物理教学理念刍议

王小伍

摘要：物理学习与数学基础密切相关，物理教学过程中需要利用数学手段来表达物理理念以及物理逻辑推理，由数学手段得到的结论再回到物理中来，指导生活生产。

关键词：物理教学；数学手段；物理教学理念

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）01-0266-02

一、前言

物理是一门研究自然界变化规律的科学。物理逻辑性强，物理教学中离不开数学，需要通过数学公式来表达物理思想，通过数学演算揭示事物发展规律，同时也为数学的发展提供新的命题。成功的物理的教学理念往往体现出物理和数学这种相辅相成的关系。

二、物理教学理念处处体现数学的重要性

物理教学应该具备相应的理念，这些教学理念也可以在物理、数学的密切关系中得到体现。在设计物理教学时应该具备的教学理念有：

1.注意分享物理发展史，介绍物理发展史上著名的物理问题的提出和解决过程，回顾大师足迹，激发学生兴趣，这就必然离不开阐述物理和数学的关系。物理发展史上有很多物理学家，他们同时也是数学家。比如牛顿，牛顿19岁时进入剑桥大学，他的第一任教授伊萨克·巴罗是个博学多才的学者，将自己的数学知识，包括计算曲线图形面积的方法，全部传授给牛顿，牛顿在数学的学习中走向了近代自然科学的研究领域，又在自然科学的研究中提出二项式定理、微积分、解析几何与综合几何、数值分析、概率论和初等数论，牛顿在他的论著《自然哲学中的数学原理》中明确提到了物理——数学方法，认为物理学范围中的概念和定律都应该“尽量用数学表达”。因此，介绍牛顿的贡献必然离不开介绍牛顿为物理、数学两个领域建立的桥梁，牛顿的贡献是阐述物理和数学之间不可分离的关系的最生动的实例。

2.提醒学生重视物理学科的研究方法，在传授知识点的时候介绍相应的方法论。物理问题的表述、解答、定律都离不开数学，物理学研究方法与数学发展紧密相关，不同分支的物理学科有其最重要的数学理论，要掌握不同分支的物理知识必须熟悉其相应的数学方法，否则就是离本之木。比如分析力学的创立者拉格朗日，在其名著《分析力学》中，在总结历史上各种力学基本原理的基础上，拉格朗日发展了达朗贝尔、欧拉等人的研究成果，引入了势和等势面的概念，建立了拉格朗日方程，把力学体系的运动方程从以力为基本概念的牛顿形式，改变为以能量为基本概念的分析力学形式，使得分析力学成为理论力学最重要的方法论。高斯通过对足够多的测量数据的处理，得到一个新的、概率性质的测量结果，在这些测量数据的基础之上，高斯专注于曲面与曲线的计算，成功得到正态分布曲线，其函数被命名为标准正态分布（或高斯分布），这种分布被广泛应用于分析和处理物理学中各种概率事件中。傅里叶认为数学是解决工程问题最卓越的工具，在他的著作《热的解析理论》中，傅里叶就系统运用了三角级数和三角积分（即傅里叶级数和傅里叶积分），此后以傅立叶著作为基础发展起来的傅立叶分析对近代物理和工程技术的发展都功不可没，因此，学好物理某一分支，就必须重点掌握并能够灵活运用这一分支需要的数学知识。

3.注重将物理知识与生活、社会联系起来，启发学生创造性思维，提高学生素质。国际纯粹物理与应用物理联合会在《新千年的物理教育》一文中认为：如果物理教育是为更多学生的全面发展服务的，那就应当重视物理学家的工作成果在社会上、技术上的应用，应当重视蕴涵于我们文化之中的物理学方法，应当重视物理学家这个专业群体的特点，如支持、贡献社会的方式等。如今，物理已经渗透到社会生活、技术的各个领域，比如，物理和化学之间，量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催化、功能材料等学科的兴起都是物理学的理论向化学领域的渗透；物理和生物学之间，量子生物学、分子生物学等也都是物理理论在生物学领域的进一步延伸和提高；再比如物理与经济学，股市模型、报酬经济学等都建立在物理模型和经济学基础相结合的基础上。然而，我们也必须注意到，物理向某个科学领域渗透的媒介必然是数学，物理学家对这一学科的贡献也报过了其用到的数学方法，因此，强调物理学的应用就必须强调数学的重要性。比如免疫的统计模型建立的基石是数学统计、回归分析论，通过各种先进数学算法得出规律性结论，多元判别分析预测结果与原判定结果差异等。股市模型可以建立在模糊数学方法基础上，应用模糊模式识别、评价股市技术面和基本面，指导股民进行理性投资。因此，物理向各学科领域渗透的过程，也是相应的数学知识与各领域特征知识进行结合的过程，只有深刻意识到这一点，物理思想才能在各学科领域中发光溢彩。

4.引导学生建立严谨、务实的求知态度，帮助学生认识到物理的哲学思想，实现自然科学和人文教育的大统一。物理是研究运动的科学，物理上的运动可以理解为变化，变化是自然界的客观存在，与人类的主观认知有不同的一面，这就要求我们在物理教育过程中，不能让人类的认知水平左右到对物理知识的接受，不能偏离物理客观的一面。而数学作为一门逻辑性很强的科学，最适合于作为物理教育的语言载体和分析工具，由数学推导、建立起来物理结论无疑最具有说服力，物理教学要以数学为主要载体，在数学的基础上向学生熏陶物理思想，在经得起推敲的层面上，保证物理知识的延续和发扬，同时培养思维细致、逻辑缜密的公民。爱因斯坦在他的狭义相对论中得出了“一切物体的速度不可以超过光速”的结论，而根据当时人们对引力的认识，似乎引力的传播速度却是无穷大，为了解决这一问题，最终爱因斯坦以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，在专门学习了黎曼几何、张量分析等数学知识后，利用数学手段进行推理、论证，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空的观点。爱因斯坦用数学方法得到的广义相对论中的推测，也最终由水星近日点进动中一直无法解释的43秒、引力红移、引力场使光线偏转等系列观测结论完美地证实。如今广义相对论已经被广泛承认，广义相对论的发展里程也正是一条典型的物理学发展进程：在自然界中发现变化—借助数学方法摸索规律—通过实验证实推断，这种思维方式应该在物理教学中得到落实。

三、在强调数学手段的重要性中贯彻物理教学理念

学习物理的目的分为：①研究物理而学物理；②为应用而学物理；③为提高文化素养而学物理。这就构成了物理教学目的的多样性或者说物理学习的多功能性。但从物理学的发展我们知道，18世纪，物理学归属于自然哲学，因为数学和实验的发展，使得物理学从自然哲学中分离出来，物理学研究不再以思辨哲学的方法为主，从定性表达发展到定量表达，塑造了现代物理学的新特征物，因此，物理研究终究需要通过数学手段来完成。物理和数学都是逻辑性强的学科，因此物理教学设计要关注学生渴求学习成功的心理，拓展教学方法和思路，使学生通过数学来理解物理，获得物理学习的乐趣，要尽可能多地在双向交流中进行数学推导，在数学的基础上采用提问模式、讨论模式、合作学习模式、答辩模式等。

参考文献：

[1]解世雄.物理文化研究对物理教育的启示[J].课程·教材·教法，2006，26（4）：56-59.