基于物理觀念下的高中物理有效教學(xué)的策略研究

吳新友

摘 要：物理觀念是從物理學(xué)視角形成的對(duì)某一客觀事物的認(rèn)識(shí)和覺(jué)悟。培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念有什么意義？高中階段應(yīng)形成什么具體的物理觀念？如何在教學(xué)中滲透和培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念？

關(guān)鍵詞：物理觀念;物質(zhì)觀;運(yùn)動(dòng)與相互作用觀;能量觀;培養(yǎng)

觀念是客觀事物在人腦里留下的概括性的形象和總結(jié)。觀念還是一種思想意識(shí)，是一個(gè)人關(guān)于某一客觀事物的認(rèn)識(shí)和覺(jué)悟。物理觀念是從物理學(xué)視角形成的物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí);是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素。

一、學(xué)生形成正確的物理觀念的意義

愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“所有的物理學(xué)理論都是起源于思維與觀念，而不是公式?！钡锢砀拍畹男纬珊臀锢砉降牡贸鰠s是建立在物理學(xué)理論的基礎(chǔ)上，這一過(guò)程中物理觀念是起主導(dǎo)作用的。觀念反映了人們對(duì)客觀事物的概括性認(rèn)識(shí)和理解，它決定了人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)世界和解決實(shí)際問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)、依據(jù)和方式方法。所以，物理觀念影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的效果，并為學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展奠定了認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的基礎(chǔ)。

物理觀念中的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀及能量觀是學(xué)生認(rèn)識(shí)生活和客觀世界的視角和基礎(chǔ)，它指導(dǎo)著學(xué)生從物理學(xué)的視角了解和解釋各種自然現(xiàn)象，從物理學(xué)的思維和方法處理和解決身邊遇到的問(wèn)題。所以，科學(xué)物理觀念的培養(yǎng)是學(xué)生形成正確和豐富的世界觀、人生觀、價(jià)值觀的具體途徑和要求。

物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的之一，而且擺在第一位。物理觀念是在學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物理概念和規(guī)律，并在之后的應(yīng)用、實(shí)踐和遷移中慢慢培養(yǎng)和形成的，在此過(guò)程中也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究能力和科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任。這樣，“物理觀念成為其他物理核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的基礎(chǔ)”?？梢?jiàn)，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念是提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“本位”條件和要求。

二、高中階段需要形成什么樣的物理觀念

1.物質(zhì)觀

馬克思說(shuō)，物質(zhì)是客觀存在的。學(xué)生要形成這些觀念：質(zhì)量是物體本身的一種屬性，它不隨物體的狀態(tài)而改變。質(zhì)量是物體慣性大小的量度。整個(gè)宇宙都是由物質(zhì)組成的，物質(zhì)由分子或原子組成，原子還可以再分。目前人類(lèi)認(rèn)識(shí)到的物質(zhì)有兩類(lèi)，一類(lèi)是實(shí)物粒子，一類(lèi)是場(chǎng)，場(chǎng)是物質(zhì)存在的另一種形式，場(chǎng)具有能量，并充滿(mǎn)整個(gè)宇宙。任何有質(zhì)量的物體之間存在著相互吸引的萬(wàn)有引力。電荷既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。磁體和電流的周?chē)嬖谥艌?chǎng)，磁體或電流間的相互作用是通過(guò)磁場(chǎng)而發(fā)生的。光是種電磁場(chǎng)。質(zhì)能方程。另外，微觀世界和宏觀世界遵循不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.運(yùn)動(dòng)與相互作用觀

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反映受力情況，受力情況決定運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。學(xué)生要形成這些觀念：宇宙是由運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)組成的，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。運(yùn)動(dòng)和靜止都是相對(duì)的。一切物體總保持要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持。光在真空中的傳播速度。力是物體間的相互作用，具有物質(zhì)性、矢量性、相互性。兩個(gè)物體間的相互作用力總是等大反向、同性質(zhì)。宇宙中存在著四種基本相互作用力。力可以使物體的速度大小或方向發(fā)生變化，力是產(chǎn)生加速度的原因。

