基于物理文化视角的高中物理教学实践与思考

董川

［摘 要］物理学蕴含着丰富的文化内涵及育人价值。高中物理教师应以物理文化为根基，有效开展课堂教学。基于物理文化视角，教师应充分挖掘教学内容的文化内涵，发挥物理文化的育人价值；有效整合物理教学资源，使学生深刻领悟物理的内涵和文化。

［关键词］物理文化；高中物理；教学实践

［中图分类号］    G633.7            ［文献标识码］    A          ［文章编号］    1674-6058（2023）18-0038-03

习近平总书记强调，要把立德树人的成效作为检验学校一切工作的根本标准，真正做到以文化人、以德育人，不断提高学生思想水平、政治觉悟、道德品质、文化素养。物理学蕴含着丰富的文化内涵及育人价值。在物理教学中，教师要重视物理文化的渗透，能够在给学生传授物理知识、启发学生思考问题的同时，引导学生深入了解物理知识的形成背景、物理观念等物理文化内容，促进学生深刻理解物理知识，培养学生的人文精神和审美情趣。

一、物理文化的内涵

物理文化作为科学文化的一个子系统，会对人的观念、行为和精神有一定的影响。解世雄教授采用“总和式定义”的方法定义了物理文化：物理文化是古代哲学家、近代物理学家和现代物理共同体历经数千年逐步创造的物理知识体系、价值标准、观念形态以及一些约定俗成的实际工作方法的总和。

二、物理文化的育人价值

文化對教育的发展有着一定的影响和制约作用。物理文化具有以下价值。

（一）智育价值

在物理文化的教学中会涉及实验操作、现象观察、思考探究以及分析、演绎等思维活动，而这些活动对学生的智力开发有着显著的推动作用。

（二）德育价值

物理文化和物理教学的有机融合可以直接影响学生的思维品质和精神面貌。教师通过介绍物理学家的探究过程，讲述他们不懈探索的精神，可对学生进行思想上的熏陶，实现德育教育。

（三）美育价值

物理学蕴含着简洁美、对称美、和谐美，可以激发学生的学习兴趣，启迪学生心灵。在物理教学中融入物理文化可以提升学生审视美和鉴赏美的能力。

三、基于物理文化视角的高中物理教学实践

高中物理教师可基于物理文化视角从以下两个方面开展高中物理课堂教学。

（一）充分挖掘文化内涵，发挥物理文化的育人价值

1.从显性角度挖掘教学内容的文化内涵

人教版高中物理教材的“科学漫步”栏目内容主要包括物理学史、物理前沿以及技术与生活，蕴含有大量显性的物理文化元素，对提高学生的物理文化素养具有重要作用。教师要认真梳理“科学漫步”栏目的内容分类，深入挖掘其物理文化内涵，充分发挥物理文化的育人价值。

［案例1］“科学漫步”栏目中《伽利略对自由落体运动的研究》一文介绍了伽利略的斜面实验。伽利略的斜面实验是“最美丽”的十大物理实验之一。伽利略认为自然界的规律是简洁明了的，他在猜想物体的下落速度与时间成正比之后，就用实验来检验自己的猜想是否正确。在伽利略所处的年代，人们对“速度”这个概念还很模糊，也不能直接测速度，但是可以直接测距离。伽利略利用数形转换的方法推导出“若速度与时间成正比，则位移与速度的平方成正比”的结论，把不方便直接测量的速度v转化为可直接测量的下落距离x，把研究速度和时间的关系转化为研究位移和时间的关系。物体下落得非常快，下落 5 m大约需要1 s，那我们如何测量时间呢？计时工具已经不可能更准确了，我们只能让自由落体变得“慢一些”，那我们该怎么做呢？伽利略的创新意识非常强，他想到小球在斜面上从相同的高度下落时，斜面倾角越小，小球运动时间越长，就越好计时，由此将速度与时间的关系转化为研究位移与时间的关系，即只要证明x/t2=定值，即可说明速度与时间成正比。伽利略在研究自由落体运动的过程中不仅确立了许多描述运动的基本概念，还创造了一套极为重要的科学研究方法，即将实验探究和逻辑推理相结合。如果将伽利略的这些研究方法介绍给学生，无疑会给学生开展科学探究提供重要的借鉴。

