高中物理知识结构的构建

麦结华

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）27-0185-02

2017年新考纲有所变化，对物理的整体框架和考点内容、能力要求、题型示例作出了一些调整，仍以力学和电学部分作为主干知识，如牛顿运动定律、万有引力定律、动能定理、机械能守恒定律、电场与磁场、电路、电磁感应、带电粒子在复合场中的运动等，将选修3-5的内容改为必考，从3-3、3-4中任选1个模块选修。动量考点纳入必考，完善了学生的知识架构，也使高中物理知识体系更加完整，使学生获得更好的解题思维，有利于提高学生分析、解决物理问题的能力。原子物理学有利于学生系统性学习近代物理的发展历程，提高科学思维、了解科学发现和物理实验是促进近代物理学发展和技术进步的重要手段。

《2017年普通高中物理课程标准》中进一步明确提出在日常教学中培养学生的四种核心素养能力，分别是：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。根据课程标准提出的这些素养的形成要求，教师在日常教学中应打好学生基础，帮助学生构建完整的高中物理知识网络，把握各部分之间的重难点、指导学生梳理知识，形成结构总结规律，弄清局部、整体之间的关系，教材前后章节的逻辑关系，知识点之间、知识块之间的内部联系，帮助学生构建一个知识结构体系体系。本人认为可以从以下方面来培养学生知识结构的构建。

一、教师在这个过程需要起到一个重要的推进、策划作用

现在很多学生都不阅读教材，直接拿着一些教辅资料预习后听课，这样其实是割裂了知识模块之间的联系，对教材里面的实验引入、科学探究部分没有有效利用，也没有学到物理的人文思想、科学精神。最好让学生先研究教材的目录，全面了解各章前后关系，知道要掌握的大致内容和彼此之间的逻辑关系，让学生在脑海中初步形成一个粗略的框架，再研究同一章前后内容之间的内在联系，这个过程就是培养学生构建课程知识框架能力的过程，培养学生自主学习和自我探究能力的过程，这样学生学起来就会有一定的因果逻辑性。最近给高一学生上万有引力的时候，原定计划想把第一节行星的运动、第二节太阳与行星间的引力、第三节万有引力两节课讲完，带出万有引力的公式和概念，但是实际上还是上了三节课。这三节书体现了太多文化内涵、物理内涵的丰富性，思想探索过程的艰辛性、牛顿逻辑思维的惊叹性，每一步的推进都有石破天惊之感，细细讲来真的回味无穷。我大致按照以下思路处理：

1.首先回顾历史，哪些科学家们对天体运动作出过研究：伽利略、开普勒、笛卡尔、胡克、哈雷.......他们所持有的观点，思想的起源，从第谷到开普勒，为什么开普勒能够发现三大定律，而研究了二十多年的第谷却只能留下数据。并且对学生明确当时的开普勒三大定律是开普勒研究太阳系得到的描述性结论。这个内容使学生们看到科学家们猜想的多样性，及一步步得到结论的艰辛性。让学生们对天体运动的研究作出贡献的科学家们心生敬仰。这其实是一个很好的科学态度与责任的素养培养过程。

2.如何引入第二节太阳与行星间的引力呢？年轻时我稍微带过就进入第三节。但现在我发现第二节在整个万有引力发现过程中是很重要的一个环节，特别是对这个引力一无所知的情况下，通过行星的向心力需要的条件和特征来推敲这个引力必须具有的条件，这个转换思维实在太惊喜了。第一节得到行星绕太阳运动的表象特点，第二节是探究行星绕太阳运动的内在原因，是第一节的思想内涵。在推导行星绕太阳运动的力的性质的时候，我和学生一起站在一个空白的角度，从当年牛顿的角度力图从行星的向心力公式间接挖出这引力隐藏的特点，通过向心力公式不断把个性部分变成共性部分，逼近问题的核心，最后获得这个引力应该与各自质量有关，与各自距离的平方有关，最后得出F=KMm/r2。

