陶昌宏

(北京教科院基教研中心物理室 北京 100031)

2017年年底，國家頒布了普通高中課程方案、課程標(biāo)準(zhǔn)，開啟了新一輪課程改革．本次課程改革提出了核心素養(yǎng)課程目標(biāo)，頒布了學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)．核心素養(yǎng)課程目標(biāo)是貫徹黨的教育方針，堅(jiān)持立德樹人根本任務(wù)的綱領(lǐng)性指南；學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)則是規(guī)范教學(xué)、規(guī)范考試，教學(xué)與考試和諧統(tǒng)一的綱領(lǐng)性尺子．以上兩項(xiàng)內(nèi)容均具有歷史性意義．需要引起注意的是，課程標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)提出：注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用．但是，學(xué)科本質(zhì)是什么？課標(biāo)中沒有正面回答．筆者認(rèn)為，學(xué)科本質(zhì)、核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、育人價(jià)值是一個(gè)有機(jī)整體，目的是更好地發(fā)揮物理學(xué)科獨(dú)特的育人功能，體現(xiàn)其育人價(jià)值．

關(guān)于核心素養(yǎng)理念下的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施，學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試、命題等相關(guān)內(nèi)容，筆者已在2018年、2019年《物理通報(bào)》連載文章中做了相應(yīng)闡述．

本文就物理學(xué)科本質(zhì)與核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、育人價(jià)值的關(guān)系，如何發(fā)揮物理學(xué)科獨(dú)特的育人功能談一些認(rèn)識(shí)．不妥之處，敬請(qǐng)指正．

1 物理學(xué)科本質(zhì)

物理學(xué)科本質(zhì)是什么？筆者與一線教師討論、交流這個(gè)問題時(shí)，看得出，很多教師沒有思考這個(gè)問題，或是言之泛泛，或是言之名詞，也有見仁見智．這與課程標(biāo)準(zhǔn)中沒有做出回答不無關(guān)系．

1.1 物理學(xué)科本質(zhì)

物理學(xué)研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律．由此，物理學(xué)科本質(zhì)：反映并揭示自然界物理運(yùn)動(dòng)的規(guī)律．具體內(nèi)容包括物理現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)，物理概念、定律及理論，物理學(xué)應(yīng)用以及在物理學(xué)發(fā)展過程中所形成的方法和思維方式．這里的物理運(yùn)動(dòng)指的是指機(jī)械運(yùn)動(dòng)，分子、原子運(yùn)動(dòng)，電磁運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)等．其中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是自然界中最普遍、最基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)，也是最重要的運(yùn)動(dòng)．恩格斯曾說道：“一切運(yùn)動(dòng)都是和某種位置移動(dòng)相聯(lián)系的．不論這是天體的、地上物體的、分子的或以太粒子的位置移動(dòng)．運(yùn)動(dòng)形式愈是高級(jí)，這種位置移動(dòng)就愈?。恢靡苿?dòng)決不能把有關(guān)的運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)包括無遺，但是也不能和運(yùn)動(dòng)分開，所以首先必須研究位置移動(dòng)．” (馬克斯恩格斯選集第三卷P491)不了解運(yùn)動(dòng)，就不了解自然．在自然界，由于物理運(yùn)動(dòng)是最基楚的，化學(xué)運(yùn)動(dòng)、生命運(yùn)動(dòng)以及宇宙運(yùn)動(dòng)都是在物理運(yùn)動(dòng)上展開的，因此掌握了物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也就有利于對(duì)自然界其他運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解，在人類認(rèn)識(shí)的歷史上，正是物理學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了化學(xué)、生命科學(xué)、宇宙學(xué)的發(fā)展，引領(lǐng)了人類文明的進(jìn)步．正因?yàn)槿绱?，物理學(xué)科本質(zhì)具有基礎(chǔ)性與豐富性．

1.2 物理學(xué)科本質(zhì)的基礎(chǔ)性地位

物理學(xué)科本質(zhì)、核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、育人價(jià)值是一個(gè)有機(jī)整體，學(xué)科本質(zhì)具有基礎(chǔ)性地位．

(1)物理學(xué)科本質(zhì)，體現(xiàn)物理學(xué)本身的價(jià)值

物理學(xué)科本質(zhì)，首先體現(xiàn)物理學(xué)本身的價(jià)值．物理學(xué)已經(jīng)且正在改變?nèi)祟惖纳睿锢韺W(xué)始終引領(lǐng)著人類對(duì)自然奧秘的探索，深化著人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)．

