透視高一物理“難學(xué)”現(xiàn)象*
——以“運動的描述”教學(xué)為例

在普通大眾心目中，對高中物理學(xué)習(xí)形成了一些“偏見”。例如物理學(xué)得好的學(xué)生數(shù)學(xué)一定學(xué)得好，但數(shù)學(xué)好的物理不一定好。高中物理是最難學(xué)的一門課，物理學(xué)習(xí)男生要好于女生，學(xué)物理對智力水平要求高，等等。現(xiàn)行人教版教材把“運動學(xué)”放到高中物理的最前面，意圖或許是為了降低學(xué)習(xí)的難度，讓高一學(xué)生更好地適應(yīng)高中物理的學(xué)習(xí)，但“難學(xué)”的問題依然十分嚴(yán)重。筆者以為，我們應(yīng)當(dāng)從一線教學(xué)實踐出發(fā)分析物理“難學(xué)”的原因，進(jìn)而找到對應(yīng)的解決辦法。

在筆者看來，高中物理的學(xué)習(xí)對學(xué)生來說是有很大的挑戰(zhàn)的，學(xué)習(xí)難度不可避免地客觀存在。從客觀上來說主要因素有，初、高中學(xué)習(xí)內(nèi)容跨度大，高中對學(xué)生的學(xué)習(xí)要求明顯提高，對學(xué)生的建模能力、理解能力、分析能力、解決實際問題的能力要求與初中相比顯著提高。從主觀上來說也有高中要分科，部分學(xué)生缺少學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生過早地放棄物理學(xué)習(xí)等原因。由此梳理造成困難的內(nèi)在原因，依據(jù)學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律及認(rèn)知規(guī)律，采取科學(xué)的應(yīng)對策略可以有效降低學(xué)習(xí)的難度，提振學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，從而改變學(xué)生對物理學(xué)科學(xué)習(xí)的態(tài)度，讓更多的學(xué)生樹立“盡管物理有難度但我仍然喜歡，我會自覺地努力學(xué)習(xí)物理”的觀念。以下結(jié)合物理必修一第一章“運動的描述”做具體剖析。

一、物理思想方法的變化帶來的困難

1.更高的要求。

初中學(xué)習(xí)中已經(jīng)涉及的不少物理思想方法，到高中階段有了更高的要求，使得部分學(xué)生覺得難以掌握。我們以“理想模型”為例。將具體復(fù)雜問題簡單化，摒棄次要條件，抓住主要因素，對實際問題進(jìn)行理想化處理，構(gòu)建理想化的物理模型，這是一種重要的物理思想。初中階段的“光線”，就是一種理想模型。高中階段對理想模型要求更高，對理想模型有了抽象表達(dá)，這種表達(dá)對學(xué)生極具挑戰(zhàn)性。在建立起理想模型的基礎(chǔ)上，有時為了更加形象地描述所要研究的物理現(xiàn)象、物理問題，還需要引入一些虛擬的內(nèi)容，借此來形象、直觀地表述物理情景。什么是次要條件、主要因素？對實際問題為什么能進(jìn)行理想化處理？這些對高一學(xué)生來說都是極具難度的。

高中生最先遇到的物理理想模型是“質(zhì)點”。學(xué)生對簡單具體的問題還可以進(jìn)行正確的判斷，但對于諸如“平動的汽車能否看成質(zhì)點”等與實際結(jié)合的問題或間接表達(dá)的問題，學(xué)生卻難以把握。為幫助學(xué)生克服這一難點，教師一方面要對比初、高中階段對同一思想方法的不同要求，另一方面則要將學(xué)術(shù)表達(dá)轉(zhuǎn)化為易于學(xué)生理解的表達(dá)，要引導(dǎo)學(xué)生從概念的定義和法則出發(fā)，去進(jìn)行具體問題的具體分析。

2.更新的方法。

相較于初中物理，高中階段的物理增加了不少新的思想方法，重點有“微元法”和“極限思想”等。

“微元法”是指在處理問題時，從對事物的極小部分（微元）分析入手，達(dá)到解決事物整體目的的方法。它在解決物理學(xué)問題時很常用，思想就是“化整為零”，先分析“微元”，再通過“微元”分析整體。把變化的物理量通過無限細(xì)分后，轉(zhuǎn)化為便于計算的恒量，從而解決問題。

