从物理学特质看高中物理教学任务

段红民

【摘 要】物理是一门基础自然科学，有其独特的学科特质。文章对物理学特质、对比数学中的物理问题与物理教学中的物理问题，在高中物理教学中如何体现这些特质，如何更好地完成物理的教学任务等问题进行探讨，并结合高中物理教学实际，列举了一些具体的教学构想和操作，以期为完善高中物理教学提供有益探索。

【关键词】物理学特质；物理教学任务

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2017）09-0012-04

在高中物理教学中，我们经常看到这样一种局面——在新课教学中，教师急于结束新课内容，有人提出15分钟结束新课，剩下的时间就是应用物理概念和规律解题；在习题课中，教师编写了大量习题，从知识的各个方面训练学生解题，似乎只有这样训练，学生才能应付考试，考取高分。这与“高中物理课程应体现物理学自身及其与文化、经济和社会互动发展的时代性要求，肩负起提高学生科学素养、促进学生全面发展的重任”的课程标准显然相悖。题海式教学不是师生需要的真实世界的物理教学，如何依据物理学的特质进行教学设计和实践，让学生在物理课堂中，切实体验物理知识形成的过程，充分感受掌握物理概念和规律的乐趣，形成科学的学习方法和有效解决新问题的技能，全面提高学生的科学素养，才是物理教师的使命。

一、物理学的特质概述

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因而它成为其他自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科。从物理学定义和物理学发展史来看，物理学的特质主要包含以下方面：

特质一：物理学发展中蕴含的思辨、逻辑方法是人类文明发展的重要成果。

观察、思辨和逻辑推演是物理学发展的基本手段。物理源于观察，人们观察和研究各类运动，是为了探究其中蕴藏的规律，再将其运用于生产实践，以提高人类生产、生活水平，推动社会发展和进步。在物理学发展过程中，每个概念和规律的形成和得出都充满了思辨和逻辑推演，其中蕴含大量的思辨素材，充满了想象力和逻辑思维的光辉，为教学提供了丰富的资源。

特质二：实验是物理学发展的生命线。

物理学是建立在大量实验事实的基础上的，物理实验的特色在于精密而定量的测量，而且在可控制和可重复的条件下进行。只有在取得大量可靠数据并总结出经验规律之后，才能建立融会贯通的理论体系，而理论一旦建立以后，就要针对特定的问题从理论推导出具体的预言，再通过进一步的实验来证实或证伪。经过反复印证，物理学的理论才具有较高程度的可信性。而每一个物理学实验，从设计、论证到具体实践验证和探索历程，无不体现了物理学家的智慧、精巧；无不浸透了他们的心血和汗水，这需要我们大力挖掘和理解，并在教学中体现出物理实验的育人功能。

特质三：数学是表达物理学的理论结构的语言。

17世纪苏格兰数学家纳皮尔为简化运算发明了对数，大大地推动了天文学的发展，以至于伽利略赞叹道：给我空间、时间和对数，我可以创造一个宇宙！由此可见，数学是物理学的语言和有力工具，概括物理现象、形成物理概念、整理实验数据、进行逻辑分析、建立物理定律、利用数学图像展示物理规律等物理学的研究和学习过程都离不开数学。

二、物理问题在高中数学和物理教材中的不同呈现，表明高中物理教学必须凸显物理学学科特质

物理作為一门基础自然科学，学习它绝不仅是为了应付高考的要求，其学科特质决定了高中物理课程必须有助于学生学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情，这是其他学科不可替代的。

翻开人教版《普通高中课程标准实验教科书数学必修1》，发现例题或练习中所涉及的物理问题或模型就高达10个，题量高达20题，内容涉及运动学、流体力学、声学、热学、原子物理等模块的知识，乍一看，似乎高中物理学习已经没有必要，实际情况并非如此。那么，数学教材中物理问题的呈现与物理教学中该问题的呈现有何不同，又能给我们哪些启示？下面以“竖直上抛运动”这一知识点为例来说明：“菊花”烟花是非常壮观的烟花之一，制造时一般期望在它达到最高点时爆裂。如果烟花距地面的高度hm与时间ts之间的关系为h（t2）=-4.9t2+14.7t2+18，那么烟花冲出后什么时候是爆裂的最佳时刻？这时距地面的高度是多少（精确到1m）？

同一问题在“高中物理必修2”教材中：已知竖直上抛物体的初速度v0，试求：①物体上升最大的高度及上升到最大高度所用的时间；②物体由最高点落回原地时的速度，以及落回原地所用的时间。

