对“居高临下”物理教学的研究及践行——以将初中教材资源作为高中物理教学“情境素材”为例

方武增

（广东省惠来慈云实验中学 广东 揭阳 515200；广东省惠来县华湖中学，广东 揭阳 515200）

1 “居高临下”的中学物理教学

我国著名的物理教育学家许国樑教授早在20世纪60年代就对物理教师提出了“居高临下”的要求.［1］1981年，许国樑先生在江苏师范学院（现苏州大学的前身）工作时，曾在他的著作《中学物理教学法》中指出：“中学物理教材教法分析……，选择中学物理教材的若干章节和典型问题，居高临下地进行分析……”［2］文中用了“居高临下”这个充满力量的词.据《现代汉语词典》解义：居高临下，为处在高处，俯视下面，形容处于有利的位置.许国樑先生高屋建瓴，指出对教材教法的分析，需要中学物理教师厚积薄发，需要扎实的物理学专业知识、教学方法和教学理论.

那么，在高中物理教学中，如何做到许国樑先生所说的“居高临下”呢？不同教师会有不同努力的方向，但一定是充分备课，拓展教学资源，丰富教学内容，做到“居高”、并结合学情将物理思想、物理方法通过物理知识渗透给学生，做到“临下”.下面以将初中教材资源引入作为高中物理教学“情境素材”为例.

中学物理中，初中与高中两个学段的知识有着许多交叉的地方，但不是简单地重复，更不是机械式地难度升级.物理知识体系是根据学生的年龄特点、认知能力的思维能力，并在《义务教育物理课程标准》（2022 版）及《普通高中物理课程标准》（2017版）的指导下，明确不同的定位，通过对应学段的教材将知识以不同的方式呈现给师生.无论是初中物理还是高中物理，都是基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系的学科.《普通高中物理课程标准》（2017版）也明确地指出：高中物理课程在义务教育的基础上，帮助学生从物理学的视角认识自然，理解自然，建构关于自然界的物理图景；引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力.［3］特别强调了“在义务教育的基础上”这一点.

2 初中教材资源作为高中物理教学“情境素材”的可行性

与学生交流中发现，高中学生刚刚开始学习物理的时候，对物理还是很感兴趣的.特别当教师所讲的内容涉及“初中物理情境”或“生活情境”时，学生学习的兴致就会很高，前者属于侧重于“知识储备”，后者属于侧重于“生活储备”，但均属自己的“体验经历”，从而有了学习的兴趣与信心.但是随着物理学习的进一步深入，学生的兴致就降低了.这与我们教学方式有很大的关系，没有太注重学生的兴趣与发展潜能，却过于注重考试与刷题.

物理学根植于人类对自然规律的研究，并在过程中，人类发展了自身的科学思维及研究方法.高中物理教材中的运动学、动力学、电磁学等来源于“原始情境”的内容，对于学生认识科学本质、领悟科学方法、形成科学思维具有重要作用，所以高中物理教学，特别是新授课教学，需要“情境素材”.

相比初中物理，高中物理在概念的严密性、实验的复杂性，逻辑思维、数学运算等方面都上了一个台阶.这就需要将初中教材资源适当引入，以便“对比学习”.比如：“力”，初中的认知要求相对简单，只关注其大小，不过多研究力的方向问题，而在高中的认知要求中，引入矢量的概念，考虑其方向性，并用矢量观念分析问题.

同时，初中物理教材中插图较为直观，有利于学生获取信息.由此可见，将初中教材资源适当引入作为高中物理教学“情境素材”是可行且必要的.

3 初中教材资源作为高中物理教学“情境素材”的践行

3.1 将初中教材“科学史”作为高中物理新授课“导入”的素材

在高中《物理》选择性必修1中“单摆”这一节的教学中，笔者将8年级《物理》中的“伽利略对摆动的研究”，如图1，作为“科学史”引入.实际上，自从伽利略的时代开始，人们才开始开发了研究的技巧及寻找和追踪线索的系统方法，［4］之后才将史料中的原始问题抽象并归纳出：如果细线的长度不可改变，细线的质量与小球相比可以忽略，球的直径与线的长度相比也可以忽略，这样的装置就叫作单摆.

图1 8年级《物理》中的“伽利略对摆动的研究”

用这段科学史素材还有另一个妙处，文中提到：“他发现，尽管吊灯的摆动幅度越来越小，但每一次振动的时间似乎相等.”这个重要的猜想隐喻周期与振幅无关.再切换到选择性必修1“单摆”中的实验，如图2，引导学生们思考，单摆周期与哪个因素有关？

图2 研究运动周期

再用控制变量法进行分类研究（偏角都在5°以内）.

