给学生一个基本完整和全面的物理世界——物理选修3-5作为高考物理必考内容的必要性

汤玉林唐挈

（1.北京市第四中学，北京 100034；2.北京市第八中学，北京 100033）

给学生一个基本完整和全面的物理世界
——物理选修3-5作为高考物理必考内容的必要性

汤玉林1唐挈2

（1.北京市第四中学，北京 100034；2.北京市第八中学，北京 100033）

2017年普通高考考试大纲明确将物理选修3-5模块作为必考内容。本文基于目前正在修订的《普通高中物理课程标准》中关于高中物理学科核心素养的表述，分别从有利于学生“科学思维”的提升、有利于丰富学生对“科学探究”的体验、有利于学生“物理观念”的更新和建立、有利于学生对“科学态度与责任”的内化四个角度，阐述物理选修3-5作为高考物理必考内容的必要性。

高考改革；高考物理；考试与教学；核心素养

2016年10月，2017年普通高考考试大纲修订内容公布，明确将《普通高中物理课程标准》中的选修3-5作为必考内容，其中包括“动量守恒定律”“波粒二象性”“原子结构”和“原子核”四部分内容。在谈到做这种调整的基本考虑时，教育部考试中心负责人在就2017年高考考试大纲修订答记者问时指出：“物理科将以往的动量和近代物理等选考内容列为必考，目的是满足高校对人才选拔和未来培养的基本素质要求，又有利于引导中学教学加强对物理基本理论的教育教学。”[1]

2016年9月，中国学生发展核心素养总体框架正式发布，这个框架是构建物理学科核心素养的基础。目前正在修订的《普通高中物理课程标准》指出：“物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养主要由‘物理观念’‘科学思维’‘科学探究’‘科学态度与责任’四个方面构成。”[2]本文拟从物理学科核心素养的这四个方面阐释选修3-5作为必考内容的必要性，以期为中学物理教学对学生核心素养的培养有所启示。

1 有利于学生“科学思维”的提升

“《普通高中物理课程标准》修订征询意见稿”中指出：“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品质。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[2]。

通过“动量守恒定律”的学习，可以促使学生更好地从物理学视角认识力学知识的内在规律及相互关系，引领学生体验分析综合、推理论证等方法，有助于学生深入认识某些物理现象的本质属性。

首先，通过“动量守恒定律”的学习，可以更加完整地认识力学规律之间的关系，丰富学生解决力学问题的途径和方法。学生在学习力与运动的关系、机械能及其守恒定律的基础上，再学习动量及动量守恒，可以丰富学生对力学知识的认识，促使学生形成对物体相互作用过程的全面认识，从而建立起较为完整的力学知识体系（如图1所示），这不仅有利于厘清学生对力的瞬时作用效果、力对位移的积累效果和力对时间的积累效果的认识，也有利于学生综合运用有关知识分析问题、解决问题，丰富学生利用多种方法、从多个角度解决问题的过程体验，从而提升学生进行科学推理、科学论证的能力。例如对“反冲现象”的解释与应用，在没有学习有关动量的知识时，可以从力作用的相互性角度，利用力与运动的关系来解释。如果学习了有关动量的知识，解释“反冲现象”就会变得更简捷。

其次，通过选修3-5中“动量守恒定律”的学习，可以促进学生更好地理解其他知识，理解物理现象的本质属性。例如，要深入理解选修3-3中气体压强，就要利用到动量和动量定理的知识，从微观角度来认识气体压强实质上是热运动气体分子对器壁的撞击而产生的。

图1 力学知识结构图

“波粒二象性”“原子结构”“原子核”的内容，为学生体验基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，提高学生基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正的认识，进而提升学生提出创造性见解的能力与品质提供了鲜活的素材。

例如，光的“波粒二象性”的发展历史，要追溯到17世纪出现的那一场历时300余年的关于光的本性的争论，这场争论推动了光学及整个物理学的发展。在这一场荡气回肠的争论中，人们始终遵循“实验——假设——理论——实验”的方法，基于事实、科学推理，精彩地演绎了一回“质疑、批判、检验和修正”的大戏，其中的“刀光剑影”，一直是物理学史中物理方法与物理观念的璀璨篇章。以牛顿为代表的“微粒说”解释了许多已观察到的现象，如光的直线传播、光的反射、光的折射等，以惠更斯为代表的“光的波动说”也能做到这一点吗？事实上光的波动说也可以解释这些现象，尤其在解释光的折射现象时，可以加上一点儿数学知识，使得解释更简单、更好，而且结果与观察完全相符，还可以推出折射介质中的光速。随着光的其他一些宏观现象的发现，如光的干涉、光的衍射和光的偏振现象的发现，光的“波动说”占尽了上风。更由于光速的测定和麦克斯韦理论、赫兹实验的推动，将“光”并入了“电磁波”的序列，可以说光的波动说进入了一个全盛时期。但光电效应这一实验事实的出现（当然还有“以太”这朵“乌云”）使得光的波动说倍感困难。爱因斯坦用“光量子”成功地解释了光电效应，又恢复了光的粒子性。爱因斯坦的“光量子”理论，并不是简单地回到牛顿的微粒说，也不是对波动说的全盘否定，在1909年，爱因斯坦说“我认为，在理论物理发展的下一阶段，将会出现一种光的理论，根据这种理论，光可以被看作波动说和微粒说的融合，我们关于光的本性和光的结构的看法将有一个深刻的改变是不可避免的了”[3]。这种理论，便是选修3-5教材中的“光的波粒二象性”。

