試論物理學(xué)科本質(zhì)及獨特的育人功能

陶昌宏

(北京教科院基教研中心物理室 北京 100031)

2017年年底，國家頒布了普通高中課程方案、課程標準，開啟了新一輪課程改革．本次課程改革提出了核心素養(yǎng)課程目標，頒布了學(xué)業(yè)質(zhì)量標準．核心素養(yǎng)課程目標是貫徹黨的教育方針，堅持立德樹人根本任務(wù)的綱領(lǐng)性指南；學(xué)業(yè)質(zhì)量標準則是規(guī)范教學(xué)、規(guī)范考試，教學(xué)與考試和諧統(tǒng)一的綱領(lǐng)性尺子．以上兩項內(nèi)容均具有歷史性意義．需要引起注意的是，課程標準中同時提出：注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨特作用．但是，學(xué)科本質(zhì)是什么？課標中沒有正面回答．筆者認為，學(xué)科本質(zhì)、核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標準、育人價值是一個有機整體，目的是更好地發(fā)揮物理學(xué)科獨特的育人功能，體現(xiàn)其育人價值．

關(guān)于核心素養(yǎng)理念下的教學(xué)設(shè)計、教學(xué)實施，學(xué)業(yè)質(zhì)量標準下學(xué)業(yè)水平等級性考試、命題等相關(guān)內(nèi)容，筆者已在2018年、2019年《物理通報》連載文章中做了相應(yīng)闡述．

本文就物理學(xué)科本質(zhì)與核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標準、育人價值的關(guān)系，如何發(fā)揮物理學(xué)科獨特的育人功能談一些認識．不妥之處，敬請指正．

1 物理學(xué)科本質(zhì)

物理學(xué)科本質(zhì)是什么？筆者與一線教師討論、交流這個問題時，看得出，很多教師沒有思考這個問題，或是言之泛泛，或是言之名詞，也有見仁見智．這與課程標準中沒有做出回答不無關(guān)系．

1.1 物理學(xué)科本質(zhì)

物理學(xué)研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律．由此，物理學(xué)科本質(zhì)：反映并揭示自然界物理運動的規(guī)律．具體內(nèi)容包括物理現(xiàn)象及實驗，物理概念、定律及理論，物理學(xué)應(yīng)用以及在物理學(xué)發(fā)展過程中所形成的方法和思維方式．這里的物理運動指的是指機械運動，分子、原子運動，電磁運動，熱運動等．其中的機械運動是自然界中最普遍、最基礎(chǔ)的運動，也是最重要的運動．恩格斯曾說道：“一切運動都是和某種位置移動相聯(lián)系的．不論這是天體的、地上物體的、分子的或以太粒子的位置移動．運動形式愈是高級，這種位置移動就愈?。恢靡苿記Q不能把有關(guān)的運動的性質(zhì)包括無遺，但是也不能和運動分開，所以首先必須研究位置移動．” (馬克斯恩格斯選集第三卷P491)不了解運動，就不了解自然．在自然界，由于物理運動是最基楚的，化學(xué)運動、生命運動以及宇宙運動都是在物理運動上展開的，因此掌握了物理運動規(guī)律，也就有利于對自然界其他運動規(guī)律的理解，在人類認識的歷史上，正是物理學(xué)的發(fā)展推動了化學(xué)、生命科學(xué)、宇宙學(xué)的發(fā)展，引領(lǐng)了人類文明的進步．正因為如此，物理學(xué)科本質(zhì)具有基礎(chǔ)性與豐富性．

1.2 物理學(xué)科本質(zhì)的基礎(chǔ)性地位

物理學(xué)科本質(zhì)、核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標準、育人價值是一個有機整體，學(xué)科本質(zhì)具有基礎(chǔ)性地位．

(1)物理學(xué)科本質(zhì)，體現(xiàn)物理學(xué)本身的價值

物理學(xué)科本質(zhì)，首先體現(xiàn)物理學(xué)本身的價值．物理學(xué)已經(jīng)且正在改變?nèi)祟惖纳?，物理學(xué)始終引領(lǐng)著人類對自然奧秘的探索，深化著人類對自然界的認識．

(2)基于物理學(xué)科本質(zhì)，提煉學(xué)科核心素養(yǎng)

