馮炎堯 陳均朗 汪小剛
【摘要】物理課程的教學(xué)從初中到高中再到大學(xué)是環(huán)環(huán)相扣的,每個(gè)階段的學(xué)習(xí)都會(huì)對(duì)后繼階段產(chǎn)生重要影響,學(xué)生在中學(xué)應(yīng)建立良好的物理思維方式,為大學(xué)物理的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。中學(xué)物理思維主要體現(xiàn)在矢量和量綱兩個(gè)方面,而大學(xué)物理則需要結(jié)合微積分的運(yùn)用。
【關(guān)鍵詞】物理思維 矢量 量綱
【課題項(xiàng)目】浙江農(nóng)林大學(xué)2017年度校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目:新高考模式下大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的銜接,編號(hào):JGZD17002。
【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089(2018)37-0138-01
物理學(xué)研究的是物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,是其它各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。在初中,物理并沒有作為一門課程,而是科學(xué)教育的一部分,只是對(duì)特殊物理現(xiàn)象的初步解釋和一般應(yīng)用,往往以定性研究為主;到了高中,物理成為一門獨(dú)立的課程,隨著年段的升高,對(duì)物理教學(xué)的要求也深入了很多。加上數(shù)學(xué)能力的提高,物理教學(xué)從定性研究為主過渡到定量研究為主。大學(xué)物理則是高中物理的再一次提升。由于微積分和矢量代數(shù)的應(yīng)用,主要研究變量物理。這三個(gè)階段的物理教學(xué),環(huán)環(huán)相扣,難度深度逐漸增加,缺了任一環(huán)節(jié)都不能很好地掌握整個(gè)物理課程,勢(shì)必會(huì)影響后一階段的物理學(xué)習(xí)。
與此同時(shí),高考進(jìn)行了深度改革,物理教學(xué)也發(fā)生了重大改變。浙江省作為試點(diǎn),自2017年始,高考采取了3+3模式,即除了語文、數(shù)學(xué)、英語外,再在物理、化學(xué)、技術(shù)、政治、歷史、地理和生物七門課程中選考三門,直接的后果就是學(xué)生如果沒有選擇物理作為高考科目的話,他的中學(xué)物理基礎(chǔ)肯定會(huì)明顯削弱。與高考模式變革相對(duì)應(yīng)的是中學(xué)物理課程的教學(xué)大綱和考試大綱也發(fā)生了很大的變化。很多在九十年代的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容在最新的大綱中都變成選修或者選考內(nèi)容,如振動(dòng)、波動(dòng),動(dòng)量守恒等,學(xué)生往往會(huì)放棄這些內(nèi)容??梢姡袑W(xué)生的物理知識(shí)體系的全面性在下降。
大學(xué)物理是一門面向非物理專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課程,向理工科專業(yè)學(xué)生介紹物理學(xué)的基本理論和研究方法,為后續(xù)的技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課奠定必要的物理基礎(chǔ)。但是由于高考的改革加上自身課程的性質(zhì),近年來教學(xué)效果非常不理想,從期末成績(jī)來看,呈現(xiàn)出兩大趨勢(shì):一是及格率逐年降低;二是分?jǐn)?shù)差距不斷增大。從卷面答題情況來看,主要反映出學(xué)生缺乏基本的物理思維,具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
一、矢量概念不清,或者說缺少矢量的意識(shí)和思維方式
