充分挖掘物理思想 提升學(xué)生核心素養(yǎng)

李慶國 帥厚梅

（江蘇省揚州市新華中學(xué)，江蘇 揚州 22509）

物理思想是物理學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分，物理思想對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成、學(xué)習(xí)能力的提升有著重要的價值.物理思想教育是物理學(xué)科教育的重要組成部分.物理思想是物理學(xué)的精髓，是知識轉(zhuǎn)化為能力的橋梁.在物理教學(xué)中教師要引導(dǎo)學(xué)生充分挖掘物理思想，使物理思想充分顯現(xiàn)出來，發(fā)揮物理思想對學(xué)生核心素養(yǎng)的真正培養(yǎng)作用.下面討論了如何充分挖掘教材中、習(xí)題中蘊含的物理思想，以達拋磚引玉之用.

1 充分挖掘教材中蘊含的物理思想

1.1 理解重要物理概念建立過程中蘊含的物理思想

物理概念是物理學(xué)大廈的基石，在教學(xué)中通過實驗器材演示、多媒體的展示等，讓學(xué)生概括出物理概念.要讓學(xué)生建立物理知識體系，必須充分理解這些概念的內(nèi)涵與外延.最關(guān)鍵的是讓學(xué)生理解得出概念的過程中所蘊含的物理思想.只有這樣，才能觸類旁通，才能啟迪思維.下面以“加速度”這一重要概念的得出加以分析.

甲：10m/s→20m/s，用時5s；乙：10m/s→20m/s，用時10s；丙：10 m/s→25 m/s，用時10s.

問題1：比較甲和乙，誰速度增加得快？問題2：比較乙和丙，誰速度增加得快？問題3：比較甲和丙，誰速度增加得快？

在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對于問題1和問題2學(xué)生能順利回答出：甲比乙速度增加快，丙比乙速度增加快.

經(jīng)詢問，學(xué)生的方法為：速度增加量相同時，看時間，時間短即速度增加快；時間相同時，看速度增加量，速度增加量大即速度增加快；學(xué)生用的實際上就是“控制變量”的思想.

但對于問題3，學(xué)生一時回答不出來，因為甲和丙速度的增加量和用時均不同，控制變量的思想看似不好用.

教師啟發(fā)：仍用控制變量的思想，比較甲丙在相同時間內(nèi)速度的增加量，而相同時間就取單位時間即1s，則甲丙在單位時間內(nèi)速度的增加量為多少？

問題4：若甲、乙、丙速度變化情況如下，則甲和乙、乙和丙、甲和丙相比誰速度減小得快？

甲：20m/s→10m/s，用時5s；乙：20m/s→10m/s，用時10s；丙：25 m/s→10 m/s，用時10s.

由于有了前述分析，學(xué)生能很快給出答案.

總結(jié)：當物體的速度發(fā)生變化時，有的變化快，有的變化慢，要比較速度變化快慢只要比較即可，若大，則速度變化就快，反之則慢.物理中將命名為“加速度”的實質(zhì)就是物體在單位時間內(nèi)的速度變化量，也就是“控制變量”的思想.

“加速度”對于初學(xué)者是比較難理解的，在得出概念的過程中主要用了“控制變量”的思想.用這樣的思想，“加速度”概念的得出比較自然，實際教學(xué)效果相當好.同時也提問學(xué)生，以往學(xué)過的哪些概念也是用相同的方法得出的？學(xué)生最容易想到的是“速度”.這樣不但學(xué)習(xí)了新的知識，對學(xué)過的內(nèi)容也是一個很好的回憶和總結(jié)，起到“學(xué)一個帶一片”的作用.

1.2 理解物理規(guī)律的形成過程中蘊含的物理思想

物理規(guī)律，是物理學(xué)中的靈魂，是物理學(xué)大廈中的棟梁，物理學(xué)就是利用一個個規(guī)律去解決實際問題的學(xué)科.一個規(guī)律的得出往往要經(jīng)歷很長的過程.在教學(xué)中，讓學(xué)生重演重要物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，讓學(xué)生感受科學(xué)家探究規(guī)律過程表現(xiàn)出來的恒心和毅力，更要讓學(xué)生深刻理解物理規(guī)律、領(lǐng)悟規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中所用的物理思想.這對學(xué)生產(chǎn)生科學(xué)情感、形成科學(xué)態(tài)度都是大有裨益的.下面以伽利略研究自由落體運動為例加以分析.

自由落體運動究竟是什么性質(zhì)的運動？在伽利略那個時代，很多科學(xué)家都在研究，但都沒有得出令人信服的結(jié)論，主要是當時計時技術(shù)很難滿足測定自由落體時間的要求.當時進行研究主要在實驗室進行，現(xiàn)在我們知道，若一個小球從5m自由下落，下落時間也就1s左右.一般實驗室高度沒有5m高，故時間太短，較難測量.再說當時是滴水計時，這樣的工具是不能測量自由落體時間的.這就阻礙了對自由落體運動的進一步研究.