物理學(xué)科本質(zhì)，體現(xiàn)物理學(xué)的育人價值．物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)．物理學(xué)科建構(gòu)的核心素養(yǎng)是從物理學(xué)科本質(zhì)中提煉的．例如，核心素養(yǎng)當中的物理觀念，主要包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素．這些觀念是物理學(xué)科本質(zhì)的體現(xiàn)，涉及人的世界觀，而物理學(xué)科本質(zhì)能夠促進人們形成正確的世界觀．核心素養(yǎng)其他幾個維度亦然．

一個人，如果不經(jīng)過物理課程的學(xué)習(xí)，將不能理解蘋果成熟會落到地上，而高處的月亮則不會落到地上的事實．頭腦中沒有物理世界，也許就成為科盲了，很難從事科學(xué)研究．物理學(xué)科獨特的育人價值無可替代．

(3)基于物理學(xué)科本質(zhì)，制定學(xué)業(yè)質(zhì)量標準

物理學(xué)科本質(zhì)，是制定學(xué)業(yè)質(zhì)量標準的根本依據(jù)，因為，學(xué)業(yè)質(zhì)量標準依據(jù)學(xué)科核心素養(yǎng)及其水平化分為主要維度，結(jié)合課程內(nèi)容對學(xué)生學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)進行總體的刻畫．

通過上述，可以看出物理學(xué)科本質(zhì)與核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標準、育人價值是不可割裂的整體．同時可以鮮明地看到，物理學(xué)科本質(zhì)具有基礎(chǔ)性地位．認識和理解物理學(xué)科本質(zhì)，便于理解學(xué)科核心素養(yǎng)的本質(zhì)內(nèi)涵，便于理解學(xué)業(yè)質(zhì)量評價標準，就能夠發(fā)揮物理學(xué)科獨特的育人功能，體現(xiàn)育人價值．方知孰輕孰重，才能舉重若輕．在深化課程改革實踐中，不是邯鄲學(xué)步，也不會顧此失彼，從而有效地落實立德樹人根本任務(wù)．

1.3 體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)的重要內(nèi)容

物理學(xué)家勞厄曾說過：“重要的不是獲取知識，而是發(fā)展思維能力，教育無非是一切都忘掉的時候，所剩下來的東西．”

剩下來的東西，應(yīng)體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)．物理學(xué)科能剩下什么？應(yīng)該剩下什么？

物理學(xué)包括物理現(xiàn)象及實驗，物理概念、定律及理論，物理學(xué)應(yīng)用以及在物理學(xué)發(fā)展過程中所形成的方法和思維方式．由此，能夠體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)、具有獨特育人功能的重要內(nèi)容，筆者認為要有物理實驗、物理思維和物理方法．物理實驗會影響人的世界觀，物理思維會影響人的品格，物理方法會影響人的關(guān)鍵能力．而核心素養(yǎng)的關(guān)鍵詞正是價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．

物理實驗、物理思維和物理方法是物理學(xué)獨創(chuàng)的、獨特的、獨具的，經(jīng)過實踐檢驗，可堪稱經(jīng)典，為其他學(xué)科進行科學(xué)研究樹立了榜樣．

2 物理實驗獨特的育人功能

物理實驗屬于科學(xué)實驗范疇，但具有其獨特性．

2.1 物理實驗形成一種理念

物理實驗已形成一種理念，即“小實驗，大物理”，這是物理學(xué)、物理實驗帶給人們的啟示．

(1)小實驗，大物理

物理實驗現(xiàn)象的背后，蘊含深刻道理，即“小實驗，大物理”.

例如，如圖1所示，小磁針的偏轉(zhuǎn)使人類看到了電流的磁效應(yīng).

圖1 通電導(dǎo)線使小磁針偏轉(zhuǎn)

例如，如圖2所示，一個線圈通電瞬間，另一個線圈中有了電流，揭示了電與磁的統(tǒng)一性.

