段紅民

【摘 要】物理是一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，有其獨特的學(xué)科特質(zhì)。文章對物理學(xué)特質(zhì)、對比數(shù)學(xué)中的物理問題與物理教學(xué)中的物理問題，在高中物理教學(xué)中如何體現(xiàn)這些特質(zhì)，如何更好地完成物理的教學(xué)任務(wù)等問題進(jìn)行探討，并結(jié)合高中物理教學(xué)實際，列舉了一些具體的教學(xué)構(gòu)想和操作，以期為完善高中物理教學(xué)提供有益探索。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)特質(zhì)；物理教學(xué)任務(wù)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2017）09-0012-04

在高中物理教學(xué)中，我們經(jīng)?？吹竭@樣一種局面——在新課教學(xué)中，教師急于結(jié)束新課內(nèi)容，有人提出15分鐘結(jié)束新課，剩下的時間就是應(yīng)用物理概念和規(guī)律解題；在習(xí)題課中，教師編寫了大量習(xí)題，從知識的各個方面訓(xùn)練學(xué)生解題，似乎只有這樣訓(xùn)練，學(xué)生才能應(yīng)付考試，考取高分。這與“高中物理課程應(yīng)體現(xiàn)物理學(xué)自身及其與文化、經(jīng)濟(jì)和社會互動發(fā)展的時代性要求，肩負(fù)起提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的重任”的課程標(biāo)準(zhǔn)顯然相悖。題海式教學(xué)不是師生需要的真實世界的物理教學(xué)，如何依據(jù)物理學(xué)的特質(zhì)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計和實踐，讓學(xué)生在物理課堂中，切實體驗物理知識形成的過程，充分感受掌握物理概念和規(guī)律的樂趣，形成科學(xué)的學(xué)習(xí)方法和有效解決新問題的技能，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，才是物理教師的使命。

一、物理學(xué)的特質(zhì)概述

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動形式和規(guī)律，因而它成為其他自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。它的理論結(jié)構(gòu)充分運(yùn)用數(shù)學(xué)作為自己的工作語言，以實驗作為檢驗理論正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，它是當(dāng)今最精密的一門自然科學(xué)學(xué)科。從物理學(xué)定義和物理學(xué)發(fā)展史來看，物理學(xué)的特質(zhì)主要包含以下方面：

特質(zhì)一：物理學(xué)發(fā)展中蘊(yùn)含的思辨、邏輯方法是人類文明發(fā)展的重要成果。

觀察、思辨和邏輯推演是物理學(xué)發(fā)展的基本手段。物理源于觀察，人們觀察和研究各類運(yùn)動，是為了探究其中蘊(yùn)藏的規(guī)律，再將其運(yùn)用于生產(chǎn)實踐，以提高人類生產(chǎn)、生活水平，推動社會發(fā)展和進(jìn)步。在物理學(xué)發(fā)展過程中，每個概念和規(guī)律的形成和得出都充滿了思辨和邏輯推演，其中蘊(yùn)含大量的思辨素材，充滿了想象力和邏輯思維的光輝，為教學(xué)提供了豐富的資源。

特質(zhì)二：實驗是物理學(xué)發(fā)展的生命線。

物理學(xué)是建立在大量實驗事實的基礎(chǔ)上的，物理實驗的特色在于精密而定量的測量，而且在可控制和可重復(fù)的條件下進(jìn)行。只有在取得大量可靠數(shù)據(jù)并總結(jié)出經(jīng)驗規(guī)律之后，才能建立融會貫通的理論體系，而理論一旦建立以后，就要針對特定的問題從理論推導(dǎo)出具體的預(yù)言，再通過進(jìn)一步的實驗來證實或證偽。經(jīng)過反復(fù)印證，物理學(xué)的理論才具有較高程度的可信性。而每一個物理學(xué)實驗，從設(shè)計、論證到具體實踐驗證和探索歷程，無不體現(xiàn)了物理學(xué)家的智慧、精巧；無不浸透了他們的心血和汗水，這需要我們大力挖掘和理解，并在教學(xué)中體現(xiàn)出物理實驗的育人功能。