伽利略采用了間接實驗的方法，他用一個黃銅小球從阻力很小的斜槽上滑下，并用水鐘測定時間，他經(jīng)過數(shù)百次實驗，發(fā)現(xiàn)一個從靜止開始滾下的物體，在連續(xù)相等時間間隔內(nèi)通過的各段距離之比，等于從1開始的一系列奇數(shù)之比，即1∶3∶5∶7…結(jié)合勻變速直線運動規(guī)律可知，小球沿斜槽下滑是勻加速直線運動.

在斜面實驗的基礎(chǔ)上伽利略將斜面的傾角不斷變大，如圖1所示.根據(jù)前述結(jié)論可知，不管傾角多大都應(yīng)該是勻加速直線運動，只不過加速度大小不一樣而已.然后將斜面傾角逐漸增大直到90°，小球仍然應(yīng)該是勻加速直線運動.當斜面變成90°，小球沿槽下滑時跟槽之間沒有力的作用，也就是小球就是做自由落體運動了，即自由落體運動為初速度為0的勻加速直線運動.

圖1

伽利略采用了一個巧妙的方法來“沖淡”重力，小球在斜面上運動的加速度，要比它豎直下落的加速度小得多，所用時間長得多，所以容易測量.在此基礎(chǔ)上再進行合理外推，得到自由落體運動為初速度為0的勻加速直線運動這一重要結(jié)論.“弱化”重力真的是一個特別有創(chuàng)意的思想.從斜面外推到豎直，這種合理外推是將實驗和邏輯推理有機結(jié)合起來.伽利略“理想斜面實驗”也采用了相同的思想方法.這樣的思想方法開創(chuàng)了物理研究的先河.愛因斯坦和英費爾德在《物理學(xué)的進化》中評論說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學(xué)的真正開端”.

在很多規(guī)律得出的過程中，都蘊含著令人拍案叫絕的思想方法，比如庫侖定律的得出.18世紀中期物理學(xué)家既沒有度量帶電體所帶電荷量多少的方法，也沒有測量電荷之間非常小的相互作用力的工具.法國人庫侖憑著物理學(xué)家敏銳的直覺，斷定一個帶電金屬球與另一個半徑、材料完全相同的不帶電的金屬球接觸后再分開，每球的帶電量應(yīng)該是原帶電球電荷量的一半，從而巧妙地解決了金屬球所帶電量成倍變化的問題，這種方法可叫作“倍分法”.類似這樣的事例還有很多很多，這里不再一一贅述.

在教學(xué)中不但要讓學(xué)生體會科學(xué)研究的艱難，讓學(xué)生對知識有“敬畏感”，更要充分揭示得出規(guī)律過程中蘊含的物理思想，讓這些有價值的物理思想方法“浮出水面”.教學(xué)過程中教師要將這些隱性的物理思想方法作為教學(xué)內(nèi)容的一部分，將其明朗化、顯性化、條理化地提出來并有機融入知識傳授過程中，啟迪學(xué)生的思維，調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

1.3 挖掘教材插圖中所蘊含的物理思想

物理教材中有大量的插圖，插圖是一種很好的教學(xué)資源.許多插圖中蘊含著很多的物理思想，只有把蘊含的物理思想充分挖掘出來，才能真正發(fā)揮插圖的教學(xué)作用.

在曲線運動這一節(jié)，為了說明物體做曲線運動速度方向，書上有一幅插圖如圖2所示，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生思考圖中蘊含的物理思想：若物體這一段時間內(nèi)從A運動到B點，則在AB這個過程中平均速度的方向由A指向B，而當B點越來越靠近A，則AB這個過程中平均速度的方向沿AB連線越來越接近A點的切線方向.當B與A點的距離接近0時，則AB平均速度即在A點的瞬時速度方向就是A點的切線方向，由此得到這樣的結(jié)論：做曲線運動的物體在某一點瞬時速度方向，沿曲線在這一點切線方向.

圖2

插圖中蘊含了“極限”的物理思想，將瞬時速度這個比較抽象的問題，用比較直觀的方法進行解決.極限思想對許多具有瞬時性的物理概念的建立均有指導(dǎo)，如瞬時加速度、瞬時功率、瞬時電動勢等.將“極限”思想遷移到物理學(xué)其他分支，就能比較順利地實現(xiàn)物理量從平均值到瞬時值的過渡，同時也實現(xiàn)了對物理對象粗略認識到精細認識的升華.