矢量是物理學(xué)中最重要的一個(gè)工具,從初中階段開始就著重強(qiáng)調(diào),如力的圖示和力的示意圖就強(qiáng)調(diào)力作為矢量包括大小和方向應(yīng)該如何表達(dá),具體如重力,拉力,壓力等等。在高中階段如力的分解與合成,平行四邊形法則(三角形法則)和正交分解法則。在教材中,矢量用黑體字表示 ,如力F。我們?cè)跁鴮懼袆t在字母上方加單向箭頭表示,如。但是學(xué)生往往沒有矢量的習(xí)慣,很少會(huì)加上單向箭頭。更重要的學(xué)生不會(huì)運(yùn)用矢量的合成與分解法則,往往跟處理標(biāo)量一樣,直接相加減。如連續(xù)帶電體的電場(chǎng)分布計(jì)算公式,=?蘩r。很多同學(xué)忽視單位矢量r的存在,直接當(dāng)標(biāo)量進(jìn)行積分,這種方法顯然是錯(cuò)誤的。事實(shí)上,帶電體上各點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的方向往往是不一致的,不能直接積分。正確的步驟是:首先寫出帶電體微元dq在給定場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)dE=,然后對(duì)dE正交分解,再對(duì)分解后的各分量進(jìn)行積分,才能得到正確的結(jié)果。
二、量綱(單位)的思維習(xí)慣
除了無量綱的量(也就是沒有單位的量,這類物理量往往是兩個(gè)物理意義相同的量相除,如相對(duì)電容率,相對(duì)磁導(dǎo)率等),每一個(gè)物理量都有自己的量綱和單位。量綱有三個(gè)基本作用:(1)可定出同一物理量不同單位間的換算關(guān)系;(2)檢驗(yàn)文字和字母描述的正誤;(3)從量綱分析中定出方程中比例系數(shù)的量綱和單位。對(duì)學(xué)生來說,最重要的是第2個(gè)作用,檢驗(yàn)代數(shù)式的正誤,因?yàn)椴煌牧烤V代表不同的物理意義,不同的物理量之間,不能夠相加減,只能乘除。學(xué)生可以用量綱檢查代數(shù)式答案的正確與否,例如,某個(gè)學(xué)生的答案是,顯然,這個(gè)答案是錯(cuò)的,因?yàn)閙1與m1m2的量綱不一樣,不能相加。另外,需要強(qiáng)調(diào)指出的是指數(shù)ex和對(duì)數(shù)lnx也是無量綱的,x同樣必須是無量綱的,比如對(duì)速率v取對(duì)數(shù)是沒有物理意義的。
三、從恒定不變量到微分變量的轉(zhuǎn)變
在多年的教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn),學(xué)生總是習(xí)慣用中學(xué)的概念和方法來理解和處理大學(xué)物理的問題,很難接受新的思維方式。因此在大學(xué)物理的教學(xué)過程中,老師的一個(gè)重要任務(wù)就是逐步引導(dǎo)學(xué)生將微元思想和物理問題結(jié)合起來。以質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)為例,學(xué)生在中學(xué)階段有關(guān)這方面的知識(shí),局限于勻速和勻變速直線運(yùn)動(dòng)。而這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是最理想化的,不需要微積分也可以描述清楚。到了大學(xué)階段,質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)拓展到任意的變速運(yùn)動(dòng)。而變化的狀態(tài)只能用導(dǎo)數(shù)和積分才能正確的表達(dá)。例如,由v=過渡v=,s=vt提升到s=?蘩vdt??梢赃@么說,物理學(xué)的研究對(duì)象總是在不斷變化的,這種變化在更多情況下是非均勻的,只能借助微積分才能正確地表達(dá)。這就是物理學(xué)需要運(yùn)用微積分的根本原因。
盡管導(dǎo)數(shù)和積分是大學(xué)里才學(xué)的,但是量綱和矢量的思想是從初中階段就開始的,所以我們應(yīng)該從初中開始就灌輸量綱和矢量的思維習(xí)慣,在高中階段進(jìn)一步強(qiáng)化,這樣到了大學(xué)階段才會(huì)習(xí)慣成自然,讓量綱和矢量的思想根深蒂固,結(jié)合微積分工具,才能把大學(xué)物理學(xué)好,更好地為其它專業(yè)課奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
[1]汪小剛,戴朝卿,陳翼翔.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué).北京,科學(xué)出版社.
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[3]馮炎堯,汪小剛,陳均朗.新高考模式下的大學(xué)物理與中學(xué)物理有效銜接的研究[J].課程教育研究,2018年第1期.
[4]馬文蔚.物理學(xué).北京,高等教育出版社.
作者簡(jiǎn)介:
馮炎堯(1969.10-),男,漢族,浙江嘉善人,學(xué)士,中教一級(jí),研究方向:初中科學(xué)。