3.能量觀

能量的轉(zhuǎn)化與守恒是物理的一條主要解題思路，高中物理中涉及的力、熱、光、電、原子和原子核的各模塊知識(shí)都可以用到能量的轉(zhuǎn)化與守恒思想。學(xué)生要形成這些能量觀：功是力對(duì)位移的積累，是力在空間上的作用效果。功和能都是標(biāo)量。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，力做了多少功就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化。功能關(guān)系是由于力在空間上積累后產(chǎn)生的結(jié)果，所以既適用于恒力作用，也適用于變力作用;既適用于直線運(yùn)動(dòng)，也適用于曲線運(yùn)動(dòng)。重力做功對(duì)應(yīng)重力勢(shì)能發(fā)生改變，大小關(guān)系為;彈簧的彈力做功對(duì)應(yīng)彈性勢(shì)能發(fā)生改變，大小關(guān)系為;電場(chǎng)力所做的功對(duì)應(yīng)電勢(shì)能發(fā)生改變，大小關(guān)系為;一對(duì)相互作用的滑動(dòng)摩擦力對(duì)系統(tǒng)做功對(duì)應(yīng)內(nèi)能的增加，大小關(guān)系為;合外力對(duì)物體所做的功對(duì)應(yīng)動(dòng)能的變化，大小關(guān)系為;非重力或彈簧彈力對(duì)系統(tǒng)所做的功等于系統(tǒng)機(jī)械能的變化量，大小關(guān)系為。

4.時(shí)空觀

時(shí)空觀是關(guān)于時(shí)間和空間的根本觀點(diǎn)。學(xué)生要形成這些觀念：時(shí)間和空間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)存在的基本形式，時(shí)間、空間具有客觀性、絕對(duì)性和無(wú)限性。學(xué)生要掌握時(shí)間間隔、時(shí)刻的概念以及一維、二維、三維空間的相關(guān)描述。描述物體的運(yùn)動(dòng)必須選定參考系。

三、如何在物理教學(xué)的過(guò)程中充分地滲透物理觀念

1.在概念和物理規(guī)律教學(xué)中，形成和更新物理觀念

物理規(guī)律和概念是物理教學(xué)最基礎(chǔ)最重要的內(nèi)容，學(xué)生是否能形成正確的概念、掌握并運(yùn)用好規(guī)律，關(guān)鍵在于教師在引入、建立、形成物理概念和規(guī)律的過(guò)程的效果如何。比如，在教學(xué)中經(jīng)常會(huì)遇到“一個(gè)物體以一定的初速度沖上傾角為的斜面”這樣的情境，相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)為該物體之所以能沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)橐欢ㄓ惺艿侥硞€(gè)沿斜面向上的力的作用。學(xué)生之所以出現(xiàn)這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的主要原因是“力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這一前觀念潛在的影響。

我們?cè)凇杜ｎD第一定律》的教學(xué)中，在得出“牛頓第一定律”后，必須對(duì)牛頓第一定律的內(nèi)容進(jìn)行深入的挖掘和分析。

“一切物體”為定律的適用對(duì)象即研究對(duì)象——形成物質(zhì)觀。

“總”表示任何時(shí)候——形成時(shí)空觀。

“直到有外力”說(shuō)明前半句話物體是不受外力的，描述的是一種理想的狀態(tài)，不受外力物體要保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持——運(yùn)動(dòng)觀。

“直到有外力迫使它改變這一狀態(tài)”表明外力的效果是改變?cè)瓉?lái)保持的狀態(tài)——運(yùn)動(dòng)與相互作用觀。

2.在實(shí)際運(yùn)用中，滲透和強(qiáng)化物理觀念

比如，在學(xué)習(xí)“機(jī)械功”時(shí)，課本給出功的定義為“功是力與位移的乘積”，學(xué)生往往對(duì)公式的理解不夠深入，除了表現(xiàn)在學(xué)生經(jīng)常忽視這個(gè)公式只適用于恒力做功外，還表現(xiàn)在對(duì)功的計(jì)算式中各個(gè)物理量應(yīng)形成的物理觀念的缺陷：（1）功W是標(biāo)量，W可包含正負(fù)，（2）力F作用對(duì)象是什么，對(duì)應(yīng)的作用對(duì)象的位移s是多少，學(xué)生往往搞不清楚。這反映了學(xué)生對(duì)力的物質(zhì)性中包含的物質(zhì)觀和位移s選取以地面作為參考系的空間觀和運(yùn)動(dòng)觀的缺失。

例如，如圖所示，有一質(zhì)量為M、板長(zhǎng)為L(zhǎng)的平板車(chē)A放置在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的物塊B放在平板車(chē)的左端?，F(xiàn)施加一水平恒力F在B上，使B從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。對(duì)B，由動(dòng)能定理得，;對(duì)A，由動(dòng)能定理得，。所以，系統(tǒng)增加的機(jī)械能為。

學(xué)生在解答這道典型題時(shí)遇到的障礙一般有：（1）無(wú)法明確這個(gè)模型中存在一對(duì)相互作用的摩擦力，相互作用觀念模糊;（2）無(wú)法明確研究對(duì)象，對(duì)摩擦力f作用的對(duì)象是什么這一力的物質(zhì)觀念模糊;（3）無(wú)法確定研究對(duì)象的對(duì)地位移s是多少，對(duì)位移s的參考系的空間觀念意識(shí)不足。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)就這些物理觀念進(jìn)行補(bǔ)充和強(qiáng)化。