［案例2］“科学漫步”栏目中《黑洞》一文介绍了一种特殊的天体——黑洞。在学完“宇宙航行”一节后，学生已经知道了第一宇宙速度、第二宇宙速度及其意义。“科学漫步”栏目介绍黑洞的内容，可加深学生对宇宙速度的理解，拓展学生对宇宙和天体的认识。如“理论分析表明，逃逸速度是环绕速度的[2]倍，即[v'=2GmR]。这个关系对于其他天体也是适用的。因此可知，天体的质量m越大，半径R越小，逃逸速度也越大”。在此基础上启发学生思考：会不会有这样的天体，它的质量更大，半径更小，逃逸速度更大，以[3×108] m/s的速度传播的光都不能逃逸？如果宇宙真的存在这种天体，即使它确实在发光，它的光也不能进入太空，我们也根本看不到它，这种天体就是黑洞。“为什么要研究黑洞呢？”很多人会有这样的疑问。对此，宇宙学家霍金借用一位探险家的话给出了回答：“为什么要攀登珠穆朗玛峰——因为它就在那里。”本节课展示的“黑洞”的内容虽略高于考试要求，但与高中物理知识体系密切相关。

评析：“科学漫步”栏目内容作为教学内容的迁移和拓展，既能激发学生学习物理的热情，加深学生对物理概念和规律的理解，又能帮助学生掌握科学的学习方法，培养学生严谨的求知态度。

2.从隐性角度挖掘教学内容的文化内涵

与“科学漫步”栏目所蕴含的显性物理文化元素相比，物理教学中应用的物理思想、物理方法以及解决未知问题的能力等隐性的物理文化元素更需要教师进行深度挖掘。

［案例3］在“动能定理”的教学中，笔者没有采用教材中把匀变速直线运动情形下恒力做功所得的特殊结论通过简单的补充性说明就认定为动能定理的方法，而是以问题串的形式做了如下进阶设计。

情境导入：辽宁号航空母舰是我国第一艘服役的航空母舰，是我国海军走向深蓝，成为真正的大国战略型海军的重要标志。辽宁号航空母舰的甲板由水平甲板和上翘甲板两部分构成（见图1）。假设上翘甲板BC是与水平甲板AB相切的一段圆弧。

问题1：若水平甲板AB的长为L，在水平甲板AB段，不计一切阻力，在恒定推进力的作用下，飞机由[vA]加速到[vB]，则该过程中推进力做的功是多少？

[W=FLF=mav2B-v2A=2aL?W=12mv2B-12mv2A]

问题2：若在水平甲板[AB]段，飞机所受阻力恒定，在恒定推进力的作用下，飞机由[vA]加速到[vB]，則该过程中合外力对飞机做的功是多少？

问题3：单个恒力和多个恒力作用下都满足[W=12mv2B-12mv2A]，在水平甲板[AB]段，飞机在水平方向实际上受到电磁弹射器所施加的力和发动机所产生的推进力以及所受阻力随速度不断变化等因素的影响，即所受的力是变力，飞机由[vA]加速到[vB]，则[W=12mv2B-12mv2A]的关系仍然成立吗？