3.进入到第三节，如何由第二节天体之间的引力跨越到万有引力的概念呢？顺着牛顿的思路，把天上的力和地上的力联系起来，这个联系过程课本讲得比较抽象，教师授课过程必须跟学生讲明白，让学生真的觉得牛顿把这两种力联系起来是有道理的，最神奇的是借助地-月检测的思想验证了力的性质的一致性的过程，体现了牛顿思想的伟大，也得出万有引力定律F=GMm/r2（law of universal gravitation），月-地检测这一步的验证更是被我在课堂上高度评价。三节课下来整个知识结构非常流畅，每一步的推进都前后相扣，包含了很多科学探究环节和方法，从简单到深入，从表面到本质，从感性到理性，充分体现了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任这四大核心素养。

月——地检测的具体过程如下：

若天上行星受到的力和地上苹果受到的力是同一种力，那么苹果就应该遵循和行星一样的力的规律F=KMm/r2

只要把苹果和月球的加速度代入，比例接近3600，就可以证明地上的力和天上的力是同一种力！

当时已经知道重力加速度g=9.8m/s2，而當时知道月球公转周期约为27天，公转轨道约为地球半径的60倍，则：

真是一个让人惊叹的结果！从而正式把天上的力和人间的力统一起来，物体之间的吸引力是宇宙万物有质量之间的普遍存在的力，进而正式提出万有引力定律（law of universal gravitation）

并正式把引力公式定为整个万有引力定律的建构过程体现了思想发展性性、数学逻辑性、科学辩证性，体现了伟大的思想之美，整个概念的建立体现了知识结构的层次性、整体性。

二、构建有效的知识结构图图

构建结构图是构建学习框架的有效手段之一，通过将基本概念总结，方块代表概念、链代表关系，从而构建完整的结构框架。这种方法直观、整体、高效。列出的结构图应该体现一定的系统性和逻辑性。

下面列举一个体现了曲线运动知识点的整体性和层次性的一个知识结构图：

结构图的使用可以使学生快速掌握知识模块之间的关系，每一模块内部需要掌握的知识点和方式方法，体现了一定的结构感和整体性、层次性。结构图可以在教师的指导下让学生独立或以小组合作的方式完成，在通过课堂讨论来进行结构完善。除了对高一、高二做章节的结构图，还可以鼓励学生在高三做专题性的结构图。例如对复合场中的重力场、电场、磁场的性质、受力特点、做功特点做一个结构图，对重力场、复合场、等效场中的圆周运动做结构图。

三、提升知识结构的综合性

这种方式一般用于期末总复习或者高三复习阶段，这种方法可以从整体上把握物理知识内在联系和规律，深化对知识的理解和认识；通过对知识的综合应用，提高分析问题和解决问题的能力。具体体现在以下几个方面：①深化对知识内在联系的认识，提高整体把握物理知识结构的能力，掌握以知识的主体、主线建立知识网络的思维方法；②深化基本概念的理解，基本公式、定理、法则的掌握及提高知识的综合应用能力；③深化对物理思维规律的认识，提高学生的探究创新能力、归纳总结解题规律和方法的能力，培养学生良好的思维品质。

例如：摩擦力一直是高中物理的一个难点，很多学生对滑动摩擦力的方向、大小、性质、做功掌握得很不好。复习摩擦力的可以从这些方面由浅入深去进行研究：1摩擦力产生条件、方向判断2从动力学的角度研究动摩擦力和静摩擦力，特别是各种板块模型、传送带模型。3研究一对滑动摩擦力、一对静摩擦力做功的特点。4在传送带模型中往往需要透彻分析问题：运动过程是否变换过摩擦力的类别、方向、大小，摩擦力在各段做功情况、摩擦力做功涉及到的能量转化、生成的内能和摩擦力做功的关系，发生相对运动的几种情况分析、方法，利用V-t图像巧妙解题的方法，电动机消耗的能量和电功率的计算，最好通过一道大题把这些问题揉合到一块，并尝试一问多解。例如在求内能的时候，可以分别算出一对滑动摩擦力做功的大小来求，也可以通过相对位移来求解。计算消耗的电能时，可以利用电功率与时间的乘积来求，也可以利用能量守恒，通过各种能量的改变量来求。

例如：如图水平方向的传送带以2m/s的速度匀速运动，把一质量为2kg的小物体轻轻放在传送带的左端，经过4s物体到达传送带的右端。已知物体与传送带间的动摩擦因数为0.2，求：

