核心素养培养体系下如何理解物理观念

张先炜��

摘要：基于物理核心素养的构成与内涵，从物理学视角形成相关的基本认识，形成基本的物理观念。在高中物理教学中渗透物理观念可以加深学生对物理概念、规律的理解。结合人教版高中物理教材，本文分别对物质属性、运动、能量等物理观念的分析，从而更好地理解它们。

关键词：科学素养；物质观念；运动观念；能量观念

新课标中明确提出：高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。如何提高学生的科学素养，我们可以从物理观念的角度重新审视物理教学及物理课程的价值。

一、 物理观念的含义

观念是客观现实在人们意识上的反映，物理观念是物理学家经历长期的实践和理论研究概括出对物理世界的根本认识。

爱因斯坦曾说过：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。物理书上充满了复杂的数学公式，但是所有的物理学理论都是起源于思维与观念，而不是公式。”从中可见物理观念的重要性。

然而在物理教学中渗透物理观念却是很少，导致学生在解决物理问题时，很容易忽略问题的物理属性，常被公式、计算左右，出现了一听就懂，一做就不会的局面，因此物理教学中渗透物理观念是非常迫切的。

二、 物理观念的分类

（一） 物质属性的观念

1. 物质观念。物质由大量的分子、原子或离子组成，这些粒子又由更小的粒子组成，比如物质内部的原子由原子核和核外电子组成，原子核中又有质子和中子，在核子中还有更小的微粒，比如夸克等。

2. 物质无限可分观念。在古代，就已经产生了物质无限可分的观念：“一尺之锤，日取其半，万世不竭”，但这只是一种抽象的观念，缺乏科学依据，近代的物理学证明了这种假说的可靠性，如原子可分为原子核和电子，而原子核又可分为质子和中子，质子内部又有夸克组成，然而又遇到夸克幽禁的困难，所以这种无限可分的观念是有条件的。对应地，又提出另外的一种假说，即物质是有限可分的，因此在现代物理学面前，这种假说又似乎站得住脚，所以只有将两种假说结合在一起才能真正地接近物理学真理。

3. 宏观物质和微观物质的观念。宏观物质和微观物质在物理中遵循不同的运动规律及形式。例如，牛顿力学适用于宏观物质，而不适于微观物质，对于微观物质所处的世界中，某些物理量不是连续分布而是量子化的，可用量子力学处理。在宏观物质的世界中，位置和动量是确定的，而微观中，它们是不确定的，所以在研究微观物质时，需采用统计物理学的方法进行。

4. 场的观念。19世纪30年代，法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着由它产生的电场，而且近代物理学的理论和实验验证并且发展了法拉第的观点，电场以及磁场已被证明是现实存在，并且是互相联系的，统称为电磁场。场和分子、原子组成的实物一样具有能量和动量，场与实物是物质存在的两种不同形式，场充满整个宇宙，是一种客观物质。

（二） 运动的观念

在远到宇宙深处，近至咫尺之间，大到广袤苍穹，小到微观粒子都在永不停息地运动，绝对静止的物体是不存在的，物理学研究物质存在的基本形式，以及它们的性质和运动规律。物理中的运动主要有宏观物体的机械运动，比如直线运动，曲线运动，平抛运动，圆周运动，导体棒在磁场中的运动，带电粒子在电磁场中的运动等，另外还有微观粒子的运动，主要是分子无规则的热运动。

（三） 相互作用观念

1. 牛頓力学中力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。牛顿的三个定律奠定了经典力学的基础，第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。第二定律给出了力与质量、加速度之间的关系；第三定律表明两个物体之间的作用力和反作用力总是等大反向，作用在同一条直线上。牛顿三定律解释了作用力的性质与本质，揭示了力与运动之间的关系。

2. 对称性思考，两个相互作用的物体之间，有作用力必然有反作用力，引发出了一种对称性思考，这种思考对于物理学发展起着重要的作用，比如奥斯特发现电生磁现象，引发了法拉第思考磁生电现象。在负电子发现几十年后狄拉克预言了正电子的存在，并被其他科学家发现。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。

3. 四种相互作用力，它们是万有引力、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力是自然界的一种基本相互作用，它存在于一切物体之间。电磁相互作用即电荷间的相互作用、磁体间的相互作用。强相互作用，在原子的内部有一种未知的强大的相互作用使得原子核紧密地保持在一起，属于短程力，作用范围只有约10-15m，即原子核的大小。弱相互作用，是在放射中起作用的一种基本相互作用。

（四） 对称守恒的观念

科学总追求规律为目标，然而什么是物理规律呢？对于每一个科学工作者来说，这是力图回答的问题，科学家们总是会在变化着的世界中寻找出不变的天地，能量守恒定律就是对这种不变性的陈述。

能量转化与守恒定律的确立，将自然界中各种运动形式相互联系起来，是由卡诺、迈尔、亥姆霍兹、焦耳等科学家发现的，具体表现为以下几点：

1. 机械能守恒定律。主要研究动能与重力势能及弹性势能的相互转化中存在的定量的关系，其内容是：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。注意动能、势能在所研究过程初末状态统—性。

2. 热力学第一定律。焦耳实验表明以不同的方式对系统做功时，只要始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的。也就是说，改变系统的内能，做功和热传递是等价的，内能的增量与功、热量之间的关系是ΔU=Q+W，式中W是外界对系统所做的功，Q是外界传递给系统的热量，它们都是过程量，而内能U是状态量，因此ΔU表示变化过程初、末状态的内能变化量，与过程无关。

3. 焦耳定律。通有恒定电流的电路是一个能量转化系统，但各种形式的能量之间如何转化是有条件的，在电路中，只要有电流通过电阻，必然会有电能转化为热能，而热能的大小就由焦耳定律来决定，对于纯电阻元件，电流做的功全部转化为热能。

4. 楞次定律。其内容是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磁通量的变化。楞次定律体现了在电磁运动中的能量转化和守恒定律，由于外加作用力使得原磁场磁通量发生持续变化，从而产生稳定的感应电流，且克服周围的磁场阻碍原磁场的磁通量的变化而做功，将其他形式的能转化为感应电流的电能，就是能量转化的过程。

5. 能量转化与守恒定律。可以表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。该定律告诉我们，各种形式的能可以互相转化。该定律把原来人们认为的互不相关的各种现象——力、热、声、光、电、磁、化学、生物等联系在一起，把不同的各类运动统一在一个自然规律中。

三、 物理观念下的教师和学生

在教师方面，在教学中渗透物理观念，可以使学生受到科学方法、思维和唯物主义世界观的教育，较大程度地发挥了物理课程的价值。不仅如此，教师有了较为具体的物理观念，可以改进教育教学方法，提高课堂教学的效率。

在学生方面，一个物理观念的形成，是学生理解物理概念、规律的过程中，教师逐渐地渗透中形成的，因此在进行教学设计时，需要考虑如何渗透物理观念。一旦学生在学习完物理课时，掌握了有关的物理观念，就对学生的物理学习产生影响，表现在学生遇到问题时，总是按照头脑中所固有的观念去解决。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]爱因斯坦，英菲尔德.物理学的进化[M].上海：上海科学技术出版社，1963：201.

[3]徐高本.能的转化与守恒定律在电磁感应中的应用[J].物理教学探讨，2006年（08）.

作者简介：

张先炜，贵州省贵阳市，贵阳市清华中学。endprint