基于物理文化視角的高中物理教學(xué)實踐與思考

董川

［摘 要］物理學(xué)蘊含著豐富的文化內(nèi)涵及育人價值。高中物理教師應(yīng)以物理文化為根基，有效開展課堂教學(xué)?；谖锢砦幕暯牵處煈?yīng)充分挖掘教學(xué)內(nèi)容的文化內(nèi)涵，發(fā)揮物理文化的育人價值；有效整合物理教學(xué)資源，使學(xué)生深刻領(lǐng)悟物理的內(nèi)涵和文化。

［關(guān)鍵詞］物理文化；高中物理；教學(xué)實踐

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）18-0038-03

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，要把立德樹人的成效作為檢驗學(xué)校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)，真正做到以文化人、以德育人，不斷提高學(xué)生思想水平、政治覺悟、道德品質(zhì)、文化素養(yǎng)。物理學(xué)蘊含著豐富的文化內(nèi)涵及育人價值。在物理教學(xué)中，教師要重視物理文化的滲透，能夠在給學(xué)生傳授物理知識、啟發(fā)學(xué)生思考問題的同時，引導(dǎo)學(xué)生深入了解物理知識的形成背景、物理觀念等物理文化內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生深刻理解物理知識，培養(yǎng)學(xué)生的人文精神和審美情趣。

一、物理文化的內(nèi)涵

物理文化作為科學(xué)文化的一個子系統(tǒng)，會對人的觀念、行為和精神有一定的影響。解世雄教授采用“總和式定義”的方法定義了物理文化：物理文化是古代哲學(xué)家、近代物理學(xué)家和現(xiàn)代物理共同體歷經(jīng)數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識體系、價值標(biāo)準(zhǔn)、觀念形態(tài)以及一些約定俗成的實際工作方法的總和。

二、物理文化的育人價值

文化對教育的發(fā)展有著一定的影響和制約作用。物理文化具有以下價值。

（一）智育價值

在物理文化的教學(xué)中會涉及實驗操作、現(xiàn)象觀察、思考探究以及分析、演繹等思維活動，而這些活動對學(xué)生的智力開發(fā)有著顯著的推動作用。

（二）德育價值

物理文化和物理教學(xué)的有機(jī)融合可以直接影響學(xué)生的思維品質(zhì)和精神面貌。教師通過介紹物理學(xué)家的探究過程，講述他們不懈探索的精神，可對學(xué)生進(jìn)行思想上的熏陶，實現(xiàn)德育教育。

（三）美育價值

物理學(xué)蘊含著簡潔美、對稱美、和諧美，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟迪學(xué)生心靈。在物理教學(xué)中融入物理文化可以提升學(xué)生審視美和鑒賞美的能力。

三、基于物理文化視角的高中物理教學(xué)實踐

高中物理教師可基于物理文化視角從以下兩個方面開展高中物理課堂教學(xué)。

（一）充分挖掘文化內(nèi)涵，發(fā)揮物理文化的育人價值

1.從顯性角度挖掘教學(xué)內(nèi)容的文化內(nèi)涵

人教版高中物理教材的“科學(xué)漫步”欄目內(nèi)容主要包括物理學(xué)史、物理前沿以及技術(shù)與生活，蘊含有大量顯性的物理文化元素，對提高學(xué)生的物理文化素養(yǎng)具有重要作用。教師要認(rèn)真梳理“科學(xué)漫步”欄目的內(nèi)容分類，深入挖掘其物理文化內(nèi)涵，充分發(fā)揮物理文化的育人價值。

［案例1］“科學(xué)漫步”欄目中《伽利略對自由落體運動的研究》一文介紹了伽利略的斜面實驗。伽利略的斜面實驗是“最美麗”的十大物理實驗之一。伽利略認(rèn)為自然界的規(guī)律是簡潔明了的，他在猜想物體的下落速度與時間成正比之后，就用實驗來檢驗自己的猜想是否正確。在伽利略所處的年代，人們對“速度”這個概念還很模糊，也不能直接測速度，但是可以直接測距離。伽利略利用數(shù)形轉(zhuǎn)換的方法推導(dǎo)出“若速度與時間成正比，則位移與速度的平方成正比”的結(jié)論，把不方便直接測量的速度v轉(zhuǎn)化為可直接測量的下落距離x，把研究速度和時間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為研究位移和時間的關(guān)系。物體下落得非?？欤侣?5 m大約需要1 s，那我們?nèi)绾螠y量時間呢？計時工具已經(jīng)不可能更準(zhǔn)確了，我們只能讓自由落體變得“慢一些”，那我們該怎么做呢？伽利略的創(chuàng)新意識非常強(qiáng)，他想到小球在斜面上從相同的高度下落時，斜面傾角越小，小球運動時間越長，就越好計時，由此將速度與時間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為研究位移與時間的關(guān)系，即只要證明x/t2=定值，即可說明速度與時間成正比。伽利略在研究自由落體運動的過程中不僅確立了許多描述運動的基本概念，還創(chuàng)造了一套極為重要的科學(xué)研究方法，即將實驗探究和邏輯推理相結(jié)合。如果將伽利略的這些研究方法介紹給學(xué)生，無疑會給學(xué)生開展科學(xué)探究提供重要的借鑒。