通过二者对比可以发现：“数学中的物理问题”虽然展示了需要处理的物理问题的实际情景，但其重点不在于如何构建处理该问题的数学模型“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”，而在于告知该模型后如何运用二次函数的知识求解当自变量t是多少时，函数能取最大值，且最大值是多少，而要做到这一点只要将函数写成顶点式（用配方法）即可；在“高中物必修2”中所描述的“竖直上抛”问题，却需要学生根据实际情况， 在“s=v0 t-g t2”“h=”或“t=”等这一系列匀变速直线运动规律公式中自己寻找合适的公式来求解，至于函数中“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”中的-4.9是何含义，怎么得到的？这恰恰是数学教材中所不能解答的，或者说不需要解答的，因为学生还要学习物理课程。应该说，数学教材所编排的这些问题让学生开阔了视野，充分体现了数学作为基础工具学科在各领域的强大功能，很好地体现了教改的理念。

所以我们应该思考：是否在很多物理常规教学中忽视或太快结束了物理教学中最具物理特质的部分——物理概念和物理规律的形成过程，对于其形成过程中“观察——假想——构建（思辨）——验证（实验）——应用（适用条件）——拓展（创新）”只强调了其中的“应用”环节，并通过大量练习来提高应试成绩，而忽视了最具物理美学的其他环节？利用题海战术提高物理成绩显然是舍本求末，结果注定是事倍功半。所以，在教学中，精心进行教学设计，让学生真正地重演物理知识的形成过程，使他们感受物理学家的思辨光辉、体验实验成败的考验及建立起科学理论的艰辛和喜悦，对于后期运用好这些概念和规律解决新问题有着事半功倍的作用。

进一步分析，我们发现虽然数学教材中设计的物理问题、模型众多，但它们只是一些按数学知识运用需要的零散知识的集合，彼此之间没有逻辑关联，更谈不上形成系统和理论，这提醒我们在教学中必须理清高中物理课程中各模块、各章节、各知识点之间内在的逻辑关联和认知秩序，并在教学中体现物理学科的这一特点。

三、从物理学特质看高中物理教学任务

1. 教学要体现物理学思辨、逻辑的特质，培养学生的科学学习能力

物理学区别于其他任何一门自然科学的最大特点就是，所有的知识内容都具有很明显的逻辑发展关系，环环相扣，思维缜密。高中物理教材就充分体现了这一特点，这对于构建充满逻辑思维的课堂大有帮助。教学中，可以先行对高中物理课程中各模块、各章节、各知识点之间内在的逻辑关联和认知秩序构建，引导学生养成科学的学习方法和大局观，实现知识的意义构建。

例如，“高中物理必修1”（粤教版）物理，各章知识点可以构建以下逻辑关系图（图1）：

通过引导，学生可以很快分清模块一中各知识点的逻辑发展和层次关系，对于牛顿第二定律的核心作用也一目了然。

2. 深入开发实验教育功能，培养学生处理新问题的能力

教学中，善用教材，突出实验教学，努力创造能使学生体验物理知识形成过程的环境和条件，使学生感受其中的艰辛和乐趣，学到科学的思维和处理问题的方法，得到实验历练。

例如，在《高中物理选修3-2》（粤教版）“感应电流的方向”教学中，教材提供了如表1实验探究图表。（其中，A—F行中各实验得出量为笔者所填）

如何从数据表格中得出正确的结论？

“感应电流的方向”（楞次定律）的教学内容可以说是高中物理教学中难教、难学的内容之一，因为定律中对于“感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的原磁通量的变化”的描述十分精准，每个字都不可替代，蕴含深意，仅凭教师讲解，学生是不能深刻地理解和运用好这一定律的，需要学生体验其中的物理探究过程。此外，面对繁杂的实验数据，如何进行科学地处理，也能极大提高学生的思辨能力，练习应对新问题的解决思路和方法，考验学生的意志品质，所以我们应知难而进。

限于篇幅，笔者只解读实验数据的处理过程。

首先，在得到表1中A—F行中各实验数据后，面对大量数据，我们需要采取“确定自变量和对应改变量之间的逻辑关系，如果自变量相同，而改变量不同则逻辑不相关，只有二者一一对应，才是逻辑相关”的判定原则，寻找逻辑相关量。根据实验操作，可知A、B中的数据是实验中的两组自变量。

第一轮的对比筛查，以A作为自变量开始。

分别用A对比C中数据，当“原磁场磁场方向”都“向下”时，C中的“指针偏转”出现了“左偏”“右偏”两个不同的结果，显然A与C逻辑不相关。如用A对比D中数据，当A中左4格“原磁场磁场方向”都“向下”时，D中的“线圈中感应电流方向（俯视）”出现了“逆时针”“顺时针”两个不同的结果，显然A与D逻辑不相关。同理，可以发现A与E、F均为逻辑不相关。可以得出结论，从A的变化中不能得出相应变化规律。