再如，人们对“原子结构”和“原子核”的认识，实质是人们长期以来关心和探索的关于物质的微观结构的问题。虽然人们早已认识到原子是组成物质的最小单位，但长久以来，人们始终认为原子是不可分的，直到电子被发现！被誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”汤姆逊勇敢地提出：“有比原子小得多的微粒存在。”自此，人们遵循“实验——假设——理论——实验”的方法，基于事实、科学推理，又上演了一回精彩的“质疑、批判、检验和修正”的大戏。从汤姆生的“枣糕模型”到卢瑟福的“核式结构模型”，再到波尔的原子结构假说，不仅让人们处处感受着“天光云影共徘徊”的纠结，也让人们时时体会着“为有源头活水来”的畅然。

这样的有利于提升学生“科学思维”的鲜活素材，如果被我们选择性地放弃了，岂不是遗憾。

2 有利于丰富学生对“科学探究”的体验

“《普通高中物理课程标准》修订征询意见稿”中指出：“科学探究”是指提出科学问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流与合作等要素[2]。

世界缤纷多彩，变幻无常。但我们能够感觉到一切变幻的背后存在着某种不变的秩序。表面多姿多彩，不过是自然界中某种不变的成分遵守一定规律的重新安排。这种“不变的成分”是什么？需要人们不懈地“探究”。选修3-5教材中关于“动量”概念的引入，便是在人们不懈“探究”的过程中寻找到的一个“守恒量”。

关于“动量”概念的引入，传统的做法是通过物体受到恒力作用做匀变速运动的图景来推导出Ft= mv，然后定义“动量”和“冲量”，再将概念推广到其他运动情景。因为在这种处理过程中，学生的数学知识是够用的，同时学生也有牛顿运动定律的基础，便于教学进行的同时，也有利于学生调用原有概念和规律，体会知识之间的联系。但这样做也带来两个问题：第一，牛顿运动定律既然能很完美地解决面临的问题，何必引入新的概念、新的规律？这种处理方式，容易给学生一种印象：物理知识以牛顿运动定律为核心，其他的概念和规律都能通过牛顿运动定律推导出来。这样处理新概念的引入，实际上是降低了新概念的地位，模糊了新概念的本来面目。第二，预设的物理情景没有让学生产生探求新知识、新规律的冲动。“一个质量为m的静止物体，在力F的作用下开始运动，经过时间t将获得多大的速度?”这是一个学生“闭着眼睛”都能解决的问题，新概念、新规律完全没有引入的必要。

实际上，引入“动量”概念是一个很好的“科学探究”的范例。如果采用气垫导轨来做这个探究，如下步骤可做参考。

实验1：采用质量相等的两个滑块，由运动的滑块去碰静止的滑块，碰后分开，分别记录滑块的质量和碰撞前后的速度大小、方向。

通过数据分析启发学生得出：碰撞前后两个物体的速度相等、动能相等。或者可以说若物体的速度为v、质量为m，则碰撞前后两个物体的kmavb相等。

实验2：采用质量相等的两个滑块，由运动的滑块去碰静止的滑块，碰后粘在一起运动，分别记录滑块的质量和碰撞前后的速度大小、方向。

通过数据分析启发学生得出：碰撞前后两个物体的速度之和相等，或者可以说若物体的速度为v、质量为m，则碰撞前后两个物体的kmav之和相等。

实验3：采用质量关系为m2=2m1的两个滑块，运动的m1碰静止的m2，碰后分开。分别记录滑块的质量和碰撞前后的速度大小、方向。

通过数据分析启发学生得出：若物体的速度为v、质量为m，则碰撞前后两个物体的mv之和相等。

学生实验：请同学们想出一个相互作用的情景，也来做一做，验证一下我们的结论，好吗？请同学们自主实验。

通过数据分析启发学生得出：碰撞前两个物体的mv之和（矢量）等于碰撞后两个物体的mv之和。

这样就可以定义动量：物体在相互作用过程中，各自的运动都发生了变化，但物体的质量m和速度v的乘积之和（矢量和）却保持不变，mv是运动的一个守恒量，我们称之为动量P，P=mv。