圖2 法拉第曾用過的線圈

法拉第線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，是在實驗室發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，證實磁場可以產(chǎn)生電流，這個發(fā)現(xiàn)促進人類進入電氣化時代．

實驗現(xiàn)象，可能反映自然界的某種規(guī)律．因此，做實驗要進行細心的觀察、理性的思考和推理．對于每一個實驗都應(yīng)以景仰的心態(tài)去完成．

(2)實驗是重要的科學(xué)方法

近代物理學(xué)發(fā)展的過程中，實驗一直相伴．實驗(事實)與邏輯推理相結(jié)合的方法，開創(chuàng)了物理學(xué)的新篇章．

物理學(xué)是一門理論與實驗高度精密結(jié)合的科學(xué)．要證明假說嗎？要探究物理量之間的關(guān)系嗎？要證明理論是否正確嗎？回答是：做實驗．物理離不開實驗．實驗成為物理學(xué)科特色．物理實驗促進物理學(xué)自身的發(fā)展，并成為科學(xué)研究的重要方法．

(3)物理實驗具有科學(xué)探究的本質(zhì)意義

物理實驗和采用的科學(xué)思維方法，體現(xiàn)了科學(xué)探究的本質(zhì)特征，是人類認識世界的有效工具．物理實驗開創(chuàng)了人類科學(xué)探索自然世界奧秘的先河．例如，天電的引入、磁生電的探索、光電效應(yīng)疑難等等，不僅發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，促進人類生產(chǎn)方式變革，改善人們生活，而且增強了人類進行科學(xué)探究的意識和能力．

物理實驗進行的探究、采用的方法、獲得的成果，特別是形成的探究意識豐富了人類物質(zhì)生活和精神生活，探究給人生帶來情趣，探究是人類發(fā)展的不竭動力．

(4)物理實驗增強證據(jù)意識

物理實驗可以探究規(guī)律，可以驗證規(guī)律．實驗為理論的建立提供證據(jù)．

例如，如圖3所示，伽利略通過斜面實驗，得出小球做勻變速直線運動的結(jié)論．然后進行合理外推，確定了自由落體的運動規(guī)律．實驗不僅為批駁綿延兩千年對落體運動的錯誤論斷提供了證據(jù)，而且開創(chuàng)了科學(xué)的研究方法．

圖3 小鋼球在斜面上的運動

例如，傅科擺實驗，為說明地球的自轉(zhuǎn)提供了證據(jù)．

例如，如圖4所示，盧瑟福的α粒子散射實驗，為建立原子核式結(jié)構(gòu)模型提供了證據(jù)．

圖4 α粒子散射實驗裝置

物理實驗?zāi)軌蛟鰪娮C據(jù)意識．證據(jù)意識增強了，有句老話兒“擺事實講道理”就懂了；證據(jù)意識增強了，明辨是非的能力就增強了；證據(jù)意識增強了，誠信就能成為一種共識．

物理實驗?zāi)軌蛴行У嘏囵B(yǎng)和增強證據(jù)意識，促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的提升．

2.2 物理實驗具有獨特性

物理實驗為研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律提供證據(jù)，奠定基礎(chǔ)．

例如，牛頓管實驗，研究真空狀態(tài)下，輕重不同的物體下落的規(guī)律．

例如，α粒子散射實驗，研究原子的基本結(jié)構(gòu)．

例如，卡文迪什實驗，研究物體間引力作用規(guī)律．

物理實驗探究的內(nèi)容是物理學(xué)范疇，不同于其他學(xué)科．從這個意義上說，物理實驗是獨特的．這種獨特性，能夠幫助學(xué)生對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，物體的運動、相互作用等形成正確認識．能夠幫助學(xué)生建立一個物理世界，這個物理世界能夠促使學(xué)生形成正確的世界觀．

例如，運動是物質(zhì)的基本屬性，物體的運動不需要外力來維持，地上和天上物體的運動遵從同樣的規(guī)律，運動的物體具有能量等等．這些認識能夠提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，這是物理實驗獨特的育人功能．

2.3 物理實驗的創(chuàng)造性

(1)實驗工具的創(chuàng)造

物理學(xué)發(fā)展過程中，創(chuàng)造了一系列實驗工具．

例如，計時工具的創(chuàng)造，滴水計時、砂漏計時、單擺計時，電磁打點計時器等．例如，天平，重錘線，驗電器、變阻器、各種電表，傳感器等．實驗工具的創(chuàng)造，提升了實驗水平，為物理學(xué)進一步發(fā)展，為物理教學(xué)提供條件，打下基礎(chǔ)．

