xué)生思考分析：由于這一段水柱的體積不變，因此在液柱的上下各取一個(gè)截面，在相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)這兩個(gè)截面的水的體積一定相等，否則這一段水柱的體積將會(huì)發(fā)生變化。

師：很好！本題體現(xiàn)連續(xù)流體的質(zhì)量守恒或體積守恒，需用守恒的思想觀(guān)念來(lái)分析解決。

3.2.2 顯露守恒觀(guān)念的史例呈現(xiàn)——伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)

先簡(jiǎn)介伽利略生平，再演示對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)，小球從斜面上某一位置釋放，小球能滾上另一斜面某一高度，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察小球上升的高度與原高度的不同。

學(xué)生匯報(bào)觀(guān)察結(jié)果：小球上升的最高位置比釋放位置低。

教師提問(wèn)：如果沒(méi)有空氣阻力和其他阻力，小球滾上另一斜面的位置會(huì)怎樣呢？

學(xué)生討論回答：小球會(huì)滾上另一斜面等高的位置。

教師：對(duì)！伽利略也是這樣分析的，但這在實(shí)驗(yàn)室里是無(wú)法完成的，無(wú)法用實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)。

教師通過(guò)課件演示伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)情景。

教師問(wèn)：伽利略判斷的依據(jù)是什么呢？

教師答：在不考慮空氣阻力和其他阻力的情況下，伽利略已經(jīng)認(rèn)為小球有一“東西”是不變的，但他沒(méi)有進(jìn)一步給出這一不變的東西是什么，這說(shuō)明在伽利略時(shí)代，能量及其能量守恒的思想開(kāi)始有了萌芽。

3.2.3 形成守恒觀(guān)念的實(shí)踐體驗(yàn)——單擺實(shí)驗(yàn)

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：讓單擺擺球擺動(dòng)，學(xué)生觀(guān)察（如圖2）。

師問(wèn)：小球怎樣運(yùn)動(dòng)？

生答：小球在最低點(diǎn)兩側(cè)來(lái)回?cái)[動(dòng)，且左右兩側(cè)最高位置幾乎等高。

師問(wèn)：小球?yàn)槭裁催@樣運(yùn)動(dòng)？

生答：小球受重力和繩子拉力的作用，向下擺時(shí)， T和G2的合力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，G1的作用效果使小球的速度越來(lái)越大；向上擺時(shí)， T和G2的合力仍提供向心力，G1的作用效果使小球的速度越來(lái)越小，當(dāng)小球的速度減為零后再向下運(yùn)動(dòng)。

師問(wèn)：為什么小球總會(huì)擺到剛才釋放時(shí)的高度，好像總記得剛才釋放時(shí)的高度一樣呢？endprint

師分析：牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律能作出解釋?zhuān)皇俏覀儸F(xiàn)有的數(shù)學(xué)知識(shí)還不夠。那換一角度思考，這說(shuō)明小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某種“東西”是不變的，這種不變的“東西”是什么呢？這“東西”就是“能量”。

師再問(wèn)：小球在擺動(dòng)過(guò)程中，能量不變，具體能量是怎樣轉(zhuǎn)化的呢？

教師給出動(dòng)能、勢(shì)能、重力勢(shì)能等概念的定義。

生答：小球從A到O，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從O到B，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，從B到O，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從O到A，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能（如圖3）。

師總結(jié)：在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，小球的位置、高度、受力、速度、加速度、動(dòng)能、重力勢(shì)能等物理量不斷在發(fā)生變化，在這復(fù)雜變化的背景下隱含某一“東西”是不變的，尋找變化中的不變量是物理學(xué)研究的任務(wù)和方向。

3.2.4 鞏固守恒觀(guān)念的應(yīng)用訓(xùn)練——彈簧振子實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)：讓水平方向的彈簧振子振動(dòng)起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察（如圖4）。

師問(wèn)：小球在怎樣運(yùn)動(dòng)？小球?yàn)槭裁磿?huì)這樣運(yùn)動(dòng)？

生答：小球左右來(lái)回運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，左、右兩側(cè)最遠(yuǎn)位置到O點(diǎn)的距離相等。從B到O，小球受力不斷變小，做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)；從O到C，小球受力不斷變大，做加速度增大的減速運(yùn)動(dòng)；從C到O，小球受力不斷變小，做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)；從O到B，小球受力不斷增大，做加速度增大的減速運(yùn)動(dòng)。

師問(wèn)：為什么小球左、右兩側(cè)最遠(yuǎn)位置到O點(diǎn)的距離相等呢？

學(xué)生討論回答：說(shuō)明小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也有某一“東西”保持不變，它也是能量。

師：很好！這里涉及到動(dòng)能和彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。

教師給出彈性勢(shì)能的定義。

師問(wèn)：物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能和彈性勢(shì)能是如何轉(zhuǎn)化的呢？總量是否變化呢？

