高中物理教材蘊(yùn)含的物理思想及其應(yīng)用

廣東深圳市第七高級中學(xué)（518104）單文忠

思想是客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的結(jié)果，物理思想方法和物理知識是物理學(xué)科素養(yǎng)的兩個方面，它們在內(nèi)容和形成源流上有一定的關(guān)聯(lián)，物理知識的建立，離不開物理思想方法的規(guī)范使用，物理思想方法的形成是以一定的物理知識為基礎(chǔ)的。物理思想方法是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容，它和物理知識同等重要且處于最有價值的地位。

物理思想和方法為物理教學(xué)提供了廣闊的空間，為了更好地把握這些物理思想和方法，筆者以新人教版高中物理教材為藍(lán)本，挖掘其中蘊(yùn)含的物理思想并簡述其應(yīng)用。

一、建模思想

我們在研究客觀存在問題的時候，舍棄次要因素，抓住主要因素，透過問題的表象澄清事物的本質(zhì)，構(gòu)建理想化的模型處理和解決實(shí)際問題，這種思維體系的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是建模思想。

物理學(xué)發(fā)展史就是建模史，高中物理教材蘊(yùn)含的在建模思想指導(dǎo)下構(gòu)建的物理模型有：（1）理想化模型（包括質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、電流元、黑體、光子等）；（2）實(shí)物模型（包括滑塊、小球、長木板、斜面、輕桿、輕繩、輕彈簧、圓弧槽、滑輪、傳送帶等）；（3）狀態(tài)模型（包括靜止?fàn)顟B(tài)、平衡狀態(tài)、臨界狀態(tài)等）；（4）過程模型（包括自由落體運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、渡河模型、拋體運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動、碰撞、理想氣體狀態(tài)變化等）；（5）功能模型（包括通電螺線管相當(dāng)于條形磁體、安培分子電流假說中的分子電流相當(dāng)于小磁體）；（6）原子結(jié)構(gòu)模型（包括湯姆孫“棗糕”原子模型、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾氫原子模型等）；（7）場模型（包括重力場、靜電場、勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場、等效重力場等）。

在日常生活中，把相同性質(zhì)的問題進(jìn)行提升歸類，找到解決此類問題的最佳方法，此過程就是建模，解決此類問題的方式就是建模思想的應(yīng)用。

二、守恒思想

自然界的各種事物都在發(fā)展變化，在這些變化的背后往往有一個恒定不變的東西在無形地支配著它，這種恒定不變的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是守恒思想。守恒思想就是要在事物變化的表象中尋求守恒、抓住守恒、運(yùn)用守恒，揭露事物變化的本質(zhì)背后的本質(zhì)。物理學(xué)中的守恒指的是事物在變化過程或物質(zhì)在轉(zhuǎn)化遷移過程中某一物理量或狀態(tài)在數(shù)量、性質(zhì)上保持不變。

高中物理教材中蘊(yùn)含的守恒思想主要體現(xiàn)為：（1）能量守恒；（2）電荷守恒；（3）動量守恒；（4）質(zhì)量數(shù)守恒。

生活哲理“付出才有回報”“坐吃山空”“多勞多得”“愛拼才會贏”等就是守恒思想在日常生活中的應(yīng)用，楞次定律就是能量守恒在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的應(yīng)用。

三、對稱思想

人的美學(xué)是從欣賞人的體形開始的，人體是一個對稱體，所以對稱也是一種美。在研究物理問題中有一些物理過程或物理圖形具有對稱性，這種對稱的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是對稱思想。

高中物理教材蘊(yùn)含的對稱思想主要體現(xiàn)為：超重與失重，動能與動量，動能定理與動量定理；奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁，法拉第根據(jù)對稱思想認(rèn)為磁一定能生電，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的發(fā)明；麥克斯韋提出“變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場”的設(shè)想，最終導(dǎo)致電磁波的發(fā)現(xiàn)；德布羅意提出物質(zhì)波理論；機(jī)械振動、機(jī)械波圖形的對稱，等等。