通过“科学探究”的方式引入动量概念，改善了传统的教学方式的困惑，是一个正本清源的过程。

首先，通过物体间相互作用的过程中mv之和“守恒”来引入“动量”的概念，水到渠成。正是因为物体在相互作用过程中，各自的运动状态都发生了变化，但物体的质量m和速度v的乘积之和（矢量和）却保持不变，所以mv是运动的一个“守恒量”，它有别于速度、动能等概念，是一个全新的概念。

其次，通过探索物体间相互作用过程中的规律来定义“动量”，是面对一个全新的问题——物体相互作用过程中有没有普遍的规律？若有，是什么规律？也是面对一个全新的情景——由描述一个物体的运动转换到描述两个相互作用的物体（甚至多个物体），有利于激发学生的学习动因，调动学生的学习热情。事实也证明了这一点，无论是教师的演示实验，还是学生自己设计实验进行探索，学生学习的积极性都很高。这种以问题促发展地定义新概念、学习新规律的方式是行之有效的、符合学生认知规律的教学方式，是一种促使学生在“做中学”的教学方式。

第三，在实际教学中发现，通过演示实验层层推进，由“作用前后物体的kmavb相等”到“作用前后物体的kmav之和相等”，再到“作用前后物体的mv之矢量和相等”，思维过程清晰，“mv”如旭日东升，缓缓浮现在学生的眼前，能很好地突出新概念、新规律。而通过学生自己探索，来发现两个相互作用的物体“作用前后mv之矢量和相等”的规律，一切似乎都是“隐性”的。如果有些学生看了书，直接就奔“mv”而去，没有层层递进的思考过程，这样对“mv”的认识是不够全面的。让学生体验“提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思”的探究过程，是充分而又实在的。

从大的视角来看，对“光的本性”“原子结构”的认识，也是一个“探究”的过程，同样可以从“提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释”的层面上设计教学。从小的视角来看，“波动说对光的折射现象的解释”“探究阴极射线的本质”“α粒子散射实验”等课题，也都可以丰富学生对“科学探究”的体验。

3 有利于学生“物理观念”的更新和建立

“《普通高中物理课程标准》修订征询意见稿”中指出：“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。“物理观念”主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素[2]。

通过对选修3-5中“原子结构”“原子核”的学习，就能促使学生对“物质观”的更新和建立。费曼（R.Feynman）曾经说过：“假如在一次浩劫中所有的科学知识都被摧毁，只剩下一句话留给后代，什么语句可用最少的词包含最多的信息？我相信，这是原子假说，即万物由原子（微小粒子）组成，它们永恒地运动着，并在一定距离以外互相吸引，而被挤压在一起时则互相排斥。在这一句话里包含了有关这世界巨大数量的信息。”[4]图2是将热学、光学、原子物理的知识，统一在研究“物质的结构”这一主题下，将光学现象同光的产生——“能级跃迁”以及“原子核的衰变”联系在一起。

从古希腊原子论的代表人物德谟克利特的原子论思想——人们习惯于把感觉的对象看作是真实的，其实不然，只有原子和虚空是真实的[4]，到化学家把“原子”看作是物质的“最小基元”，再到汤姆生的原子“枣糕模型”、卢瑟福的原子“核式结构模型”、波尔的原子结构假说等，一直到原子核的结构，一路走来，对物质结构的认识逐步加深，同时也会促使学生思考“物质是无限可分的”吗？20世纪五六十年代，在物理学中已看到某些“基本粒子”（如重子、介子）有内部结构的迹象，追求它们下一个层次的结构，几乎已成为大家的共识。这样的学习过程实质上就是学生建立和深化自己的物质观的过程。

通过对选修3-5中“光的波粒二象性”的学习能促使学生对运动观念的更新。经典的自然观认为：“任何物质粒子的运动都有确定的轨道。如果已知粒子运动的初始条件，就可以精确预言粒子今后的运动。推而广之，每种物质都有一种属于自己的特殊的规律，这些规律都是可以认识的。每种事物都肯定有一个确定的答案。”[4]这一点，在学生学习运动学的时候，体会是很深的。只要知道物体的初始位置、初速度和加速度，就能知道物体在任何时刻的位置和速度。然而在光的干涉和衍射现象中，光子的行进轨迹和打在屏上的确切位置，并不能像在运动学中学习的那样是可以确切知道的。对光子打在屏上的确切位置只能做概率性的描述，不能再有经典力学里那种决定性的描述。