特質(zhì)三：數(shù)學(xué)是表達(dá)物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)的語言。

17世紀(jì)蘇格蘭數(shù)學(xué)家納皮爾為簡化運(yùn)算發(fā)明了對數(shù)，大大地推動了天文學(xué)的發(fā)展，以至于伽利略贊嘆道：給我空間、時間和對數(shù)，我可以創(chuàng)造一個宇宙！由此可見，數(shù)學(xué)是物理學(xué)的語言和有力工具，概括物理現(xiàn)象、形成物理概念、整理實驗數(shù)據(jù)、進(jìn)行邏輯分析、建立物理定律、利用數(shù)學(xué)圖像展示物理規(guī)律等物理學(xué)的研究和學(xué)習(xí)過程都離不開數(shù)學(xué)。

二、物理問題在高中數(shù)學(xué)和物理教材中的不同呈現(xiàn)，表明高中物理教學(xué)必須凸顯物理學(xué)學(xué)科特質(zhì)

物理作為一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，學(xué)習(xí)它絕不僅是為了應(yīng)付高考的要求，其學(xué)科特質(zhì)決定了高中物理課程必須有助于學(xué)生學(xué)習(xí)基本的物理知識與技能；體驗科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究方法；增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情，這是其他學(xué)科不可替代的。

翻開人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書數(shù)學(xué)必修1》，發(fā)現(xiàn)例題或練習(xí)中所涉及的物理問題或模型就高達(dá)10個，題量高達(dá)20題，內(nèi)容涉及運(yùn)動學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、原子物理等模塊的知識，乍一看，似乎高中物理學(xué)習(xí)已經(jīng)沒有必要，實際情況并非如此。那么，數(shù)學(xué)教材中物理問題的呈現(xiàn)與物理教學(xué)中該問題的呈現(xiàn)有何不同，又能給我們哪些啟示？下面以“豎直上拋運(yùn)動”這一知識點為例來說明：“菊花”煙花是非常壯觀的煙花之一，制造時一般期望在它達(dá)到最高點時爆裂。如果煙花距地面的高度hm與時間ts之間的關(guān)系為h（t2）=-4.9t2+14.7t2+18，那么煙花沖出后什么時候是爆裂的最佳時刻？這時距地面的高度是多少（精確到1m）？

同一問題在“高中物理必修2”教材中：已知豎直上拋物體的初速度v0，試求：①物體上升最大的高度及上升到最大高度所用的時間；②物體由最高點落回原地時的速度，以及落回原地所用的時間。

通過二者對比可以發(fā)現(xiàn)：“數(shù)學(xué)中的物理問題”雖然展示了需要處理的物理問題的實際情景，但其重點不在于如何構(gòu)建處理該問題的數(shù)學(xué)模型“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”，而在于告知該模型后如何運(yùn)用二次函數(shù)的知識求解當(dāng)自變量t是多少時，函數(shù)能取最大值，且最大值是多少，而要做到這一點只要將函數(shù)寫成頂點式（用配方法）即可；在“高中物必修2”中所描述的“豎直上拋”問題，卻需要學(xué)生根據(jù)實際情況， 在“s=v0 t-g t2”“h=”或“t=”等這一系列勻變速直線運(yùn)動規(guī)律公式中自己尋找合適的公式來求解，至于函數(shù)中“h（t）=-4.9t2+14.7t+18”中的-4.9是何含義，怎么得到的？這恰恰是數(shù)學(xué)教材中所不能解答的，或者說不需要解答的，因為學(xué)生還要學(xué)習(xí)物理課程。應(yīng)該說，數(shù)學(xué)教材所編排的這些問題讓學(xué)生開闊了視野，充分體現(xiàn)了數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)工具學(xué)科在各領(lǐng)域的強(qiáng)大功能，很好地體現(xiàn)了教改的理念。

