從幾道物理題看物理學(xué)科的核心素養(yǎng)

黃永

（蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)科技城校，江蘇 蘇州）

物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的4個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)中，“物理觀念”代表知識(shí)的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)[1]，“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”是關(guān)鍵能力，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是必備品格[2]。

運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念貫穿高中物理教學(xué)的全過程,是構(gòu)建物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)[3]。比如高中物理必修一第一章節(jié)《運(yùn)動(dòng)的描述》，是整個(gè)高中物理的基礎(chǔ)，提供了學(xué)習(xí)高中物理的基本物理量以及研究環(huán)境?；A(chǔ)知識(shí)不代表就是簡(jiǎn)單知識(shí)，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的考查，也不局限于簡(jiǎn)單的記憶，而是對(duì)物理觀念的深刻理解，甚至是知識(shí)的遷移。比如，一個(gè)核反應(yīng)方程式的考查：中子束轟擊氮核，生成碳14與未知物，求解未知物是什么。本題只是考查了核反應(yīng)方程這一物理觀念，但實(shí)際上絕大多數(shù)學(xué)生無法獲得答案。學(xué)生的疑問是到底有多少中子參與了核反應(yīng)。幾個(gè)中子可能同時(shí)進(jìn)入同一原子核，因?yàn)轭}干中說的是“中子束”轟擊氮核，而中子束里有很多中子。實(shí)際上這只是字面上的理解，學(xué)生并沒有結(jié)合核反應(yīng)這一物理規(guī)律的實(shí)際情況是中子進(jìn)入氦核可能性非常小，不太可能多個(gè)中子同時(shí)進(jìn)入氦核發(fā)生核反應(yīng)。所以，教師在教學(xué)過程中不能忽略一些必要的物理事實(shí)的解釋。

所以，不要小看物理觀念，它是我們進(jìn)一步深入研究物理現(xiàn)象與規(guī)律的基礎(chǔ)。只有對(duì)物理觀念深刻理解，才能讓我們的理論推導(dǎo)、科學(xué)探究能夠有理有據(jù)地順利進(jìn)行。為了讓學(xué)生重視物理觀念，在考試中，考卷都是以基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法為主，適當(dāng)添加一些有區(qū)分度的題目。這樣做的目的，一方面在于保護(hù)較為普通的學(xué)生，讓他們鞏固好基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，不對(duì)物理產(chǎn)生恐懼；另一方面在于挑選出物理學(xué)得較好的學(xué)生，可以在平時(shí)的練習(xí)布置和題目講解中進(jìn)行量身定制，促進(jìn)其快速發(fā)展。

物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確“科學(xué)思維”包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[4]，“科學(xué)探究”包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素[5]。

一、選擇理科的學(xué)生必須學(xué)會(huì)建立物理模型

現(xiàn)在的物理習(xí)題絕大多數(shù)是簡(jiǎn)單的模型，無論是老師教還是學(xué)生學(xué)，都感到很簡(jiǎn)單。但這不是模型建構(gòu)，只能算是認(rèn)識(shí)模型，生搬硬套知識(shí)點(diǎn)而已。學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)把生活中的實(shí)物、實(shí)際過程抽象出來，去偽存真、去粗取精，變成簡(jiǎn)單的物理模型。這就需要學(xué)生在物理模型的學(xué)習(xí)過程中多觀察、多思考、多練習(xí)、多接觸生活。讓物理模型不再神秘，進(jìn)入我們的生活中來。只有在不斷運(yùn)用的過程中，學(xué)生才能體會(huì)到從生活實(shí)例到物理模型的樂趣，也將提高建模的熟練度。

模型構(gòu)建來源于生活，只有熱愛生活、熱愛物理的學(xué)生才能樂此不疲地在生活中體會(huì)物理的樂趣。比如，生活中常見的一堆沙子，在底面積已知的情況下，沙子堆到一定的高度就無法再堆了。當(dāng)我們第一次見到這樣的題目時(shí)，是不是感覺無法下手？這是一道關(guān)于斜面動(dòng)力學(xué)的題目，沙子無法再堆的原因是什么？是斜面太陡了，沙子容易打滑。打滑是什么意思？摩擦力達(dá)到最大值，即滑動(dòng)摩擦力。接下來利用斜面上的三力平衡即可求得斜面傾角，進(jìn)而根據(jù)幾何關(guān)系可得沙子高度。