四、等效思想

在自然界中，我們研究一些復(fù)雜物理現(xiàn)象的作用效果時，為了使問題簡化，常用一個物理量替代其他物理量，但在替代過程中效果相同，這種處理問題方法的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是等效思想。

等效思想的基本特征是等效，高中物理教材中蘊(yùn)含的等效思想主要體現(xiàn)為：（1）單個矢量的合成與分解；（2）運(yùn)動的合成與分解；（3）等效替代，如勻變速直線運(yùn)動的平均速度替代瞬時速度，總電阻替代串并聯(lián)電路電阻，等效電源，交流電的有效值，等效重力場，等等；（4）等效轉(zhuǎn)換，如微觀的電荷轉(zhuǎn)換為通過驗(yàn)電器的錫箔片的開合來判斷是否帶電等。

應(yīng)用：在保證效果相同的前提下，將復(fù)雜的電場情景變換為簡單或熟悉的情景。

五、轉(zhuǎn)化思想

在解決物理問題的過程中，可以將某一物理問題通過一定的方法或途徑轉(zhuǎn)化為我們熟悉的另一個物理問題來解決，這一解決問題的思維客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是轉(zhuǎn)化思想。轉(zhuǎn)化思想的特征就是將陌生轉(zhuǎn)化為熟悉，將未知轉(zhuǎn)化為已知，將繁雜轉(zhuǎn)化為簡易，從而達(dá)到降低思維難度、減少計算量的目的。

高中物理教材中蘊(yùn)含的轉(zhuǎn)化思想主要有：（1）能量之間的轉(zhuǎn)化，如通過某種力做功實(shí)現(xiàn)一種能量轉(zhuǎn)化為另一種能量；（2）質(zhì)能之間的轉(zhuǎn)化，如重核裂變和輕核聚變都有質(zhì)量虧損，就實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量與能量之間的轉(zhuǎn)化；（3）化無形為有形，如用電場線與磁感線顯示電場和磁場等；（4）晶體與非晶體之間的轉(zhuǎn)化，如一定條件下有些晶體與非晶體可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化；（5）電場與磁場間的轉(zhuǎn)化；（6）化曲為直；（7）物理量的顯示轉(zhuǎn)化，如各種傳感器就是物理量轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物等。

應(yīng)用：馬路上司機(jī)手機(jī)信息的密集程度經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)化為塞車信號等。

六、整體與隔離思想

整體思想是指人們在處理比較復(fù)雜的物理問題時把握好多個物理過程或物理量之間的關(guān)聯(lián)，從問題的整體性質(zhì)出發(fā)，著眼全局，把握系統(tǒng)和過程的整體特征以及總體走向的思想方法；隔離思想就是把物理問題中的單個物體或單個過程從相關(guān)的物體系中隔離出來，作為研究對象，進(jìn)行分析、研究的方法，這些解決問題方法的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是整體與隔離思想。兩種思想認(rèn)識的角度不同，整體思想是從大局出發(fā)，宏觀上揭示事物的本質(zhì)和規(guī)律；隔離思想是從局部出發(fā)，通過各個問題的關(guān)聯(lián)來聯(lián)系，從而揭示事物的內(nèi)在規(guī)律。

高中物理教材中蘊(yùn)含的整體與隔離思想主要體現(xiàn)為：（1）力學(xué)中的整體求加速度，隔離求內(nèi)力；（2）電學(xué)中的整體與隔離；（3）熱學(xué)中整體求內(nèi)能變化，隔離求變化原因；（4）機(jī)械振動、機(jī)械波中整體展示波形圖，隔離求波的相關(guān)物理量；（5）原子物理中整體展示原子核式結(jié)構(gòu)，隔離展示原子躍遷、光譜等，整體顯示核能，隔離求核力、結(jié)合能等。