所以我們應(yīng)該思考：是否在很多物理常規(guī)教學(xué)中忽視或太快結(jié)束了物理教學(xué)中最具物理特質(zhì)的部分——物理概念和物理規(guī)律的形成過程，對于其形成過程中“觀察——假想——構(gòu)建（思辨）——驗證（實驗）——應(yīng)用（適用條件）——拓展（創(chuàng)新）”只強(qiáng)調(diào)了其中的“應(yīng)用”環(huán)節(jié)，并通過大量練習(xí)來提高應(yīng)試成績，而忽視了最具物理美學(xué)的其他環(huán)節(jié)？利用題海戰(zhàn)術(shù)提高物理成績顯然是舍本求末，結(jié)果注定是事倍功半。所以，在教學(xué)中，精心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生真正地重演物理知識的形成過程，使他們感受物理學(xué)家的思辨光輝、體驗實驗成敗的考驗及建立起科學(xué)理論的艱辛和喜悅，對于后期運(yùn)用好這些概念和規(guī)律解決新問題有著事半功倍的作用。

進(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然數(shù)學(xué)教材中設(shè)計的物理問題、模型眾多，但它們只是一些按數(shù)學(xué)知識運(yùn)用需要的零散知識的集合，彼此之間沒有邏輯關(guān)聯(lián)，更談不上形成系統(tǒng)和理論，這提醒我們在教學(xué)中必須理清高中物理課程中各模塊、各章節(jié)、各知識點之間內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)和認(rèn)知秩序，并在教學(xué)中體現(xiàn)物理學(xué)科的這一特點。

三、從物理學(xué)特質(zhì)看高中物理教學(xué)任務(wù)

1. 教學(xué)要體現(xiàn)物理學(xué)思辨、邏輯的特質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)能力

物理學(xué)區(qū)別于其他任何一門自然科學(xué)的最大特點就是，所有的知識內(nèi)容都具有很明顯的邏輯發(fā)展關(guān)系，環(huán)環(huán)相扣，思維縝密。高中物理教材就充分體現(xiàn)了這一特點，這對于構(gòu)建充滿邏輯思維的課堂大有幫助。教學(xué)中，可以先行對高中物理課程中各模塊、各章節(jié)、各知識點之間內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)和認(rèn)知秩序構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的學(xué)習(xí)方法和大局觀，實現(xiàn)知識的意義構(gòu)建。

例如，“高中物理必修1”（粵教版）物理，各章知識點可以構(gòu)建以下邏輯關(guān)系圖（圖1）：

通過引導(dǎo)，學(xué)生可以很快分清模塊一中各知識點的邏輯發(fā)展和層次關(guān)系，對于牛頓第二定律的核心作用也一目了然。

2. 深入開發(fā)實驗教育功能，培養(yǎng)學(xué)生處理新問題的能力

教學(xué)中，善用教材，突出實驗教學(xué)，努力創(chuàng)造能使學(xué)生體驗物理知識形成過程的環(huán)境和條件，使學(xué)生感受其中的艱辛和樂趣，學(xué)到科學(xué)的思維和處理問題的方法，得到實驗歷練。

例如，在《高中物理選修3-2》（粵教版）“感應(yīng)電流的方向”教學(xué)中，教材提供了如表1實驗探究圖表。（其中，A—F行中各實驗得出量為筆者所填）

如何從數(shù)據(jù)表格中得出正確的結(jié)論？

“感應(yīng)電流的方向”（楞次定律）的教學(xué)內(nèi)容可以說是高中物理教學(xué)中難教、難學(xué)的內(nèi)容之一，因為定律中對于“感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通量的變化”的描述十分精準(zhǔn)，每個字都不可替代，蘊(yùn)含深意，僅憑教師講解，學(xué)生是不能深刻地理解和運(yùn)用好這一定律的，需要學(xué)生體驗其中的物理探究過程。此外，面對繁雜的實驗數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行科學(xué)地處理，也能極大提高學(xué)生的思辨能力，練習(xí)應(yīng)對新問題的解決思路和方法，考驗學(xué)生的意志品質(zhì)，所以我們應(yīng)知難而進(jìn)。