(2)實驗方法的創(chuàng)新

物理學(xué)發(fā)展過程中，創(chuàng)造了一系列實驗方法．

例如，庫侖扭秤實驗．電荷量的控制、微小力的測量、巧妙的設(shè)計步步都是創(chuàng)新．

例如，驗證動量守恒定律的實驗，將瞬時速度的測量轉(zhuǎn)變成對水平位移的測量，這同樣是實驗方法的創(chuàng)新．實驗方法的創(chuàng)新，開拓人們的思路．

(3)實驗數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)造

物理實驗，發(fā)明了一系列數(shù)據(jù)處理方法．

例如，列表法、公式法、圖像法、轉(zhuǎn)換法、微元法等，特別是圖像處理數(shù)據(jù)的方法，豐富了認知．坐標的變換，圖像的截距、斜率、“面積”等都賦予了物理意義．

物理實驗工具的演變、實驗方法的創(chuàng)新、數(shù)據(jù)處理的多樣，豐富了學(xué)生的認知，理性思維和想象力得到提升．例如，物理量的二分法、轉(zhuǎn)換法、微小形變放大法、極限方法等能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力．

2.4 物理實驗技術(shù)是一項專業(yè)化很強的獨特技術(shù)

物理實驗涉及學(xué)術(shù)、技術(shù)等問題．物理實驗本身是科學(xué)，科學(xué)的本質(zhì)在于求真．因此,實驗來不得半點虛假．物理實驗有助于形成實事求是的科學(xué)態(tài)度．物理實驗技術(shù)是一項專業(yè)化很高的獨特技術(shù)，物理實驗講究觀察，講究控制變量，講究操作步驟，講究數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理，講究理性分析和邏輯推理，講究合作與分享．

例如，連接好電路，閉合開關(guān)時，要采用試觸方法.

例如，采用感應(yīng)起電的方式使物體帶電，實驗操作的先后順序決定成敗.

例如，電表的選擇、電源供電方式的選擇，都會影響實驗效果．

物理實驗中的一招一式、一舉一動，實驗物品的一拿一放，都在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．物理實驗不是隨隨便便就能成功．

綜上所述，物理實驗使人們獲得關(guān)于物質(zhì)、運動、相互作用、能量、電磁關(guān)系等方面的直接經(jīng)驗和證據(jù)，有助于形成正確的世界觀．物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力方面有不可替代的作用．

3 物理思維獨特的育人功能

物理思維屬于科學(xué)思維范疇，但具有其獨特性．

科學(xué)是關(guān)于自然、社會和思維的系統(tǒng)化知識、系統(tǒng)化方法體系．顯然，科學(xué)離不開思維．

3.1 思維是人類所特有的客觀存在

思維在社會實踐中產(chǎn)生，是人類所特有的一種客觀存在．物理思維是在表象，物理概念、規(guī)律的基礎(chǔ)上進行分析、綜合、推理、判斷等認知活動的過程．物理思維在物理課程學(xué)習(xí)中產(chǎn)生，并在物理課程學(xué)習(xí)中得到培養(yǎng)和提升．

3.2 思維有規(guī)律

已故科學(xué)家錢學(xué)森曾說道：“從最廣泛的意義上講，從唯物主義的思想講，思維當然有規(guī)律，因為思維也是一種客觀現(xiàn)象，而一切客觀的東西及其運動都有自己的規(guī)律，思維當然也不例外．”

思維既然有規(guī)律，思維能力就能夠培養(yǎng)．物理課程培養(yǎng)學(xué)生思維能力責(zé)無旁貸．

3.3 物理概念的高度抽象

(1)物理概念是物理學(xué)的基石

物理概念是物理學(xué)的基石，物理概念在物理學(xué)中極其重要，因為一切物理現(xiàn)象、實驗、規(guī)律、理論，物理問題都要用物理概念來描述．物理概念是物理知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是學(xué)好物理課程的基礎(chǔ)．學(xué)好物理課程必須要建構(gòu)好物理概念．物理概念建構(gòu)不好，其他均為泡影．