“極限思想”是微積分的基本思想，數(shù)學(xué)分析中的一系列重要概念，如函數(shù)的連續(xù)性、導(dǎo)數(shù)以及定積分，等等，都是借助于極限來定義的。極限思想本是高等數(shù)學(xué)中的知識，在高中階段不可能也不需要把具體知識體系教給學(xué)生，但作為思想方法，它的重要性反而更高。雖然對問題的分析都是定性的，卻反映了思維的質(zhì)量和深度。在處理勻變速直線運動的位移、瞬時速度、變力做功等問題時都會涉及。

以“瞬時速度”學(xué)習(xí)為例，在測量瞬時速度時采取的策略是：用平均速度來代替瞬時速度，選擇研究點的前后相鄰點間的距離作為位移，時間則通過打點計時器來測量，前后相鄰點離研究點越近則平均速度越接近研究點的瞬時速度。筆者課后在與學(xué)生交流時多數(shù)學(xué)生表示：“由于計算平均速度研究的是過程，對應(yīng)的是時間，瞬時速度對應(yīng)的是時刻，心里總覺得平均速度跟瞬時速度總歸有一點差異，我只能當(dāng)作結(jié)論來記住了?！庇纱丝磥韺W(xué)生還是沒有真正接受與理解這樣的實驗做法。為更好地幫助學(xué)生掌握瞬時速度的概念，教學(xué)時可以通過對一個具體問題進(jìn)行深入研究，如對紙帶上某點瞬時速度測量，以此點為基點，從較大的相鄰兩點間距離開始，逐步減小兩點間的距離，通過測量、計算，把得到的速度和通過其他方法得到的瞬時速度進(jìn)行比對，通過增強(qiáng)事實的直觀性提升說服力，強(qiáng)化學(xué)生對概念的認(rèn)可度，也使得學(xué)生更加理解相關(guān)思想方法。

二、從經(jīng)驗思維走向科學(xué)思維帶來的困難

1.生活經(jīng)驗及初中思維習(xí)慣帶來的影響。

生活經(jīng)驗對學(xué)習(xí)有時具有負(fù)面的影響，例如亞里士多德關(guān)于重量和運動關(guān)系的描述來源于生活觀察，但它是不科學(xué)的，并且影響了人類兩千多年，直到伽利略出現(xiàn)，他利用邏輯的力量推翻了這一錯誤認(rèn)識。由此可見，生活經(jīng)驗對人類認(rèn)識世界的影響之大。從初中到高中學(xué)生要經(jīng)歷從經(jīng)驗思維到科學(xué)思維的跨越。

2.“前概念”的影響。

初中物理的學(xué)習(xí)更多地停留在較為理想的情境，對問題的處理比較單一，思維的要求不高，再加上應(yīng)試教育在一定程度上加劇了對物理現(xiàn)象的片面認(rèn)識，形成了一些固化的經(jīng)驗認(rèn)知，即物理“前概念”。生活經(jīng)驗及初中形成的思維對學(xué)習(xí)高一物理產(chǎn)生影響的典型“前概念”有：運動快就是速度大，負(fù)的速度比正的速度小，速度由增大變?yōu)闇p小方向變了；速度由正變?yōu)樨?fù)，加速度變了；加速度為負(fù)，速度一定減??；第2秒末在時間軸上對應(yīng)的是第3秒等。為解決這一問題，對教學(xué)概念的要求要發(fā)生變化：概念的定義是簡潔的，但學(xué)生對概念內(nèi)涵的理解應(yīng)該是豐富的，對概念外延要認(rèn)知清晰；要引導(dǎo)學(xué)生不僅關(guān)注常規(guī)性現(xiàn)象，還要關(guān)注非常規(guī)性現(xiàn)象并且進(jìn)行比較，形成一個完整意義上的概念的理解。

3.高強(qiáng)度機(jī)械訓(xùn)練讓學(xué)生陷入推理慣性。

初中生更多的是憑經(jīng)驗解題，進(jìn)入高中一個階段學(xué)習(xí)強(qiáng)化后，學(xué)生又更傾向公式的邏輯推理，這也導(dǎo)致學(xué)生容易脫離生活實際去空想。這在解決相遇問題中特別明顯。因此教師要及時教會學(xué)生結(jié)合實際構(gòu)建運動情境，繪制運動過程的簡圖，描繪相關(guān)運動圖象，如v-t圖等。

曾有個典型的情境讓筆者觸動很深。在學(xué)習(xí)了“自由落體運動”后，筆者讓學(xué)生做了一道練習(xí)：甲、乙兩物體在同一地點分別從4h和h高處開始做自由落體運動，若甲的質(zhì)量是乙的4倍，則下列說法中正確的是（ ）