限于篇幅，筆者只解讀實驗數(shù)據(jù)的處理過程。

首先，在得到表1中A—F行中各實驗數(shù)據(jù)后，面對大量數(shù)據(jù)，我們需要采取“確定自變量和對應(yīng)改變量之間的邏輯關(guān)系，如果自變量相同，而改變量不同則邏輯不相關(guān)，只有二者一一對應(yīng)，才是邏輯相關(guān)”的判定原則，尋找邏輯相關(guān)量。根據(jù)實驗操作，可知A、B中的數(shù)據(jù)是實驗中的兩組自變量。

第一輪的對比篩查，以A作為自變量開始。

分別用A對比C中數(shù)據(jù)，當(dāng)“原磁場磁場方向”都“向下”時，C中的“指針偏轉(zhuǎn)”出現(xiàn)了“左偏”“右偏”兩個不同的結(jié)果，顯然A與C邏輯不相關(guān)。如用A對比D中數(shù)據(jù)，當(dāng)A中左4格“原磁場磁場方向”都“向下”時，D中的“線圈中感應(yīng)電流方向（俯視）”出現(xiàn)了“逆時針”“順時針”兩個不同的結(jié)果，顯然A與D邏輯不相關(guān)。同理，可以發(fā)現(xiàn)A與E、F均為邏輯不相關(guān)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，從A的變化中不能得出相應(yīng)變化規(guī)律。

第二輪的對比篩查，以B作為自變量開始。

分別用B對比C中數(shù)據(jù)，當(dāng)“穿過線圈的磁通量變化”都“增加”時，C中的“指針偏轉(zhuǎn)”出現(xiàn)了“左偏”“右偏”兩個不同的結(jié)果，顯然B與C邏輯不相關(guān)。如用B對比D中數(shù)據(jù)，當(dāng)B中第1、2、5、6格（從左向右）“穿過線圈的磁通量變化”均為“增加”時，D中的“線圈中感應(yīng)電流方向（俯視）”對應(yīng)出現(xiàn)了“逆時針”“順時針”兩組不同的結(jié)果，顯然B與D邏輯不相關(guān)。

同理，可以發(fā)現(xiàn)B與E也為邏輯不相關(guān)。對比B、F，我們可以發(fā)現(xiàn)，二者存在邏輯關(guān)聯(lián)，故得出結(jié)論：當(dāng)原磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反；當(dāng)原磁通量減小時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同。進(jìn)一步整理提煉得到楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通量的變化。

重視教材，善用教材，理解教材編寫的意圖，其實就是取得完善學(xué)生知識結(jié)構(gòu)、啟發(fā)學(xué)生思維的最佳和最簡的途徑，因為教材本身就蘊(yùn)含了物理學(xué)科的特質(zhì)，有待教師去理解和開發(fā)。

3. 學(xué)會構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來表達(dá)物理情境，為學(xué)生未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)

深入挖掘物理史實，注重還原物理概念和物理規(guī)律的形成過程，讓學(xué)生體會數(shù)學(xué)對于物理學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大支撐作用，從而更自覺地利用數(shù)學(xué)工具來解決物理學(xué)的新問題。

下面以人們對勻變速直線運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識過程為例說明：在對勻變速直線運(yùn)動規(guī)律的教學(xué)中，不少教師都引用了——伽利略的“羊皮卷”中記錄的關(guān)于初速為零的勻變速運(yùn)動的實驗數(shù)據(jù)來啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)位移與運(yùn)動時間t之間的s∞t2的關(guān)系，詳見表2，（其中數(shù)據(jù)來自原始記錄），的確，如果僅作為探究習(xí)題的演練無疑是極好的素材，但事實是怎樣的？伽利略當(dāng)年為何要做這個實驗，又是怎樣做的？其實驗的最終目的又是如何？自由落體運(yùn)動規(guī)律是如何得到的？