(2)物理概念的抽象性

物理概念具有高度抽象、高度概括、高度簡潔、高度自洽的特點．這一點毋庸置疑．

例如，力的概念．力是改變物體運動狀態(tài)的物體間的相互作用．

例如，加速度的概念．加速度的定義：速度的變化量與時間的比值．

僅上兩例，無可爭議，物理概念確實抽象，而且是高度抽象，又常常是多重抽象．如上面的加速度定義，當中涉及速度、速度的變化量、位移、質(zhì)點、機械運動等概念．

物理概念用物理語言進行闡述，因此，僅從字面上無法認識和理解物理概念，需要經(jīng)過物理專業(yè)教育，通過物理課程系統(tǒng)化學(xué)習(xí)才能懂得其意．

3.4 物理思維的深刻性

物理概念的高度抽象決定了物理概念的高度概括．由于物理概念高度抽象使物理思維具有其獨特的深刻性．

物理思維的深刻性體現(xiàn)在以其獨特的視角和方法，對自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、運動、相互作用、能量、電和磁及其轉(zhuǎn)化等進行了科學(xué)的描述，建立了諸如質(zhì)量、速度、加速度、力、電荷、電場強度、電勢差等一系列概念，通過實驗揭示了物理概念之間因果關(guān)系的一系列規(guī)律．

物理概念的建立促進人類的交流，提升了交流的品位，建立了量度、評估的標準和平臺．

例如，某款紅旗轎車百公里提速(0～100 km/h)時間為7.3 s．這種用物理概念的方式表達技術(shù)指標，使人們對汽車的性能有了一定的了解，同時還能形成具象的想象．

物理規(guī)律的揭示,促進科學(xué)技術(shù)的進步，改變?nèi)祟惖纳罘绞剑淖內(nèi)祟惖乃季S方式，逐漸改變?nèi)说男袨椋?/p>

例如，認識牛頓運動定律之后，對交通法中的“車速超過每小時100公里時，應(yīng)當與同車道前車保持100米以上的距離”這項規(guī)定，在心理上不僅會有全面的認同感，同時在高速公路行駛，前、后車之間保持安全距離就容易成為一種自覺行為．

物理學(xué)一系列概念的建立、一系列規(guī)律的揭示，幫助人們形成一個物理世界．物理世界與真實世界的轉(zhuǎn)換與比較，豐富了人的思維，豐富了人生．通過物理課程的學(xué)習(xí)，思維能力能夠得到培養(yǎng)和提升．

3.5 物理規(guī)律的普適性

物理規(guī)律具有普適性．牛頓運動定律、萬有引力定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等均具有普適性．

例如，生活中挑選生、熟雞蛋，涉及牛頓第一定律、牛頓第二定律的內(nèi)容．

嫦娥五號從點火升空、變軌、運行、著陸月球、銜月土、上升器起飛、與返回器對接、回歸地球等一系列過程，都符合牛頓運動定律．

無論是生活中挑選生、熟雞蛋，還是嫦娥五號探月工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，都遵從牛頓運動定律．

例如，萬有引力定律揭示宇宙間的一切物體都是互相吸引的．地上的天上的物體遵從同樣的規(guī)律，這對人類的認識和思維活動產(chǎn)生巨大影響．

例如，無論什么方法激發(fā)的磁場，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流．

物理規(guī)律揭示物理概念之間的因果關(guān)系，物理規(guī)律的普適性必然擴大人的視野，擴展人的思維．物理思維使人類的思維活動在深度和廣度上前行了一大步．

綜上所述，物理實驗的創(chuàng)造性、物理概念的抽象性、物理規(guī)律的普適性決定物理思維的深刻性．物理課程培養(yǎng)學(xué)生思維能力、邏輯推理能力不可替代．

3.6 物理思維可視化為抽象概念提供表象

(1)物理思維可視化

物理實驗的創(chuàng)造性、物理概念的抽象性、物理規(guī)律的普適性決定了物理思維的深刻性．

物理思維的深刻性提升了人類思維能力，但是，客觀上導(dǎo)致物理概念、物理規(guī)律比較難懂、難交流，物理課程比較難教、難學(xué)的狀態(tài)．好在物理學(xué)家從一開始就進行了物理思維可視化的創(chuàng)造．發(fā)明、創(chuàng)造了極具形象化的表達方法．

例如，力的圖示、電場線、磁感線、光線、等勢面，各種圖形、各種符號、各種圖像，包括右手螺旋法則、左手定則等都是形象化的表達，是將抽象概念可視化．像諸如力的圖示、電場線、磁感線、光線、波紋線等是物理學(xué)家創(chuàng)造的思想模型，這種思想模型可以幫助人們理解物質(zhì)的屬性，理解抽象的物理概念，便于人們的交流，便于應(yīng)用．