（1）传送带的长度。

（2）这一过程中摩擦力对物体所做的功。

（3）这一过程物体对传送带所做的功

（4）这个过程物体和传送带的相对位移

（5）利用（2）（3）计算这个过程物体与传送带由于摩擦而转化为内能的数值

（6）利用（4）计算这个过程物体与传送带由于摩擦而转化为内能的数值

（7）求物体传送过程电动机消耗的电功率

（8）利用（7）计算物体传送过程消耗的电能

（9）计算物体在传送带运动过程所有能量的改变量，并与（8）比对

高二复习电磁感应的的切割专题，把单杆切割、双杆切割、平动切割、转动切割的几种情况分析清楚，让学生明确单杆切割中要注意等效切割速度，双杆切割中注意两根杆形成的等效电源是同向还是反向问题，结合恒定电路知识有效转化为等效内电路、外电路部分，与恒定电路中的知识进行有效转化和知识的迁徙，进行电流强度、电压、电势高低、力、电功率等的相关计算。

四、利用网络资源对学生知识结构进行有力地补充

在这个信息化时代，知识更新太快，知识内涵越来越丰富，学校教育根本不能满足信息发展的需要。在网络时代教师、高校的学生、各类社会人士都会通过网络学习丰富自己，发展自己，更新和完善知识。现在网上很多专门从事各类课程开发的网站，随便点开一个，网络课程资源图文色彩丰富，有我们需要的图片资源、仿生实验室资源、文献资料、还有珍贵的历史视频、高中三年每一章节的PPT，网上资源实在是太多太精彩了。我们适当下载进行重组，在课堂上使用可以丰富教学手段，激发学生学习的兴趣，还可以突破课堂空间，激发学生课后到图书馆找相关资料进行深化学习。一些仿真情景使學生在接近现实的环境中主动地获取知识，学生从被动听讲的接受者转变为主动参与的学习主体，突出了学生的主体性。例如：3-5中解释光电效应的发生机理、光波的波粒二象性、几大核反应等知识点，学生就觉得很抽象，通过网上下载的视频或者课件就可以让学生如身临其境。现在很多学校的物理实验室相对落后，为了达到教学效果可以适当下载一些实验课件来促进教学效果。例如在讲游标卡尺的10分度、20分度、50分度的读数时，提前利用课件把游标卡尺的读数原理演示，并即时利用大屏幕进行读数练习即场考查学生，经过对比，学生掌握情况比不采用这个环节的学生效果要好。在螺旋测微器和多用表的使用上也碰到类似的问题。网上可以找到很好的课外资源，只要我们适当使用和引导是可以和课内连成一体的。最近这两年的高三无论复习时间多紧张，我都抽空让学生看《走进霍金的宇宙世界》和别的科普电影，里面很多时空观或思想观、思维方式大大拓展了学生的认知结构，改变了他们看世界看问题的角度。今年在高一，我也尝试让学生去看，让他们知道原来物理知识是这样应用的，物理人是如何思考问题的，我们生活的世界和宇宙里包含了哪些高中基础物理知识。学生一直觉得物理是枯燥的，这样一看才发现原来物理这么有趣，很多学生从而对宇宙学、地球学、量子物理学产生了浓厚的兴趣，而去购买或借阅相关的书籍。很多学生都知道黑洞，在以往的印象中都认为靠近黑洞是马上会被卷进去死得很惨。但是如果宇宙飞船沿着切线方向进入轨道，就像行星绕太阳运动一样是可以高速绕黑洞运行，这时候由黑洞的万有引力充当向心力当然这个速度会很快很快，从而也把时间拖慢了。在经典时空观中时间和物质是各自独立的，但是量子物理学告诉我们时间和空间是可以互相转化的，而且在宇宙不同的地方由于物质密度不同而使时间的流逝快慢不同。所以充分利用互联网或者多媒体上的信息可以提高学生的综合知识能力和学习兴趣。

知识结构的有效构建，可以帮助学生清楚认识各物理量、各规律、各知识板块之间的关系，提高学生系统掌握知识的能力，从长远来看，也培养了他们良好的逻辑思维。同时，物理知识结构的构建过程也是教师能力提升的过程，教学理念不断更新的过程，可以促使我们从更高的角度去审视自己原来掌握的知识结构，不断更新和完善过去，这对于教师自身专业素养的提高有很大的帮助，也有利于教改的推动。