图2 物质的结构知识结构图

通过对选修3-5中“动量”的学习，能丰富学生对相互作用观念的认识。在物体相互作用的过程中，分别从力的瞬时作用效果、力对位移的积累效果和力对时间的积累效果的角度来描述相互作用，会呈现不同的规律性。从力的瞬时作用效果来看，是使物体产生加速度，改变物体运动的速度；从力对位移的积累效果来看，改变的是物体的动能；从力对时间的积累效果来看，改变的是物体的动量。当然，在这部分的学习过程中，也能丰富学生对能量的转移和转化的认识，即丰富对能量观念的认识。

4 有利于学生对“科学态度与责任”的内化

“《普通高中物理课程标准》修订征询意见稿”中指出：“科学态度与责任”是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度和责任感。“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素[2]。

认识科学本质是指对于科学知识、科学研究的过程和方法、科学事业等方面最基本特点的认识。

通过对选修模块3-5“光的波粒二象性”“原子结构”的学习，可以很好地促进学生认识到科学知识的确定性和发展性。爱因斯坦说：“科学没有永恒的理论，一个理论所预言的事件常常被实验所推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个时期以后，它就很快地衰落……科学上的重大进步几乎都是由于旧理论遇到了危机，通过尽力寻找解决困难的方法而产生的。我们必须检查旧的观念和旧的理论，虽然它们是过时了，然而只有先检查它们，才能了解新观念和新理论的重要性，也才能了解新观念和新理论的正确程度。”[3]通过“波粒二象性”“原子结构”“原子核”的学习，还可以让学生对这段话有一个生动而深刻的认识。

通过对选修3-5“光的波粒二象性”“原子结构”“原子核”的学习，也可以让学生更好地体验“实验——假设——理论——实验”的科学方法。发射火箭利用到的基本物理原理，就在选修3-5“动量”一章。2016年11月3日20时43分，长征五号火箭在文昌卫星发射中心成功发射升空。通过“动量”的学习，学生不仅可以了解航空航天的基本原理，也可以促进学生感受我国在航天领域非凡的成就，激励学生的民族自豪感，激发学生的社会责任感。同时通过中国航天的发展之路，还可以引导学生体会科学家从事科学工作的态度和使命感。通过对选修3-5中“光的波粒二象性”中有关“量子”概念的学习，可以促使学生对当前活跃的“量子通讯”的兴趣，进而了解中国发射的世界上第一颗用于“量子通信”研究的卫星——“墨子”号，等等。

周光召先生在给《科学教育的原则和大概念》一书写的序言中指出：“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活实际的抽象理论和事实，而是应当谨慎选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解。”[5]在基础教育阶段，物理学科选择“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面作为其核心素养，就是要帮助学生建立一个完整的对物理世界的理解，而在这个帮助的过程中，缺少选修3-5教材中有关“动量守恒定律”“波粒二象性”“原子结构”和“原子核”的学习，学生对物理世界的基本理解也是不完整、不全面的。

[1]教育部.稳中求进,优化内容,提高质量,凸显导向——教育部考试中心负责人就2017年高考考试大纲修订答记者问[EB/OL].（2016-10-14）[2016-12-29].http://www.moe.edu.cn/jyb_xwfb/s271/201610/t20161014_284870.html.

[2]普通高中物理课标修订组.《普通高中物理课程标准》修订征询意见稿（内部资料）[R].北京,2015.

[3]爱因斯坦,英费尔德.物理学的进化[M].周肇威,译.长沙:湖南教育出版社,1999.

[4]赵凯华.物理学照亮世界[M].北京:北京大学出版社,2005.

[5]温·哈伦.科学教育的原则和大概念[M].韦钰,译.北京:科学普及出版社,2011.

Presenting an Integral and All-round Physical World:The Necessity of Including the Elective Modules 3-5 in the Physics Examination for College Admission

TANG Yulin1,TANG Qie2
（1.Beijing No.4 High School,Beijing 100034,China;2.Beijing No.8 High School,Beijing 100033,China）

The Test Syllabus of the 2017 College Entrance Examination has explicitly included the Elective Module 3-5 as its compulsory content.Based on the statement of the core quality of high school physics in the General High School Physics Curriculum Standard,this paper elaborates the necessity that Elective Module 3-5 should be included as compulsory content as the following four aspects:in favor of advancing students’scientific thinking, enriching their experience of scientific exploration,updating and establishing their physical concepts,and internalizing their scientific attitude and responsibility.

College Entrance Examination Reform;College Entrance Examination of Physics;Examination and Teaching;Key Competencies

G405

A

1005-8427（2017）03-0038-7

10.19360/j.cnki.11-3303/g4.2017.03.007

（责任编辑：陈睿）

汤玉林（1973—），男，北京市第四中学，中学高级教师；

唐 挈（1970—），男，北京市第八中学，中学特级教师。