用抽象概念描述事物的某種屬性，必然要涉及事物的本質(zhì)，加上可視化的圖像，概念就立體了，就容易掌握了，容易交流和應(yīng)用了．

例如，物理學(xué)從力的角度去認識看不見、摸不著的電場，建立了電場強度的概念，電場強度是一個定量的抽象概念，電場線將電場、電場強度概念可視化．這種方法物理學(xué)屢試不爽．

例如，從能量的角度去認識電場，建立了電勢的概念，電勢是一個定量的抽象概念，等勢面將這個概念可視化．

例如，物理學(xué)家建立了力的概念，同時創(chuàng)造了力的圖示，這樣，人們就容易認識這個力了．力的圖示，使力的大小、方向、作用點一目了然，同時大大方便人們之間的交流．

(2)物理思維可視化為抽象概念提供表象

可視化非常重要．就像生活中，用語言描述一個人的相貌，可能在人群中不太容易找到這個人，而看一下這個人的照片，找這個人就方便多了，因為在找這個人的時候，這個人的照片的表象在頭腦中生成了．

物理思維可視化，一方面使物理概念立體了，同時為抽象概念提供表象．一個物理概念在頭腦中有了可視化的圖像，思維過程中，就能夠形成表象，有了表象，做出判斷就比較從容了．

正點電荷的電場線如圖5所示．場中各處電場強弱一目了然，各處場強方向心中有數(shù)．

圖5 正點電荷的電場線分布

已故科學(xué)家錢學(xué)森曾說道： “模型是什么？模型是吸收一切主要因素，去掉一切不主要因素所制造出來的‘一幅圖畫’一個思想上的結(jié)構(gòu)圖．”

物理概念深刻了人的思維，物理圖像豐富了人的想象力．

物理學(xué)的圖像是獨特的，具有簡潔、對稱、流暢等特點． 物理思維可視化了不起，它將物理學(xué)中的抽象思維與想象力成為統(tǒng)一體．

中國的漢字從倉頡造字開始，甲骨文、金文等是在倉頡造字的基礎(chǔ)上發(fā)展而來．漢字是從形逐漸演化而來．形，自古就重要．形，直觀，思維活動必然要利用形，利用形方便形成表象．

“科學(xué)與藝術(shù)在山麓分手，定會在山頂匯合．”科學(xué)創(chuàng)造要尊重事實，理性推理，同時要有想象力．物理學(xué)一直追求科學(xué)和藝術(shù)的完美結(jié)合．

物理學(xué)中的各種圖形、各種符號、各種圖像豐富了人的想象力．物理學(xué)中的抽象思維與可視化圖像珠聯(lián)璧合，相映生輝．物理思維可視化，使人類的思維活動在想象力方面鑿出了一洞天．

(3)物理思維“豐富了人類的生活”

思維是“地球上最美的花朵”，物理思維“豐富了人類的生活”.你看，早上初升的太陽是紅色的，中午變白色了，而且看到的是初升太陽的虛像，而不是太陽本身．理解這個奇妙的現(xiàn)象，要用到光的直線傳播、光的折射、折射率、光的衍射等概念，同時要用到“光線”．有了光線，想起來、說起來、畫起來可就方便多了．

應(yīng)用物理概念時需要表象．如果物理思維活動中能夠形成力的圖示、電場線、光線、彈簧振子、單擺等表象，就容易對相關(guān)問題做出選擇和判斷．

物理學(xué)中可視化的內(nèi)容很多，可以統(tǒng)稱為“圖像語言”．學(xué)習(xí)和掌握“圖像語言”對提高物理學(xué)習(xí)能力既有重要的現(xiàn)實意義又有長遠的歷史意義．

作為物理教師，可以想象一下，如果物理學(xué)沒有這些可視化的圖像語言，你還教物理嗎？

物理思維極具深刻性與物理思維可視化，決定了物理課程在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力方面有不可替代的作用，物理課程在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有不可替代的作用．