生討論回答：從B到O，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；從O到C，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能；從C到O，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；從O到B，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。小球在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，小球的受力、速度、加速度、偏離平衡位置的位移、動(dòng)能、彈性勢(shì)能等在不斷發(fā)生變化，但動(dòng)能和彈性勢(shì)能的總量是不變的。

3.2.5 發(fā)展守恒觀(guān)念的史例分析——焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)

簡(jiǎn)介物理學(xué)家焦耳生平，再介紹焦耳在1840至1849年間完成的多個(gè)測(cè)量熱功當(dāng)量數(shù)值實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)：

師問(wèn)：在上述實(shí)驗(yàn)中，焦耳為什么能認(rèn)為電流做的功等于電熱絲放出的熱量，即等于液體、量熱器內(nèi)筒包括攪拌器吸收的熱量呢？

生答：焦耳認(rèn)為電能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化時(shí)總量是守恒的。

師：很好！也說(shuō)明當(dāng)時(shí)焦耳已經(jīng)具有了普遍的能量守恒思想。能量概念及能量守恒定律的建立是焦耳那個(gè)時(shí)代一大批科學(xué)家研究的成果，其中焦耳提供了堅(jiān)實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.2.6 強(qiáng)化守恒觀(guān)念的事實(shí)檢驗(yàn)——中微子發(fā)現(xiàn)

呈現(xiàn)閱讀材料：中微子是基本粒子家族的成員之一，它不帶電，質(zhì)量非常輕（小于電子的百萬(wàn)分之一），以接近光速運(yùn)動(dòng)，它與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用的幾率很小，因此，人們不容易捕捉它，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)其存在十分困難。

問(wèn)題起因：在上世紀(jì)上半期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：一個(gè)中子衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子的能量加起來(lái)達(dá)不到中子的能量。如何解釋?zhuān)?/p>

當(dāng)時(shí)有兩種觀(guān)點(diǎn)，一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為：能量守恒定律不成立了，如玻爾曾一度提出，或許能量守恒定律只是在統(tǒng)計(jì)意義上成立，在這里就不成立了；另一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為：能量收支不平衡是因?yàn)橛幸粯觿e的東西，即某種粒子將一部分能量帶跑掉了，這一觀(guān)點(diǎn)是1930年德國(guó)物理學(xué)家泡利提出的，后來(lái)費(fèi)米把這種粒子命名為中微子。

學(xué)生討論總結(jié)：泡利觀(guān)點(diǎn)正確，泡利正確觀(guān)點(diǎn)的形成是基于能量守恒的觀(guān)念。

師：很好！同時(shí)也說(shuō)明能量守恒定律在微觀(guān)領(lǐng)域內(nèi)是成立的。

3.2.7 建立守恒觀(guān)念的批判反思——伽利略對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)

回頭再分析對(duì)接斜面演示實(shí)驗(yàn)。

師問(wèn)：為什么小球從斜面上某一位置釋放，在對(duì)接斜面上小球上升的位置總是比釋放位置低呢？

生答：說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下，小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它所具有的動(dòng)能與重力勢(shì)能的總量是減少的。

師總結(jié)：對(duì)！只有在理想的條件下，即不考慮摩擦和其他阻力的條件下，動(dòng)能與重力勢(shì)能的總量才是守恒的。因此，應(yīng)用守恒觀(guān)念分析解決問(wèn)題時(shí)，應(yīng)考慮某一“東西”守恒是否有前提條件？并進(jìn)一步思考要有什么樣的條件？

3.3 導(dǎo)引下節(jié)新課

師問(wèn)：上述單擺實(shí)驗(yàn)和彈簧振子實(shí)驗(yàn)，動(dòng)能和勢(shì)能在不斷地轉(zhuǎn)化，那么如何定量地研究動(dòng)能和勢(shì)能呢？動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這是我們下一節(jié)課要研究的問(wèn)題。

4 教學(xué)反思

由于本人對(duì)物理課程目標(biāo)的認(rèn)識(shí)在不斷地加深，因此當(dāng)遇到這一觀(guān)念性教育的素材時(shí)，覺(jué)得這是難得的，于是對(duì)教材進(jìn)行了適當(dāng)?shù)耐诰?，努力探尋物理觀(guān)念教學(xué)的規(guī)律性。從學(xué)生課堂反映和課后的反饋了解，本節(jié)課基本達(dá)到課前設(shè)定的目標(biāo)。但本節(jié)課的設(shè)計(jì)在追尋守恒量的必要性及可能性等方面挖掘不夠，同時(shí)設(shè)計(jì)者雖有意向去培養(yǎng)學(xué)生超越學(xué)科知識(shí)方法之上的守恒思想，但一節(jié)課的教育效果可能是有限的，須在以后的教學(xué)中不斷鞏固拓展與強(qiáng)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開(kāi)發(fā)中心.物理必修2教師教學(xué)用書(shū)[M].北京：人民教育出版社，2014：100-102.

[2]教育部.教育部關(guān)于全面深化課程改革，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)[Z].2014.

[3]任建英.談物理觀(guān)念[J].物理教學(xué)，2017（2）：49-52.

（欄目編輯 鄧 磊）endprint