應(yīng)用：班級管理中整體法構(gòu)建班規(guī)，隔離法獎罰個體學(xué)生等。

七、微元累加思想

在處理一些變化的物理問題時把物理量無限細(xì)分，分割成無限小，然后對所有局部求和，從而達(dá)到解決問題的目的，這種把變化的物理量轉(zhuǎn)化為便于計算的恒量的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是微元累加思想，這種思想的關(guān)鍵是先微元后累加。

高中物理教材中蘊(yùn)含的微元累加思想主要體現(xiàn)為：勻變速直線運(yùn)動的位移公式的推導(dǎo)，彈力做功與彈性勢能，變力做功的計算，氣體膨脹對外做功，等等。

應(yīng)用：求運(yùn)動員拖著汽車輪胎繞操場勻速繞行一周所做的功；“曹沖稱象”。

八、類比思想

根據(jù)兩個（類）具有某些相同或相似特征的事物的對比，從某一事物的某些已知特征推測另一事物的相應(yīng)特征，這種思維的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是類比思想。類比思想是在兩個特殊事物之間進(jìn)行分析比較，它不需要對大量特殊事物進(jìn)行分析研究。類比思想是連接新舊知識的紐帶，是猜想的前提，是發(fā)現(xiàn)的前兆，同時也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力和創(chuàng)新能力的有力工具。

高中物理教材中蘊(yùn)含的類比思想主要體現(xiàn)為：（1）場物質(zhì)類比；（2）運(yùn)動形式類比，如平拋運(yùn)動與類平拋運(yùn)動；（3）定律類比，如萬有引力定律與庫侖定律，機(jī)械能守恒定律與只有電場力做功電勢能和動能之和守恒；（4）做功類比，如重力做功與重力勢能的變化，彈力做功與彈性勢能的變化，電場力做功與電勢能的變化，分子力做功與分子勢能的變化；（5）形態(tài)性質(zhì)類比，如電流與水流，電容器與水容器，電量與水量，電勢差與高度差，螺線管與條形磁鐵；（6）微觀宏觀類比，如波爾的原子模型中的躍遷與飛船繞行變軌，氣體壓強(qiáng)與雨滴打擊傘面，等等。

應(yīng)用：學(xué)生管理中的性格類比，同層次班級管理中的班風(fēng)建設(shè)類比，單位管理中的人員類型類比，等等。

九、極限思想

人們在解決一些連續(xù)變化的物理問題時，著眼變化過程中的變化趨勢及一般規(guī)律，忽略過程將問題推向極端狀態(tài)，得出結(jié)果。這種對問題的分析和推理方法的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是極限思想。

極限思想揭示了恒量與變量、有限與無限、已知與未知的對立統(tǒng)一。借助極限思想，人們可以從有限認(rèn)識無限，從“恒”認(rèn)識“變”，從已知到未知，從直線認(rèn)識曲線，從量變認(rèn)識質(zhì)變，從近似認(rèn)識精確。

高中物理教材中蘊(yùn)含的極限思想主要體現(xiàn)為：（1）概念的建立，如平均速度與瞬時速度、感應(yīng)電動勢與瞬時電動勢、平均功率與瞬時功率等；（2）公式推導(dǎo)的應(yīng)用，如勻變速直線運(yùn)動的位移公式、向心加速度、彈性勢能等；（3）場力做功，如重力做功、電場力做功等；（4）物理實(shí)驗(yàn)，如伽利略對自由落體運(yùn)動的研究、光電門測瞬時速度、利用光的反射實(shí)驗(yàn)理解全反射等。

應(yīng)用：物理中的臨界問題；學(xué)生勤思考與懶惰的結(jié)果預(yù)判；班級嚴(yán)管與不管情況下，班風(fēng)建設(shè)問題；自然界極端天氣的成因；疫情嚴(yán)控與不控之結(jié)果；等等。