4 物理方法獨特的育人功能

物理學(xué)具有一套比較完整的系統(tǒng)化知識、系統(tǒng)化方法體系．物理方法屬于科學(xué)方法范疇，但具有其獨特性．

“給我一個支點，我可以把整個地球撬動．”阿基米德這句經(jīng)典語錄，激勵一代又一代科技工作者在從事科學(xué)技術(shù)研究中尋找方法．方法顯示力量！

物理學(xué)創(chuàng)造的諸如理想化方法、等效替代的方法、極限的方法、宏觀現(xiàn)象微觀解釋的方法等等具有普適的意義．物理方法，一方面促進物理學(xué)自身的發(fā)展，同時也為其他學(xué)科進行科學(xué)研究樹立了典范，它的思路、它的方法堪稱經(jīng)典．物理學(xué)方法是人類思想史上最偉大的成就之一．

通過物理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)會將復(fù)雜問題簡單化、抽象問題形象化、實際問題理想化、理論問題具體化．笛卡爾曾說道：“可以將要研究的復(fù)雜問題，盡量分解為多個比較簡單的小問題，一個一個地分開解決．”

例如，楞次定律內(nèi)容本身說起來都有些拗口，但是在教學(xué)中教師能夠通過具體判斷感應(yīng)電流方向的過程，使學(xué)生懂得其意，懂得其中深刻內(nèi)涵，懂得把規(guī)律的應(yīng)用變成具體的操作行為．

物理課程中讓學(xué)生學(xué)習(xí)、領(lǐng)悟和掌握的物理方法還有諸如歸納的方法、演繹的方法、分析與綜合的方法、類比的方法、平均的方法、微元的方法、圖像的方法、假說的方法、猜想的方法、量綱的方法、控制變量的方法、比值定義物理量的方法等等．

例如，學(xué)習(xí)量綱之后，懂得了量綱的含義，就能夠根據(jù)量綱對某些問題做出判斷，就能夠有效加深對物理概念的理解，同時知道了很多物理學(xué)家，知道了他們的貢獻．這些物理學(xué)家都融合在單位制的大家族中，而且非常融洽．物理學(xué)中的單位展示物理學(xué)家的人文情懷，展示物理學(xué)蘊含著豐厚的文化內(nèi)涵．

“安培經(jīng)過一段時間遇到了庫侖”“牛頓經(jīng)過一段距離遇見到了焦耳”，你看，這多有意思??！

如果沒有方法，想去探究真理，那是絕不可能的．

物理方法具有普適意義，顯示了物理學(xué)的獨特地位．通過物理知識載體，向?qū)W生滲透物理方法，使學(xué)生體會其方法的智慧和力量，這是物理教師的責(zé)任與擔(dān)當．

5 物理教學(xué)要體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)

物理實驗、物理思維、物理方法體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，有了這樣的認識，就比較容易理解學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個維度的具體內(nèi)容，就容易發(fā)揮物理學(xué)科獨特的育人功能．通過教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施，有效地落實核心素養(yǎng)課程目標．

5.1 物理實驗的功能不能替代

物理實驗體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)．學(xué)生通過物理實驗獲得的直接經(jīng)驗是任何人、任何方式、任何學(xué)科都無法替代的．教師在指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)概念、認識規(guī)律的過程中如果能夠基于實驗、基于事實，將是一位了不起的教師，因為，這是持正確的世界觀，采用科學(xué)的方法，揭示物理運動的規(guī)律，體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，具體獨特的育人功能．了不起的教師將培養(yǎng)出了不起的學(xué)生．

例如，如圖6所示，平拋豎落儀．

圖6 平拋豎落儀

在研究平拋運動規(guī)律中，這個實驗非常重要．教師要在不同的高度處演示兩個小鋼球的下落情況，而且要讓全體學(xué)生都能看到、聽到兩個小鋼球下落的情況，從而得出平拋運動在豎直方向的運動規(guī)律．

在這個基礎(chǔ)上利用如圖7所示的器材進行學(xué)生分組實驗，描繪小鋼球運動軌跡，從而確定水平方向的運動規(guī)律．

圖7 平拋運動實驗器

學(xué)生通過實驗獲得直接經(jīng)驗和認知，是難能可貴的，是非常好的學(xué)習(xí)方式．

古代思想家荀子曾說道：不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之，學(xué)至于行而止矣，行之、明也．看得出，知、行者，明也．