(1) 承灾体识别。该边坡地处高速公路路口交汇带，主要承灾体有受路堑边坡影响土地资源、坡脚道路工程、过往车辆行人。

步骤1：两单摆的摆球质量、振幅相同，摆长不同；

步骤2：两单摆的摆长、振幅相同，摆球质量不同；

步骤3：两单摆的摆长、摆球质量相同，振幅不同.

根据以上3种情况，比较两摆的周期，可以得出什么结论？这样就比较完整.

3.2 将初中教材“资料卡”作为高中物理新授课“拓展”的素材

在高中《物理》选择性必修1中的“波的反射、折射和衍射”一节中提到：“……‘闻其声而不见其人’的现象.通常的声波，波长在1.7 cm-17 m之间，跟一般障碍物的尺寸相当，所以声波能绕过一般的障碍物，使我们能听到障碍物另一侧的声音.”而在课后的“练习与应用”第1题中，提到“蝙蝠是通过声波的反射来判断前方是否有障碍物的.据此，你认为蝙蝠发出的声波频率应该具有怎样的特征？尽可能用数量级来描述你的估算.”实际上，8年级《物理》中“声音的特性”这一节中提到“人能感受的声音频率有一定的范围.多数人能够听到的频率范围大约从20 Hz到20000 Hz…….”另外，还附了“人和一些动物的发声和听觉的频率范围”一图，如图3，非常直观，可以将此图在课堂的PPT中呈现给学生看，图中标明人的听觉频率处于20 Hz-20000 Hz.这个比1.7 cm-17 m 更好记.

图3 8年级《物理》中的“频率范围”

另外，对于课后的“练习与应用”中，计算蝙蝠发出的声波频率后，可以让学生看图中的蝙蝠“发声频率范围”“听觉频率范围”，更清楚地了解蝙蝠发出的声波频率应该具有的特征.此外，还可以拓展讲蝙蝠采用的方法叫做回声定位，采用这个原理制成的超声导盲仪可以探测前进道路上的障碍物，以帮助盲人出行.倒车雷达更是在汽车上得到了广泛的应用，如图4.

图4 8年级《物理》中的“倒车雷达”

再如，高中讲到“电势差”，当讲完节后的习题，如图5中的电势图，适时加入物理9年级中的“安全用电”中这一节中的“跨步电压”，如图6，而彼时，以初中知识很难较好解释“跨步电压”，但现在引入，一是解开初中悬而未解之事，图中的各个圆弧相当于等势线，两脚与地接触点则相当于两个电势点φA、φB，故“跨步”形成电势差UAB=φBφA（当然，若φA=φB，UAB=0）；二是拓展学习生活安全知识，与高压输电线高塔保持一定的距离.

图5 高中教材中的“电势差”习题

图6 9年级《物理》中的“跨步电压”

3.3 将初中教材“想想议议”作为高中物理习题课“母题”的素材

图7 电动机简图

（A）将左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉.

（B）将左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉.

（C）将左转轴上侧的绝缘漆刮掉，将右转轴下侧的绝缘漆刮掉.

（D）将左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉，将右转轴下侧的绝缘漆刮掉.

此题一出，不少高中物理教师都认为“漆包线”这个材料超过了学生的认知，而且课本也没有出现，有的教师甚至将此题定为“超纲”的题.但此题的原型正是来源于9 年级的课本第134 页的“让线圈转起来”，如图8，文中已明确指出“左端全部刮掉”及“右端只刮上半周或下半周”“轻推一下，线圈就会不停地转下去”.这些文字表述与上述这一高考题中一选项极为相似.

图8 9年级《物理》中的“让线圈转起来”

另外，8年级《物理》中还解释道：有时线圈之所以不能连续转动，是因为线圈越过平衡位置之后，受到的力要阻碍它继续转动.如若在越过了平衡位置后就停止对线圈供电，由于惯性，线圈就能连续转下去了.而停止对线圈供电方法就是：采用刮去引线漆皮的办法来控制电路的通断，即一端的漆皮全部刮掉，另一端的漆皮只刮上半周或下半周，从而保证给线圈适时供电或停电.总体来说，这种设计是为了让线圈每转一周，只有半周获得动力，在另半周线圈里没有电流通过时，靠惯性转过这半周后，又回到原来的状态.之后线圈又受到向同方向转动的力，以确保线圈能循环转动下去.如此引入初中物理课本中这一素材来解释这一高考题，就恰到好处.