［案例2］“科學(xué)漫步”欄目中《黑洞》一文介紹了一種特殊的天體——黑洞。在學(xué)完“宇宙航行”一節(jié)后，學(xué)生已經(jīng)知道了第一宇宙速度、第二宇宙速度及其意義?！翱茖W(xué)漫步”欄目介紹黑洞的內(nèi)容，可加深學(xué)生對宇宙速度的理解，拓展學(xué)生對宇宙和天體的認(rèn)識。如“理論分析表明，逃逸速度是環(huán)繞速度的[2]倍，即[v'=2GmR]。這個關(guān)系對于其他天體也是適用的。因此可知，天體的質(zhì)量m越大，半徑R越小，逃逸速度也越大”。在此基礎(chǔ)上啟發(fā)學(xué)生思考：會不會有這樣的天體，它的質(zhì)量更大，半徑更小，逃逸速度更大，以[3×108] m/s的速度傳播的光都不能逃逸？如果宇宙真的存在這種天體，即使它確實在發(fā)光，它的光也不能進(jìn)入太空，我們也根本看不到它，這種天體就是黑洞?！盀槭裁匆芯亢诙茨?？”很多人會有這樣的疑問。對此，宇宙學(xué)家霍金借用一位探險家的話給出了回答：“為什么要攀登珠穆朗瑪峰——因為它就在那里?！北竟?jié)課展示的“黑洞”的內(nèi)容雖略高于考試要求，但與高中物理知識體系密切相關(guān)。

評析：“科學(xué)漫步”欄目內(nèi)容作為教學(xué)內(nèi)容的遷移和拓展，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，加深學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解，又能幫助學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度。

2.從隱性角度挖掘教學(xué)內(nèi)容的文化內(nèi)涵

與“科學(xué)漫步”欄目所蘊含的顯性物理文化元素相比，物理教學(xué)中應(yīng)用的物理思想、物理方法以及解決未知問題的能力等隱性的物理文化元素更需要教師進(jìn)行深度挖掘。

［案例3］在“動能定理”的教學(xué)中，筆者沒有采用教材中把勻變速直線運動情形下恒力做功所得的特殊結(jié)論通過簡單的補充性說明就認(rèn)定為動能定理的方法，而是以問題串的形式做了如下進(jìn)階設(shè)計。

情境導(dǎo)入：遼寧號航空母艦是我國第一艘服役的航空母艦，是我國海軍走向深藍(lán)，成為真正的大國戰(zhàn)略型海軍的重要標(biāo)志。遼寧號航空母艦的甲板由水平甲板和上翹甲板兩部分構(gòu)成（見圖1）。假設(shè)上翹甲板BC是與水平甲板AB相切的一段圓弧。

問題1：若水平甲板AB的長為L，在水平甲板AB段，不計一切阻力，在恒定推進(jìn)力的作用下，飛機(jī)由[vA]加速到[vB]，則該過程中推進(jìn)力做的功是多少？

[W=FLF=mav2B-v2A=2aL?W=12mv2B-12mv2A]

問題2：若在水平甲板[AB]段，飛機(jī)所受阻力恒定，在恒定推進(jìn)力的作用下，飛機(jī)由[vA]加速到[vB]，則該過程中合外力對飛機(jī)做的功是多少？

問題3：單個恒力和多個恒力作用下都滿足[W=12mv2B-12mv2A]，在水平甲板[AB]段，飛機(jī)在水平方向?qū)嶋H上受到電磁彈射器所施加的力和發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的推進(jìn)力以及所受阻力隨速度不斷變化等因素的影響，即所受的力是變力，飛機(jī)由[vA]加速到[vB]，則[W=12mv2B-12mv2A]的關(guān)系仍然成立嗎？

這樣，利用微元思想將變力作用轉(zhuǎn)化為無數(shù)個很小位移上的恒力作用，巧妙溝通了宏觀與微觀的聯(lián)系，使學(xué)生在“無限小”的量中把握“變”與“不變”的關(guān)系。

問題4：[12mv2]是動能與質(zhì)量和速度的定量關(guān)系嗎？在直線運動中，[W=12mv2B-12mv2A]始終成立，能否稱之為定理？請說明理由。

學(xué)生很容易得出以上三類情境都是直線運動中力的作用模型。

問題5：飛機(jī)起飛后，進(jìn)行投彈演習(xí)，若忽略空氣阻力，炮彈以水平速度[v0]做平拋運動，則在速度由[vA]變?yōu)閇vB]的過程中力對炮彈做的功是多少？