5.2 物理思維的深刻性與可視化相輔相成

物理思維體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)．教學(xué)中，既要重視抽象思維能力的培養(yǎng)，同時必須關(guān)注物理思維可視化．物理學(xué)中的“圖像語言”能夠幫助學(xué)生建構(gòu)概念、認識規(guī)律，為抽象概念提供表象．因此，教師要拿起尺子，為學(xué)生做示范．畫出一幅幅體現(xiàn)物理概念、物理規(guī)律、展現(xiàn)解決問題過程中思維路徑的各種圖像．

例如，組織學(xué)生探究力的平形四邊形定則的實驗中，要給學(xué)生時間完成分力與合力關(guān)系的圖示．這個圖示是學(xué)生認識矢量運算規(guī)則的第一幅圖像．它會長時間影響學(xué)生對矢量運算規(guī)則的運用和理解．這個作品值得每一名學(xué)生記憶和珍藏，值得教師欣賞．

5.3 物理方法不是具體的知識

物理方法體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)．物理方法不是具體的物理知識，沒有量化的意義．每一種可以說出的、用文字表達的物理方法，均是一個范疇或者是一個領(lǐng)域．因此，物理方法既不能以傳授具體知識的方法進行講授，也不宜就方法而講方法．物理方法要通過具體物理概念的建構(gòu)、物理實驗的實施、物理規(guī)律的認識、物理問題的解決，使學(xué)生逐步體會、感悟和掌握．物理方法要向?qū)W生逐步滲透，滲透當然是多多意會．

例如電容概念的建立．教學(xué)中，實驗探究電容器兩極之間的電勢差與電荷量的關(guān)系．電容器的帶電量采用“二分法”獲得，如圖8所示．電容器兩極間的電勢差用電壓表測量．實驗得出：電容器的電荷量與兩極間的電勢差成正比．

圖8 電容器充、放電電路圖

觀察電荷量與電勢差之比，分析其比值．

(1)比值是一個常量．這個常量與電荷量、電勢差無關(guān)．

(2)比值大小的意義．即升高單位電勢差電容器所帶的電荷量，比值大小能夠描寫電容器容納電荷的本領(lǐng)．

(3)不同電容器比值一般不同(可通過實驗得出).

至此，可以定義：物理學(xué)將電荷量與電勢差的比值稱為電容器的電容量，簡稱電容．物理學(xué)用比值定義物理量的方法，在具體的概念教學(xué)中潛移默化的滲透．比值定義物理量的方法貫穿物理學(xué)的始終，滲透其方法要貫穿物理教學(xué)的始終．

最近一次支教活動，筆者給學(xué)生上現(xiàn)場課，內(nèi)容是牛頓第一定律，如圖9所示．

圖9 師生共同完成實驗

課上和學(xué)生們共同完成了“伽利略斜面實驗”．3次釋放小鋼球，實驗現(xiàn)象：隨著軌道平滑程度的提高，小球上升的高度隨之增加．做完這個經(jīng)典的斜面實驗后，筆者請學(xué)生們思考：通過這個實驗，你想到了什么？課上，給學(xué)生思考的時間．

學(xué)生的回答有的出乎意料，比如，一個男生回答說，如果沒有摩擦，小鋼球?qū)⒀匦泵娣较蛞恢边\動下去．有的回答讓筆者欣慰，如果沒有摩擦，小鋼球?qū)⑸仙脚c釋放點等高的位置．

學(xué)生什么樣的回答，都是客觀事實，都是教學(xué)過程，教師都要平靜地接受．做實驗、給學(xué)生思考時間、讓學(xué)生表達是物理教學(xué)中一直要堅持做下去的．

河北大學(xué)錢時惕教授在上一輪(2003年)課程改革之初，曾撰文提出，在“過程”中深化知識的理解,在“過程”中學(xué)會學(xué)習(xí)方法，在“過程”中掌握技能、提高能力，在“過程”中培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度、科學(xué)價值觀.因此，教學(xué)中通過具體的教學(xué)過程，一步一步地提升學(xué)生核心素養(yǎng)水平.

新時代帶來新思想，新課程帶來新理念，新技術(shù)帶來新方法，新教材帶來新思考．新變化必將給課堂教學(xué)帶來生機，注入活力．面對變化，我們充滿信心！