另外，在《物理》必修2中的“生活中的圆周运动”一节中，汽车过拱桥，如图9，文中指出：汽车的速度越大，汽车对桥的压力越小.试分析，当汽车以越来越大的速度通过拱形桥的最高点时，会发生什么现象？（会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是0）此时，可以加入8年级物理中的插图，如图10，结合“限速”的标志，进行命题.

图9 汽车过拱桥

图10 “限速”的标志

3.4 将初中教材“研究方法”作为高中物理实验课“科学探究”的素材

物理学是自然科学领域的一门基础学科，物理学基于观察与实验，其中科学探究中的一些“研究方法”会在不同的实验中出现，如控制变量法、放大法、替代法等.

“面积法”也是常见的实验方法，如《物理》必修3中“电容器的电容”这一节中的“用传感器观察电容器的放电过程”，如图11 所示.这一环节中，设计了：（1）在图中画一个竖立的狭长矩形它的面积的物理意义是什么？（2）怎样根据I-t 图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量？

图11 用传感器观察电容器的放电过程

实际上，这种运用面积方法早已在8年级《物理》“压强”一节中出现了，如图12，利用面积法来研究压强.文中介绍了要注意的细节：不满足一格时，大于半格的算一格，小于半格的不算，再乘以每一小格的面积.这个可以给学生复习一下，并将此方法引入到高中物理教学.

图12 8年级《物理》中的“压强”习题

另外，在《物理》选择性必修3 中“实验：用油膜法估测油酸分子的大小”这一节里，如图13，也出现：在浅盘里盛上水……用注射器向水面上滴1 滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面散开，形成一块油膜，可以清楚地看出它的轮廓.待形状稳定后，将事先准备好的带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下薄膜的形状.如此，根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格，计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个.然后，再用正方形的个数乘单个正方形的面积就得到油膜的面积S.

图13 估算油膜的面积

4 初中教材资源作为高中物理教学“情境素材”的困境

1980年，朱正元教授曾指出：“当前中学教育的一个突出问题是把追求升学率作为办学的唯一 目 的，”［5］但40 年 后 的 今 天，还 是 有 许 多 地 方以“升学率”为目标，以“刷题”为手段，教师的主要精力不是注重研究教材、研究学情、研究如何“居高临下”地进行物理教学，而是转到搜集各种复习资料或习题集上面去了.“以考代学”压缩了对原始情境探析的时间.部分教师会问道，“物理教学情境化”太耗时间了.那么我们时间去哪儿了呢？从高一开始，每一周很多科目都有“周练或周测”，在对“高考备3 年”这句话断章取义后的肆意理解下，将高三的教学管理方式移植到高一和高二，“周练或周测”后还要花1节课来讲评试题，之后便是在“教学进度”的驱使下，为完成教学任务拼命“赶课”，甚至提前结束课程，大量时间搞复习备考等做法.可想而知：过于急功近利的做法显然无法体现物理学科的本质，也与“居高”背道而驰.

当然，也有人会认为初中物理太简单了，没必要讲.这是一种误解，将初中教材资源作为高中物理教学“情境素材”，一来，在“初高中物理衔接”中给予学生一个可以缓冲的小台阶，可以小步伐向上攀，培养学生的学习信心；二来，初高中物理本来就属于一个大体系，知识与方法可相互渗透.

5 “居高临下”教学是中学物理教师的使命

随着现代教育技术的发展，教师备课的手段已呈多样化，但中学物理教学的发展，必须是扎实的发展，朴素真实的发展，［6］研究物理教学规律并掌握实质，做到“居高临下”是中学物理教师的使命.而居高是为了更好地临下.中学物理教师，要综合运用所学的物理专业知识和教学理论，熟悉中学物理（初中和高中）两套教材的结构体系及知识体系，明确各个阶段的目的要求，注重初高中的衔接.初中物理教师要研究高中物理教材，才能突出重点、详略得当——对需要高中物理知识才能解释的，不必过早地加深加宽，如磁通量、加速度、角速度，但也可根据学情为之打好基础，做好铺垫.另外，高中物理教师也要通晓初中物理教材，方可充分利用学生已有的认知能力和知识储备，全力突破难点.

这种拓展教学资源的过程，是充分发挥自己主动精神的创造性过程，需要实事求是、脚踏实地、锲而不舍的优良科学态度和教育作风，抵制诱惑和防止各种精神污染，而在这一个“继承”与“升华”的过程也是努力做到许国樑先生所说的“居高临下”教学的一个过程.