從這道簡(jiǎn)單的物理建模題型可以看出，物理建模在物理解題、解決生活中的問題的重要性。而且在分析的過程中，需要我們具備最基本的物理觀念——最大靜摩擦力、三力平衡，需要我們熟悉最基本的模型——實(shí)物模型、過程模型、數(shù)學(xué)模型。沙子這一研究對(duì)象，可能就已經(jīng)難倒一大批學(xué)生了，因?yàn)樵谄綍r(shí)練習(xí)中幾乎從來沒有研究過一顆沙子的動(dòng)力學(xué)。實(shí)際上牛頓的動(dòng)力學(xué)在一切宏觀運(yùn)動(dòng)中都適用，大到宇宙中的天體，小到空氣中的塵埃。所以本題一旦物理模型構(gòu)建成功，剩下的就是物理基本觀念的運(yùn)用，再難的題目也能迎刃而解了。

二、如何理解科學(xué)推理與科學(xué)論證

凡事需要講依據(jù)，依據(jù)就是已知的物理觀念。比如，在萬有引力這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過程中，我們會(huì)遇到關(guān)于求地球內(nèi)部某點(diǎn)的重力加速度的問題。在求解這一問題時(shí)，我們需要提前理解萬有引力公式，知道萬有引力公式的適用范圍，萬有引力公式中各字母代表的意思。在這一前提下，很容易知道，萬有引力公式不適用這種情況。接下來就是本題關(guān)鍵的突破口了，題目中有一已知條件，球殼對(duì)內(nèi)部沒有萬有引力。所以，可以過地球內(nèi)部所求的這個(gè)點(diǎn)，以地球球心作一個(gè)球，這個(gè)輔助球外面就是球殼，可以忽略不看。至此，本題就簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量分布均勻的輔助球體對(duì)其表面上一點(diǎn)的萬有引力問題。

這一題在萬有引力這一知識(shí)點(diǎn)中，應(yīng)該屬于中等偏難的題目了。但其實(shí)要想解決這個(gè)問題，只需要我們具備一些基本的物理觀念與幾何知識(shí)。最重要的是，當(dāng)我們無處下手時(shí)，需要的是冷靜的思考，思考我們學(xué)過的知識(shí)。借助科學(xué)的推理、科學(xué)的物理方法，必定可以化繁為簡(jiǎn)，迎刃而解。

物理方法需要平時(shí)的積累與不斷地運(yùn)用，才能在需要的時(shí)候信手拈來。只有在平時(shí)對(duì)各種物理方法不斷使用，才能在考試過程中使用得更加得心應(yīng)手。比如，在電場(chǎng)強(qiáng)度這一節(jié)的教學(xué)中，我們會(huì)遇到求解非常見電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度的問題，比如帶電球殼、半球殼。而這類問題在電場(chǎng)這一節(jié)屬于中等偏難題型，因?yàn)樗鴮?duì)物理方法的靈活應(yīng)用。牢牢抓住題目中的唯一已知條件，帶電球殼對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零，意味著兩個(gè)半球殼的電場(chǎng)強(qiáng)度在球殼內(nèi)相互抵消，即兩半球在某處的場(chǎng)強(qiáng)大小相等，方向相反，再根據(jù)對(duì)稱性，可以求解本題。

本題屬于場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算問題，但沒有運(yùn)用任何場(chǎng)強(qiáng)公式求解，用的只是對(duì)題目的理解與對(duì)稱性這一物理方法。但如果認(rèn)為這個(gè)知識(shí)點(diǎn)很簡(jiǎn)單，就大錯(cuò)特錯(cuò)了。對(duì)稱思想在這一題里需要多次運(yùn)用，多次轉(zhuǎn)換，學(xué)生在第一次接觸時(shí)，很容易弄錯(cuò)。所以關(guān)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解不能快，最好引導(dǎo)學(xué)生來解決。高中學(xué)生已經(jīng)有足夠的思考能力，我們?yōu)槭裁床话阉麄兂瑥?qiáng)的思維給開發(fā)出來呢？