問題6：圓弧甲板[BC]段，飛機(jī)由[vB]加速到[vC]的過程中所受合力對飛機(jī)做的功是多少？

由直線運動到曲線運動，由恒力作用到變力作用，最后得出功與速度的定量關(guān)系[W=12mv2B-12mv2A]具有一般性。

教師總結(jié)：在構(gòu)建動能表達(dá)式時，可以對重力做功和合力做功進(jìn)行類比。[mgh]是一個與位置相關(guān)的物理量，與運動過程無關(guān)，重力勢能的表達(dá)式為[Ep=mgh]；[12mv2]是一個與運動過程無關(guān)的狀態(tài)量。還可以從物理學(xué)史的發(fā)展角度加以拓展，如笛卡兒提出應(yīng)把物體的大小和速度的乘積稱為“運動量”，即[mv]，而布萊尼茨認(rèn)為使一英鎊重的物體下落四英尺和使四英鎊重的物體下落一英尺，這兩種落體運動得到的[mv]不相等，而是質(zhì)量與速度的平方的乘積[mv2]相等。亥姆霍茲在《論力的守恒》中提出了[mgh=12mv2]的概念，但沒提出動能的觀點。直到定義了“功”的概念，即“元功等于受力與受力質(zhì)點無窮小位移的標(biāo)積”后，對功無論進(jìn)行何種坐標(biāo)下的積分，一定會產(chǎn)生[12mv2]的結(jié)果，于是該結(jié)果被命名為動能，積分式即為動能定理的表述。

評析：通過創(chuàng)設(shè)航空母艦上的艦載機(jī)起飛這一情境，體現(xiàn)物理學(xué)對社會發(fā)展的影響，增加學(xué)生的文化自信，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感。同時，基于學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，緊貼學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，采用問題進(jìn)階的形式，引導(dǎo)學(xué)生思考，使學(xué)生通過演繹推理得到新的結(jié)論——動能定理。這些理性思維、質(zhì)疑精神、演繹推理的方法，以及通過物理學(xué)史感悟物理學(xué)家建立物理概念和發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程是物理文化的精髓，這些物理文化會影響學(xué)生的終身發(fā)展。

（二）有效整合物理教學(xué)資源，使學(xué)生深刻領(lǐng)悟物理的內(nèi)涵與文化

物理學(xué)以觀察和實驗為基礎(chǔ)，重點是讓學(xué)生“做”科學(xué)，而不是“讀”科學(xué)?！捌科抗薰蕻?dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”，教師可引導(dǎo)學(xué)生自制實驗器具，讓學(xué)生在思考問題、自主探究的過程中領(lǐng)悟物理的內(nèi)涵與文化，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度。

［案例4］①利用電磁爐和不銹鋼鍋自制電磁類實驗器材。在“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”“法拉第電磁感應(yīng)定律”和“變壓器”時，教師可以讓學(xué)生利用電磁爐和不銹鋼鍋自制一套簡易的實驗器具。具體過程為：在不銹鋼鍋體下半部分繞上一定匝數(shù)的導(dǎo)線，再把小燈泡接在導(dǎo)線上，接著把不銹鋼鍋裝入水后放在電磁爐上，打開電源，發(fā)現(xiàn)小燈泡隨著導(dǎo)線繞制匝數(shù)的增多而明顯變亮。另外，在做 “法拉第電磁感應(yīng)定律”的探究實驗時，可通過調(diào)節(jié)線圈匝數(shù)、更換電磁爐加熱擋位調(diào)節(jié)磁場變化的頻率，改變線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，通過觀察小燈泡亮度的變化，從而得出線圈中感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)、磁通量變化快慢的定性關(guān)系。②在教學(xué)“波的干涉”時，教師可以通過自制的魯本斯火焰管導(dǎo)入課堂，當(dāng)音樂響起時，火焰隨著音樂“起舞”，通過火焰的強(qiáng)弱表示音樂的波形，既壯觀又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。導(dǎo)入課堂時教師也可以將兩個完全相同的音箱和信號發(fā)生器相連，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個強(qiáng)弱不變的聲音，請學(xué)生用手捂住一只耳朵，在不同位置感受聲音強(qiáng)弱的變化。這兩個自制的器具都可以引發(fā)學(xué)生思考：是什么原因引起上述現(xiàn)象的？另外，在觀察繩波的干涉現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，而且實驗很難做成功，受到駐波實驗的啟示，教師利用兩個打點計時器產(chǎn)生相干波，使兩個相干波在同一直線弦繩上沿著相反的方向傳播，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象。這樣，有助于使學(xué)生全面觀察實驗現(xiàn)象，多角度思考問題，培養(yǎng)學(xué)生開放的發(fā)散思維。

評析：學(xué)習(xí)過程是思維和心理同時參與的過程。多元化整合資源、自制實驗器具的過程，是思考、想象、描述、體會的過程。通過引導(dǎo)學(xué)生參與、體驗和感悟，使學(xué)生深刻領(lǐng)悟物理的內(nèi)涵與文化。

物理課堂教學(xué)并非只是物理知識的學(xué)習(xí)，更是承擔(dān)著文化傳承的教育職能，這就要求教師在物理教學(xué)中深度挖掘物理文化，有效融入物理文化，用物理文化浸潤物理課堂，用物理文化提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)物理文化的傳承。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?解世雄.物理文化論［M］.重慶：西南師范大學(xué)出版社，1996.

［2］ ?張飛.多元化物理教學(xué)資源整合與應(yīng)用［M］.南京：江蘇鳳凰教育出版社，2021.

（責(zé)任編輯 ? ?黃春香）