在講彈力的時候，我們知道不管多大的力都可以使物體產(chǎn)生形變，有的形變比較明顯，有點形變比較微小，微小形變怎么能顯示呢？書上有插圖如圖3所示.給桌面施加一個壓力，桌面發(fā)生的是微小形變，微小形變放大如何顯示呢？引導(dǎo)學(xué)生思考：桌面受力后向下“凹陷”，兩平面鏡由豎直變成傾斜，則經(jīng)平面鏡反射后的光斑會沿標尺移動.反之，通過光斑的移動，說明桌面發(fā)生了形變.

圖3

通過光斑移動來間接的顯示桌面的形變，這是一個“轉(zhuǎn)化”的思想，也是一個“放大”的思想.可以再激發(fā)學(xué)生思考，為什么要用二次反射呢？這是多次放大的思想.同時可以再啟發(fā)學(xué)生思考，還有很多地方也是用這樣的方法.比如說一個電路中是否有電流，你們無法用肉眼觀察到，可以看燈泡是否亮，也可以看串在電路中的電流表的指針是否偏轉(zhuǎn).這樣的例子還有很多.通過這些思想將“看不見摸不著”的東西直觀的顯示出來，這就是一種重要的思想.

教材插圖是教學(xué)內(nèi)容的一個重要補充，教師在教學(xué)中要充分運用這些素材，挖掘插圖中所蘊含的物理思想，真正發(fā)揮插圖的教學(xué)功能，提升學(xué)生能力，更好落實物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2 充分挖掘習(xí)題中蘊含的物理思想

2.1 體會題目設(shè)計中包含的物理思想

例1.跳傘運動員做低空跳傘表演，他在離地面224m高處，由靜止開始在豎直方向做自由落體運動，一段時間后，立即打開降落傘，以12.5m/s2的平均加速度勻減速下降，為了運動員的安全，要求運動員落地的速度最大不得超過5m/s（g取10m/s2），問：

（1）運動員打開傘時，離地面高度至少為多少？

（2）運動員著地時速度為5m/s，則相當于從多高處自由落下？

解析：第（1）問不再討論，著重討論第（2）問，求解方法很多，故過程忽略，結(jié)果為1.25m.第（2）問應(yīng)該說很簡單，出題者究竟想考我們什么？難道僅僅是為了考查學(xué)生對基本公式的運用嗎？在實際教學(xué)中我的確提出過這個問題，學(xué)生面面相覷，無法回答.

落地速度太大，人會受傷，但通常人對速度的大小，可能沒有太大的感覺，而對長度、高度可能感覺更直觀一些.如果人從高1.25m的墻上跳下是否會受傷，學(xué)生應(yīng)該可以輕易判斷的.

題目的本意是讓我們體會轉(zhuǎn)化的思想，把對速度大小比較抽象的認識轉(zhuǎn)化為對高度比較直觀的認識.在這問中還體現(xiàn)了把所學(xué)知識應(yīng)用于生活的思想，知識不會應(yīng)用就是“無用”的知識.

例2.水分子直徑約為4×10-10m，若把9g水的分子一個挨一個緊密排成單行，則可繞地球赤道約多少圈？（赤道周長約為4×10-10m）

解析：水的摩爾質(zhì)量為18g/m o l，則9g為0.5m o l，近似取NA=6×1023m o l-1，則水分子總數(shù)n=0.5NA=3×1023，則一個挨一個緊密排成單行，總長s=n d=1.2×1014m，則繞赤道的圈數(shù)為

通過這個題目讓學(xué)生熟悉與阿伏伽德羅常數(shù)相關(guān)的計算，想說明組成物質(zhì)的分子數(shù)是大量的.哪怕是看似很小的宏觀物體，組成它的分子數(shù)也是大量的，但大量怎么體現(xiàn)呢？因為分子是很小的，肉眼看不出，故對大量沒有直觀印象.題目通過轉(zhuǎn)化的思想將“大量”通過繞赤道的圈數(shù)來體現(xiàn)，一是將“大量”直觀化，二是通過繞赤道的圈數(shù)之多讓學(xué)生更加理解組成物體的分子是“大量”的概念.轉(zhuǎn)化成一個宏觀的現(xiàn)象，可能會讓學(xué)生更感震撼.這樣對阿伏伽德羅常數(shù)，對大量的概念會理解得更深.在教學(xué)中若想讓學(xué)生更震撼，理解更深，還可以再進行補充，如學(xué)生1s喝進去1000 0個水分子，9g水需要多長時間才能喝完？通過計算，一年若按365天算，則喝完9g水約需9.5×1016年.這樣學(xué)生對“大量”應(yīng)該會徹底理解到位，可能一輩子也不會忘.