三、如何理解質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑是高考對(duì)學(xué)生的更高要求。質(zhì)疑不是隨意否定，而是在一定的依據(jù)下進(jìn)行推理，從而形成自己的獨(dú)特的觀點(diǎn)。質(zhì)疑是否正確，取決于學(xué)生的推理過程是否符合科學(xué)。這就需要學(xué)生具備一定的物理基礎(chǔ)知識(shí)，掌握足夠的科學(xué)方法，有一雙善于觀察的眼睛、一個(gè)愛思考的大腦，提出合理的猜想，進(jìn)行科學(xué)推理，才能得出正確的結(jié)論。

隨著物理高考的不斷改革，試題的新意越來越多，試題的開放性、實(shí)驗(yàn)的探究性是對(duì)學(xué)生的全方位的考查。試題的開放性導(dǎo)致題目與生活實(shí)際關(guān)聯(lián)變得更緊密，需要學(xué)生用物理觀念來處理題目中的一個(gè)又一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，用成熟的科學(xué)思維建立合理的物理模型，借助嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评磉^程理清內(nèi)部各種關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)的原型來源于教材，但又與教材不完全相同。也就是在考試中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)變了樣。這就需要學(xué)生有一雙火眼金睛，能夠準(zhǔn)備識(shí)別出它的實(shí)驗(yàn)原理，而不能單憑死記硬背。所以在平時(shí)的教學(xué)過程中，需要多一點(diǎn)教材的挖掘、多一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)原理的理解、多一點(diǎn)科學(xué)方法的探究。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中探究透了、理解透了，自然在練習(xí)過程中就能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)形式的不斷變化。

機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)是非常重要的高中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。我們以這個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，研究學(xué)生需要具備哪些能力。在歷次的考查中，我們可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生最容易出錯(cuò)的就是實(shí)驗(yàn)原理。我們總認(rèn)為，學(xué)生連機(jī)械能守恒定律計(jì)算題都搞定了，這小小的實(shí)驗(yàn)還能不理解嗎？殊不知，在實(shí)驗(yàn)操作題面前，一個(gè)小小的動(dòng)力學(xué)可能就要難倒一大片了。比如，在探究連接體的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)中，要求寫出驗(yàn)證機(jī)械能守恒的表達(dá)式。因?yàn)樯婕傲诉B接體，很多學(xué)生對(duì)于重力勢(shì)能、動(dòng)能的變化就難以看清了，甚至研究對(duì)象是連接體都不知道。所以，無論什么實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理這一物理觀念必須熟練掌握。

無論是研究單個(gè)物體的機(jī)械能守恒，還是研究連接體的機(jī)械能守恒，實(shí)驗(yàn)原理都是重力勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化。在考試、生活中，我們可能會(huì)遇見不同模型，但實(shí)驗(yàn)原理是不會(huì)變的。我們?cè)谄綍r(shí)的練習(xí)中，重點(diǎn)對(duì)這兩種模型進(jìn)行討論，目的在于對(duì)原理的理解與鞏固。了解模型不是目的，理解實(shí)驗(yàn)原理才是目的。所以我們平時(shí)的教學(xué)過程中，可以讓學(xué)生多見識(shí)一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使其有更多的練手機(jī)會(huì)，從而能夠更深刻地理解實(shí)驗(yàn)原理。

以自由落體為例的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)中，需要我們判斷V2-h圖像滿足什么關(guān)系時(shí)，機(jī)械能守恒。做這一題時(shí)，很多學(xué)生是在猜想，正比或反比。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，90%以上的學(xué)生在這一題會(huì)出錯(cuò)。因?yàn)樗粌H僅是正比反比的問題。這就又回到了前面說過的，我們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理，不能做隨意的判斷。我們的所有判斷都應(yīng)該來源于科學(xué)論證。