第二轮的对比筛查，以B作为自变量开始。

分别用B对比C中数据，当“穿过线圈的磁通量变化”都“增加”时，C中的“指针偏转”出现了“左偏”“右偏”两个不同的结果，显然B与C逻辑不相关。如用B对比D中数据，当B中第1、2、5、6格（从左向右）“穿过线圈的磁通量变化”均为“增加”时，D中的“线圈中感应电流方向（俯视）”对应出现了“逆时针”“顺时针”两组不同的结果，显然B与D逻辑不相关。

同理，可以发现B与E也为逻辑不相关。对比B、F，我们可以发现，二者存在逻辑关联，故得出结论：当原磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；当原磁通量减小时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。进一步整理提炼得到楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的原磁通量的变化。

重视教材，善用教材，理解教材编写的意图，其实就是取得完善学生知识结构、启发学生思维的最佳和最简的途径，因为教材本身就蕴含了物理学科的特质，有待教师去理解和开发。

3. 学会构建数学模型来表达物理情境，为学生未来发展奠定基础

深入挖掘物理史实，注重还原物理概念和物理规律的形成过程，让学生体会数学对于物理学发展的强大支撑作用，从而更自觉地利用数学工具来解决物理学的新問题。

下面以人们对匀变速直线运动规律的认识过程为例说明：在对匀变速直线运动规律的教学中，不少教师都引用了——伽利略的“羊皮卷”中记录的关于初速为零的匀变速运动的实验数据来启发学生发现位移与运动时间t之间的s∞t2的关系，详见表2，（其中数据来自原始记录），的确，如果仅作为探究习题的演练无疑是极好的素材，但事实是怎样的？伽利略当年为何要做这个实验，又是怎样做的？其实验的最终目的又是如何？自由落体运动规律是如何得到的？

真实的情况是：在公元14世纪30年代，英国牛津大学默顿学院的W.海特斯伯里等数学家已经通过数学推理认识到了“匀变速运动”即为“均匀加速的运动是指在相同的时间内其速度的增量相同”的运动，得到了速度随时间而变化的函数关系，但没有具体提出加速度的概念。200多年后，伽利略在此基础上进一步研究了自由落体运动，从而揭开了匀变速直线运动规律的神秘面纱。伽利略认识到了v-t图像中速度图线与时间所包围的面积即为质点相对应的位移，所以他假设自由落体运动为初速为零的匀加速直线运动，首先依据面积互补理论（图2中阴影部分面积相等），推断了从静止开始做匀加速运动的物体平均速度v=■（如图2所示），接着又由Vt ∞ t和S=v · t推导了自由落体运动位移与时间的关系为s ∞ t2，但是由于自由落体运动下落时间太短，依据当时的条件根本无法测量时间，于是巧妙设计了铁球从斜面上匀加速滚下（如图3所示）的装置来进行验证，他利用同一开关控制铁球滚动和水的下流，经过上百次的实验，终于得到了“羊皮卷”中的数据，从而“验证”了前面的s ∞ t2推断。当他不断抬高斜面的倾角时，发现s ∞ t2关系依然成立，只不过时间更短了，于是他做出了自由落体运动就是一种初速度为零的匀加速直线运动的判断，而且得到了下落与铁球本身的重力大小无关的重要结论。

通过上述学习，学生不光可以理解和掌握物理学规律，还能充分感受到数学作为工具学科对物理学的强大支持作用，更能学会构建数学模型来处理物理实际问题，学会用精准的数学语言来表达物理问题，这对于学生科学素养的提升非常重要。

四、教学中的几个认识误区

不少教师认为，在教学中花时间到体验物理学概念、规律的形成过程的学习还不如直接学习，加强练习来得更有效，其实这和“磨刀不误砍柴工”的道理一样，如果学生能知其然，还能知其所以然，就能学到物理学的精髓。

鼓励教师在实际教学中为学生创造物理知识的形成过程的体验或学习，并不是仅让他们了解或学会在当时条件下如何研究、实验，而是学习物理学家的思辨方法和科学精神，感受物理学家研究思想的发展历程，以便学生形成感悟后迁移到现代社会中去解决新问题。

不是所有的学生都能成为物理学家或从事物理学方面的工作，物理教学的追求应是让孩子们感受物理学的实验美、思辨美、实用美，体验学习物理的乐趣，养成科学的学习思维和习惯，成为具有较高科学素养的公民。

参考文献：

[1] 普通高中物理课程标准[Z].

[2] 周光召.中国大百科全书（物理学）[M].北京：中国大百科全书出版社，2009.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，中学数学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书数学必修1[M].北京：人民教育出版社，2015.

[4] 广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理必修2[M].广州：广东教育出版社，2015.

[5] （美）卡茨.数学史通论[M].第二版，李文林等译.北京：高等教育出版，2004.

（编辑：易继斌）