这样，利用微元思想将变力作用转化为无数个很小位移上的恒力作用，巧妙沟通了宏观与微观的联系，使学生在“无限小”的量中把握“变”与“不变”的关系。

问题4：[12mv2]是动能与质量和速度的定量关系吗？在直线运动中，[W=12mv2B-12mv2A]始终成立，能否称之为定理？请说明理由。

学生很容易得出以上三类情境都是直线运动中力的作用模型。

问题5：飞机起飞后，进行投弹演习，若忽略空气阻力，炮弹以水平速度[v0]做平抛运动，则在速度由[vA]变为[vB]的过程中力对炮弹做的功是多少？

问题6：圆弧甲板[BC]段，飞机由[vB]加速到[vC]的过程中所受合力对飞机做的功是多少？

由直线运动到曲线运动，由恒力作用到变力作用，最后得出功与速度的定量关系[W=12mv2B-12mv2A]具有一般性。

教师总结：在构建动能表达式时，可以对重力做功和合力做功进行类比。[mgh]是一个与位置相关的物理量，与运动过程无关，重力势能的表达式为[Ep=mgh]；[12mv2]是一个与运动过程无关的状态量。还可以从物理学史的发展角度加以拓展，如笛卡儿提出应把物体的大小和速度的乘积称为“运动量”，即[mv]，而布莱尼茨认为使一英镑重的物体下落四英尺和使四英镑重的物体下落一英尺，这两种落体运动得到的[mv]不相等，而是质量与速度的平方的乘积[mv2]相等。亥姆霍兹在《论力的守恒》中提出了[mgh=12mv2]的概念，但没提出动能的观点。直到定义了“功”的概念，即“元功等于受力与受力质点无穷小位移的标积”后，对功无论进行何种坐标下的积分，一定会产生[12mv2]的结果，于是该结果被命名为动能，积分式即为动能定理的表述。

评析：通过创设航空母舰上的舰载机起飞这一情境，体现物理学对社会发展的影响，增加学生的文化自信，培养学生的科学态度与社会责任感。同时，基于学生的认知基础，紧贴学生的最近发展区，采用问题进阶的形式，引导学生思考，使学生通过演绎推理得到新的结论——动能定理。这些理性思维、质疑精神、演绎推理的方法，以及通过物理学史感悟物理学家建立物理概念和发现物理规律的过程是物理文化的精髓，这些物理文化会影响学生的终身发展。

（二）有效整合物理教学资源，使学生深刻领悟物理的内涵与文化

物理学以观察和实验为基础，重点是让学生“做”科学，而不是“读”科学。“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，教师可引导学生自制实验器具，让学生在思考问题、自主探究的过程中领悟物理的内涵与文化，提升学生的科学探究能力和科学态度。

［案例4］①利用电磁炉和不锈钢锅自制电磁类实验器材。在“探究感应电流的产生条件”“法拉第电磁感应定律”和“变压器”时，教师可以让学生利用电磁炉和不锈钢锅自制一套简易的实验器具。具体过程为：在不锈钢锅体下半部分绕上一定匝数的导线，再把小灯泡接在导线上，接着把不锈钢锅装入水后放在电磁炉上，打开电源，发现小灯泡随着导线绕制匝数的增多而明显变亮。另外，在做 “法拉第电磁感应定律”的探究实验时，可通过调节线圈匝数、更换电磁炉加热挡位调节磁场变化的频率，改变线圈中产生的感应电动势，通过观察小灯泡亮度的变化，从而得出线圈中感应电动势与线圈匝数、磁通量变化快慢的定性关系。②在教学“波的干涉”时，教师可以通过自制的鲁本斯火焰管导入课堂，当音乐响起时，火焰随着音乐“起舞”，通过火焰的强弱表示音乐的波形，既壮观又能激发学生的学习兴趣。导入课堂时教师也可以将两个完全相同的音箱和信号发生器相连，通过信号发生器产生一个强弱不变的声音，请学生用手捂住一只耳朵，在不同位置感受声音强弱的变化。这两个自制的器具都可以引发学生思考：是什么原因引起上述现象的？另外，在观察绳波的干涉现象时，发现实验现象转瞬即逝，而且实验很难做成功，受到驻波实验的启示，教师利用两个打点计时器产生相干波，使两个相干波在同一直线弦绳上沿着相反的方向传播，产生稳定的干涉现象。这样，有助于使学生全面观察实验现象，多角度思考问题，培养学生开放的发散思维。

评析：学习过程是思维和心理同时参与的过程。多元化整合资源、自制实验器具的过程，是思考、想象、描述、体会的过程。通过引导学生参与、体验和感悟，使学生深刻领悟物理的内涵与文化。

物理课堂教学并非只是物理知识的学习，更是承担着文化传承的教育职能，这就要求教师在物理教学中深度挖掘物理文化，有效融入物理文化，用物理文化浸润物理课堂，用物理文化提升学生的核心素养，促进物理文化的传承。

［   参   考   文   献   ］

［1］  解世雄.物理文化论［M］.重庆：西南师范大学出版社，1996.

［2］  张飞.多元化物理教学资源整合与应用［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2021.

（责任编辑    黄春香）