只有充分理解題目中所包含的物理思想，才能將題目的真正作用發(fā)揮出來，才能體現(xiàn)題目的價值，否則就是為了解題而解題，顯得枯燥無味，也就失去了學(xué)習(xí)物理的真正的意義和作用.

2.2 在題目分析中凸顯物理思想

為了鞏固所學(xué)知識，解題是必不可少的，但關(guān)鍵是在題目分析時，一定要凸顯解題的物理思想.這樣對學(xué)生的學(xué)習(xí)才有幫助，才能使學(xué)生在解決問題時養(yǎng)成思考習(xí)慣，學(xué)習(xí)力才能不斷增強，下面舉一例說明.

例3.運動學(xué)中有人認為引入“加速度的變化率”沒有必要，然而現(xiàn)在有人指出“加速度的變化率能引起人的心理效應(yīng)，車輛的平穩(wěn)加速（即加速度基本不變）使人感到舒服，否則人感到不舒服.關(guān)于“加速度的變化率”，下列說法中正確的是

（A）從運動學(xué)角度的定義，“加速度的變化率”的單位應(yīng)是m/s3.

（B）加速度的變化率為0的運動是勻速直線運動.

（C）若加速度與速度同方向，a-t圖像如圖4所示，表示的是物體的速度在減小.

（D）若加速度與速度同方向，a-t圖像如圖4所示，已知物體在t=0時速度為5m/s，則4s末的速度大小為17m/s.

圖4

解析：在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，（A）、（B）、（C）選項以大多數(shù)學(xué)生的能力都能準確判斷，但（D）選項感到困難.在解決此問題時，我為學(xué)生設(shè)立了一個臺階，模仿（D）選項的問題：若物體加速度與速度同方向，a-t圖像如圖5所示，已知物體在t=0時速度為5m/s，則4s末的速度大小為多少？

圖5

對于這個問題，學(xué)生很快就給出了答案.再問學(xué)生4 s內(nèi)物體速度的增加量多大？圖像與坐標軸圍成的面積的值是多少？能找出他們之間的關(guān)系嗎？學(xué)生們都得到了“圖像與坐標軸圍成的面積的值等于物體速度的增加量”這一結(jié)論.接著再問，能不能把這個結(jié)論直接遷移到圖6這種情況？此時出現(xiàn)了不同答案，有的說行，有的說不行.筆者不置可否.

圖6

提示學(xué)生將物體運動時間平均分成n段（n→∞），每一段時間為Δt，如圖6所示.由于每一段時間極短，故可認為在每一段極短時間內(nèi)加速度是恒定的，故由前述結(jié)論可知：圖像與坐標軸圍成的面積的值等于物體速度的增加量.依此類推，每一個Δt均有同樣的結(jié)論，故可得到0—4s內(nèi)圖像與坐標軸圍成的面積的值等于4s內(nèi)物體速度的增加量，計算可得Δv=12m/s，即4s物體速度為17m/s.

得出結(jié)果后，一定還要跟學(xué)生講清分析過程中運用了如下物理思想.

（1）用勻變速結(jié)論推出非勻變速結(jié)論，充分體現(xiàn)了用已知推未知，從簡單到復(fù)雜的物理思想.

（2）將運動時間無限分段，即使全過程加速度是變的，但每一段可以認為是恒定不變.這樣在每一段就可以運用已有結(jié)論，充分體現(xiàn)了“化變?yōu)楹恪钡乃枷?

（3）無限分割實際使用的也就是“微元”的思想.“微元法”在中學(xué)階段用得也很多，教師也可以借機讓學(xué)生回憶一下，在推導(dǎo)勻變速直線運動的位移與時間關(guān)系時就用了“微元法”.這樣學(xué)生就覺得有似曾相識之感，接受起來就不會覺得很陌生.

在進行題目分析時，一定要將所用的物理思想凸顯出來，一是讓學(xué)生體會運用知識解決問題的過程.二是讓學(xué)生感知知識的魅力，不斷引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考，激發(fā)斗志，最終達到能力的提升.

物理思想是物理知識及物理方法的靈魂.物理思想具有隱蔽性、抽象性和創(chuàng)造性，它蘊含在知識的發(fā)生、發(fā)展和應(yīng)用的過程中.傳統(tǒng)物理教學(xué)往往是重視必考知識的傳授和解決能力的培養(yǎng).隨著新課程改革的實施，教師一定要改變這種狀況.只有使學(xué)生在進行物理課程學(xué)習(xí)時，深入到對于物理思想的了解和挖掘，才能夠形成系統(tǒng)的、完善的物理學(xué)科學(xué)習(xí)理念.掌握物理學(xué)習(xí)的精髓，才能夠為學(xué)生今后的發(fā)展開辟一個全新的學(xué)科領(lǐng)域，真正使學(xué)生感受到物理的奧秘和魅力.