十、控制變量思想

自然界中萬事萬物都在不停地發(fā)生各種變化，而且每種變化都是相互聯(lián)系、相互作用的。決定一種變化產(chǎn)生的因素太多，為了弄清問題變化的原因和規(guī)律，常常采用把其中的一個或幾個物理量人為地控制起來，使它保持不變，然后再研究改變的兩個物理量之間的關(guān)系及對事物的影響，最后綜合解決問題。這種研究問題方法的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是控制變量思想。

高中物理教材中蘊(yùn)含的控制變量思想主要體現(xiàn)為：（1）探究力學(xué)物理量，如力與運(yùn)動的關(guān)系、理想斜面實(shí)驗(yàn)、影響摩擦力大小因素、合外力做功與動能變化關(guān)系等；（2）探究電學(xué)物理量，如驗(yàn)證歐姆定律、電阻的電流與其兩端電壓的關(guān)系、影響電阻大小的因素等；（3）探究磁學(xué)物理量，如影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素、磁場對通電導(dǎo)線的受力方向等；（4）探究熱學(xué)物理量，如氣體體積、壓強(qiáng)、溫度三者關(guān)系等。

應(yīng)用：班級管理中學(xué)生、家長、教師的關(guān)系等。

十一、相對性思想

在科學(xué)研究上，任何事物都在多方面因素共同作用下不停地發(fā)生演變，研究演變的事物時先要選定一個標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然這個標(biāo)準(zhǔn)也在不停變化，這使得研究的事物呈相對性，這種在相對變化中研究問題的方法的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是相對性思想。相對性與絕對性對立統(tǒng)一，相對性是有條件的、受制約的、特殊的、可以改變的，而絕對是無條件的、永恒的、無限的、普遍的。

高中物理教材中蘊(yùn)含的相對性思想主要體現(xiàn)為：（1）速度的相對性：參考系不同，速度不同；（2）位移的相對性，如運(yùn)動物體系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量、電磁感應(yīng)中電荷量的計算等；（3）公式定律適用條件的相對性，如經(jīng)典力學(xué)理論適用于宏觀低速，而量子理論適用于微觀高速等；（4）相對中的絕對，如光學(xué)中的光速、熱學(xué)中的絕對零度等；（5）濕度的相對性；（6）相對論，狹義相對論和廣義相對論。

應(yīng)用：同一年級學(xué)生成績的統(tǒng)計分析。

十二、微觀統(tǒng)計思想

現(xiàn)實(shí)生活中許多物理現(xiàn)象都是微觀粒子運(yùn)動的結(jié)果，一個或少數(shù)粒子的運(yùn)動是無規(guī)律的，但大量粒子的運(yùn)動卻能表現(xiàn)出一定的特性。科學(xué)家在解釋這些物理現(xiàn)象時先選取含大量微觀粒子的樣本分析研究統(tǒng)計其性質(zhì)，從而推測相應(yīng)總體的性質(zhì)，其實(shí)質(zhì)就是用樣本估計整體，這種研究問題的方法的客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的思想就是微觀統(tǒng)計思想。

高中物理教材中蘊(yùn)含的微觀統(tǒng)計思想主要體現(xiàn)為：（1）分子的運(yùn)動；（2）電子的運(yùn)動；（3）干涉與衍射紋樣的形成；（4）半衰期、核能的產(chǎn)生等。

應(yīng)用：高考考前的試測，疫苗使用前的抽樣評估，高考改革的試點(diǎn)，等等。

筆者在教學(xué)中堅持滲透物理思想和方法，幫助學(xué)生站在更高的層面理解物理概念和規(guī)律，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。許多年以后，學(xué)生的物理知識可能會遺忘，但物理思想一定會對他們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)然，本文所述物理思想畢竟有限，高中物理教材中蘊(yùn)含的物理思想還有許多，筆者在這里僅起一個拋磚引玉的作用，期望大家繼續(xù)挖掘，給予物理思想更多的關(guān)注和研究，并滲透到物理教學(xué)中，促進(jìn)大物理教育觀的實(shí)現(xiàn)。