A.甲乙兩物體落地時速度相等；

B.落地時甲的速度是乙的兩倍；

C.甲乙兩物體同時落地；

D.甲在空中運動的時間是乙的兩倍

筆者以為此題很簡單，因而讓學(xué)生稍作思考后就進(jìn)行回答。結(jié)果一名學(xué)生居然說答案是A，理由是后經(jīng)深入交流發(fā)現(xiàn)，他沒有完全讀懂題目的意思，認(rèn)為同一地點就是同一高度，然后就直接套用公式。

為更好地解決這一不足，我們在教學(xué)時要關(guān)注學(xué)生解題的量的同時還要關(guān)注質(zhì)，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生解題過程中審題、表達(dá)、檢查等習(xí)慣的養(yǎng)成。

三、用數(shù)學(xué)解決物理問題的要求顯著提高帶來的困難

1.要求用數(shù)形結(jié)合解決問題。

在高中物理學(xué)科的數(shù)形結(jié)合部分，學(xué)生多容易混淆圖象與圖形的區(qū)別。從計算機(jī)學(xué)來說，圖形是矢量文件，由一組組數(shù)據(jù)構(gòu)成，隨著圖象的放大縮小圖形不會變形或清晰度降低。而圖象是點陣圖，由像素填充。此外，圖形是指在一個二維空間中可以用輪廓劃分出若干的空間形狀，它是空間的一部分，不具有空間的延展性，是局限的、可識別的形狀。

我們要在教學(xué)中逐漸讓學(xué)生明晰，對物理學(xué)而言，當(dāng)用精確的數(shù)學(xué)描述、表達(dá)物理概念的聯(lián)系時，物理圖象的構(gòu)建就開始了。要作出一個確定的物理圖象，需要得到相關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。在把物理量之間的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為圖象時，最重要的就是要明確公式中的哪個量是自變量，哪些是常量；關(guān)系式描述的是哪兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系，這兩個物理量就是物理圖象中的兩個坐標(biāo)軸。只有從高一開始培養(yǎng)學(xué)生這樣的意識，才能使他們順利跨越對圖形圖象的模糊認(rèn)識。

除了區(qū)分圖形與圖象，高中生在物理學(xué)習(xí)中還常對物理情境與圖象的轉(zhuǎn)化感到棘手。為此，教師有必要選取典型例題與習(xí)題，在每個單元的教學(xué)結(jié)束后有意識地進(jìn)行講解與滲透。

2.要求對數(shù)學(xué)圖象進(jìn)行物理解讀。

結(jié)合物理要求，科學(xué)認(rèn)識數(shù)學(xué)圖象的物理特定意義，能收到事半功倍的效果。為此在教學(xué)中，教師可以有針對性地向?qū)W生講解，以提升學(xué)生理解數(shù)學(xué)圖象的能力。筆者梳理出常見“點、線、面”的含義如下——

點：圖線上每一個點對應(yīng)研究對象的一個狀態(tài)。

線：表示研究對象的變化過程和規(guī)律。物理學(xué)圖象中的“斜率”（注意與數(shù)學(xué)上斜率的區(qū)別）在直線中表示橫、縱坐標(biāo)上兩物理量的比值，在曲線中表示該點橫、縱坐標(biāo)微小變化量的比值。一個物理量與“斜率”對應(yīng)，用于求解定量計算中對應(yīng)物理量的大小或定性分析變化的規(guī)律。如在線性變化圖象中，x-t圖象的“斜率”表示速度大小，v-t圖象的“斜率”表示加速度大小。

面：在物理圖象中，“面積”的意義可以分為兩大類。一類是圖線與坐標(biāo)軸所圍的“面積”，它表示相關(guān)的過程，如v-t圖象中，圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示位移；a-t圖象中，圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示速度的變化；F-t圖象中，圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示力F的沖量；I-t圖象中，圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示流過導(dǎo)體的電荷量等。另一類是圖線上某一點的坐標(biāo)與坐標(biāo)軸所圍的“面積”表示相關(guān)的狀態(tài)量，如U-I圖象中，圖線上任一點到坐標(biāo)軸的垂線與坐標(biāo)軸所圍的“面積”等于對應(yīng)狀態(tài)的電功率。

綜上，學(xué)生感到高中物理“難學(xué)”有其客觀原因，教師應(yīng)“對癥下藥”，讓學(xué)生逐漸地沖破“難學(xué)”的道道關(guān)卡，從而更好地完成高中物理的學(xué)習(xí)。