真實的情況是：在公元14世紀(jì)30年代，英國牛津大學(xué)默頓學(xué)院的W.海特斯伯里等數(shù)學(xué)家已經(jīng)通過數(shù)學(xué)推理認(rèn)識到了“勻變速運(yùn)動”即為“均勻加速的運(yùn)動是指在相同的時間內(nèi)其速度的增量相同”的運(yùn)動，得到了速度隨時間而變化的函數(shù)關(guān)系，但沒有具體提出加速度的概念。200多年后，伽利略在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了自由落體運(yùn)動，從而揭開了勻變速直線運(yùn)動規(guī)律的神秘面紗。伽利略認(rèn)識到了v-t圖像中速度圖線與時間所包圍的面積即為質(zhì)點相對應(yīng)的位移，所以他假設(shè)自由落體運(yùn)動為初速為零的勻加速直線運(yùn)動，首先依據(jù)面積互補(bǔ)理論（圖2中陰影部分面積相等），推斷了從靜止開始做勻加速運(yùn)動的物體平均速度v=■（如圖2所示），接著又由Vt ∞ t和S=v · t推導(dǎo)了自由落體運(yùn)動位移與時間的關(guān)系為s ∞ t2，但是由于自由落體運(yùn)動下落時間太短，依據(jù)當(dāng)時的條件根本無法測量時間，于是巧妙設(shè)計了鐵球從斜面上勻加速滾下（如圖3所示）的裝置來進(jìn)行驗證，他利用同一開關(guān)控制鐵球滾動和水的下流，經(jīng)過上百次的實驗，終于得到了“羊皮卷”中的數(shù)據(jù)，從而“驗證”了前面的s ∞ t2推斷。當(dāng)他不斷抬高斜面的傾角時，發(fā)現(xiàn)s ∞ t2關(guān)系依然成立，只不過時間更短了，于是他做出了自由落體運(yùn)動就是一種初速度為零的勻加速直線運(yùn)動的判斷，而且得到了下落與鐵球本身的重力大小無關(guān)的重要結(jié)論。

通過上述學(xué)習(xí)，學(xué)生不光可以理解和掌握物理學(xué)規(guī)律，還能充分感受到數(shù)學(xué)作為工具學(xué)科對物理學(xué)的強(qiáng)大支持作用，更能學(xué)會構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來處理物理實際問題，學(xué)會用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)語言來表達(dá)物理問題，這對于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升非常重要。

四、教學(xué)中的幾個認(rèn)識誤區(qū)

不少教師認(rèn)為，在教學(xué)中花時間到體驗物理學(xué)概念、規(guī)律的形成過程的學(xué)習(xí)還不如直接學(xué)習(xí)，加強(qiáng)練習(xí)來得更有效，其實這和“磨刀不誤砍柴工”的道理一樣，如果學(xué)生能知其然，還能知其所以然，就能學(xué)到物理學(xué)的精髓。

鼓勵教師在實際教學(xué)中為學(xué)生創(chuàng)造物理知識的形成過程的體驗或?qū)W習(xí)，并不是僅讓他們了解或?qū)W會在當(dāng)時條件下如何研究、實驗，而是學(xué)習(xí)物理學(xué)家的思辨方法和科學(xué)精神，感受物理學(xué)家研究思想的發(fā)展歷程，以便學(xué)生形成感悟后遷移到現(xiàn)代社會中去解決新問題。

不是所有的學(xué)生都能成為物理學(xué)家或從事物理學(xué)方面的工作，物理教學(xué)的追求應(yīng)是讓孩子們感受物理學(xué)的實驗美、思辨美、實用美，體驗學(xué)習(xí)物理的樂趣，養(yǎng)成科學(xué)的學(xué)習(xí)思維和習(xí)慣，成為具有較高科學(xué)素養(yǎng)的公民。

參考文獻(xiàn)：

[1] 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[Z].

[2] 周光召.中國大百科全書（物理學(xué)）[M].北京：中國大百科全書出版社，2009.

[3] 人民教育出版社，課程教材研究所，中學(xué)數(shù)學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書數(shù)學(xué)必修1[M].北京：人民教育出版社，2015.

[4] 廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理必修2[M].廣州：廣東教育出版社，2015.

[5] （美）卡茨.數(shù)學(xué)史通論[M].第二版，李文林等譯.北京：高等教育出版，2004.

（編輯：易繼斌）