教師可繼續(xù)引導(dǎo)性地發(fā)問(wèn)：根據(jù)功能關(guān)系，做功的過(guò)程就是能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化。外力F對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做功為，但整個(gè)系統(tǒng)增加的機(jī)械為。那么少了的轉(zhuǎn)化為什么能量。學(xué)生根據(jù)之前的學(xué)習(xí)，會(huì)想到摩擦生熱。

這樣，學(xué)生在平時(shí)解決問(wèn)題的過(guò)程，能量觀等物理觀念就得到了不斷完善、強(qiáng)化、應(yīng)用。

3.在實(shí)驗(yàn)探究中，設(shè)計(jì)引導(dǎo)性的問(wèn)題，潛移默化形成物理觀念

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。通過(guò)高中物理探究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷和領(lǐng)略科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的基本技能和科學(xué)精神，也是培育學(xué)生物理觀念的重要途徑。但實(shí)際的物理探究性實(shí)驗(yàn)課很難激發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，也無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念，無(wú)法達(dá)到物理探究課的目的。教師如何教學(xué)，才能在一節(jié)“很緊張”的實(shí)驗(yàn)探究課中，探出物理味道、探出物理規(guī)律、探出物理興趣、形成物理觀念呢？這是每一位物理教師要積極思考并積極實(shí)踐的問(wèn)題。

比如，在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師可先布置預(yù)習(xí)作業(yè)，讓學(xué)生先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。預(yù)習(xí)時(shí)，布置這些問(wèn)題讓學(xué)生思考：①根據(jù)實(shí)際受力情況，提紙帶時(shí)，紙帶是否要保持豎直？②根據(jù)實(shí)際受力特點(diǎn)，選用重錘時(shí)，要注意什么？為什么？③根據(jù)自由落體的規(guī)律，選紙帶時(shí)，為什么要選擇第1、2點(diǎn)接近2mm的紙帶？

這些讓學(xué)生思考的問(wèn)題中，都能引導(dǎo)性讓學(xué)生從運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系進(jìn)行思考和分析，強(qiáng)化了相互作用觀、運(yùn)動(dòng)觀。

4.在讀題中，注意通過(guò)物理問(wèn)題的表征，應(yīng)用和強(qiáng)化物理觀念

開(kāi)頭談到，觀念是客觀事物在人腦里留下的概括性的形象和總結(jié)。學(xué)生形成什么樣的物理觀念，就決定了他解決物理問(wèn)題的方式。物理問(wèn)題的表征不同于一般的語(yǔ)言詞匯，它有特定的含義。學(xué)生只有在形成了正確的物理觀念后，才能注意到表征物理問(wèn)題的這些特殊詞匯的含義。特別是在高一年級(jí)，必須培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀，讓學(xué)生熟悉并懂得運(yùn)用。至少要讓學(xué)生知道，運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系，要強(qiáng)化“受力情況決定運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)動(dòng)情況反映受力情況”的觀念。學(xué)生樹(shù)立了正確的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀后，就像是具有了“慣性”，學(xué)生一遇到特定的語(yǔ)境，就能激發(fā)出“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀”這一性質(zhì)。

教師在引導(dǎo)學(xué)生讀題的過(guò)程中，要一直強(qiáng)化力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即強(qiáng)化“受力情況決定運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)動(dòng)情況反映受力情況”的這種運(yùn)動(dòng)與相互作用觀。比如“小物體處于靜止?fàn)顟B(tài)”反映了初始時(shí)刻的受力情況，所以要寫(xiě)出平衡式?！笆剐∥矬w向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)”中，通過(guò)“運(yùn)動(dòng)情況反映受力情況”，得出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力是恒力。再如，如果遇到“物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)”，就要引導(dǎo)學(xué)生明確勻速圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征為“合外力等于向心力”這一運(yùn)動(dòng)與相互作用觀，從這一觀念出發(fā)，根據(jù)牛頓第二定律求出相應(yīng)的式子，是解題的關(guān)鍵。

結(jié)束語(yǔ)：從物理觀念的視角去更新物理教學(xué)，就是從本質(zhì)和基礎(chǔ)上促進(jìn)了教育觀念的更新，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)更是一種提升。課堂是一個(gè)具有創(chuàng)造性的過(guò)程，讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，隨時(shí)能運(yùn)用物質(zhì)觀、時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀以及能量觀，具備從物理學(xué)的視角思考問(wèn)題的動(dòng)機(jī)和能力，最終達(dá)到通過(guò)物理課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

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