(2)基于物理學(xué)科本質(zhì)，提煉學(xué)科核心素養(yǎng)

物理學(xué)科本質(zhì)，體現(xiàn)物理學(xué)的育人價(jià)值．物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)．物理學(xué)科建構(gòu)的核心素養(yǎng)是從物理學(xué)科本質(zhì)中提煉的．例如，核心素養(yǎng)當(dāng)中的物理觀念，主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素．這些觀念是物理學(xué)科本質(zhì)的體現(xiàn)，涉及人的世界觀，而物理學(xué)科本質(zhì)能夠促進(jìn)人們形成正確的世界觀．核心素養(yǎng)其他幾個(gè)維度亦然．

一個(gè)人，如果不經(jīng)過物理課程的學(xué)習(xí)，將不能理解蘋果成熟會(huì)落到地上，而高處的月亮則不會(huì)落到地上的事實(shí)．頭腦中沒有物理世界，也許就成為科盲了，很難從事科學(xué)研究．物理學(xué)科獨(dú)特的育人價(jià)值無可替代．

(3)基于物理學(xué)科本質(zhì)，制定學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

物理學(xué)科本質(zhì)，是制定學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的根本依據(jù)，因?yàn)椋瑢W(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)學(xué)科核心素養(yǎng)及其水平化分為主要維度，結(jié)合課程內(nèi)容對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)進(jìn)行總體的刻畫．

通過上述，可以看出物理學(xué)科本質(zhì)與核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、育人價(jià)值是不可割裂的整體．同時(shí)可以鮮明地看到，物理學(xué)科本質(zhì)具有基礎(chǔ)性地位．認(rèn)識(shí)和理解物理學(xué)科本質(zhì)，便于理解學(xué)科核心素養(yǎng)的本質(zhì)內(nèi)涵，便于理解學(xué)業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，就能夠發(fā)揮物理學(xué)科獨(dú)特的育人功能，體現(xiàn)育人價(jià)值．方知孰輕孰重，才能舉重若輕．在深化課程改革實(shí)踐中，不是邯鄲學(xué)步，也不會(huì)顧此失彼，從而有效地落實(shí)立德樹人根本任務(wù)．

1.3 體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)的重要內(nèi)容

物理學(xué)家勞厄曾說過：“重要的不是獲取知識(shí)，而是發(fā)展思維能力，教育無非是一切都忘掉的時(shí)候，所剩下來的東西．”

剩下來的東西，應(yīng)體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)．物理學(xué)科能剩下什么？應(yīng)該剩下什么？

物理學(xué)包括物理現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)，物理概念、定律及理論，物理學(xué)應(yīng)用以及在物理學(xué)發(fā)展過程中所形成的方法和思維方式．由此，能夠體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)、具有獨(dú)特育人功能的重要內(nèi)容，筆者認(rèn)為要有物理實(shí)驗(yàn)、物理思維和物理方法．物理實(shí)驗(yàn)會(huì)影響人的世界觀，物理思維會(huì)影響人的品格，物理方法會(huì)影響人的關(guān)鍵能力．而核心素養(yǎng)的關(guān)鍵詞正是價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．

物理實(shí)驗(yàn)、物理思維和物理方法是物理學(xué)獨(dú)創(chuàng)的、獨(dú)特的、獨(dú)具的，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，可堪稱經(jīng)典，為其他學(xué)科進(jìn)行科學(xué)研究樹立了榜樣．

2 物理實(shí)驗(yàn)獨(dú)特的育人功能

物理實(shí)驗(yàn)屬于科學(xué)實(shí)驗(yàn)范疇，但具有其獨(dú)特性．

2.1 物理實(shí)驗(yàn)形成一種理念

物理實(shí)驗(yàn)已形成一種理念，即“小實(shí)驗(yàn)，大物理”，這是物理學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)帶給人們的啟示．

(1)小實(shí)驗(yàn)，大物理

物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的背后，蘊(yùn)含深刻道理，即“小實(shí)驗(yàn)，大物理”.

例如，如圖1所示，小磁針的偏轉(zhuǎn)使人類看到了電流的磁效應(yīng).

圖1 通電導(dǎo)線使小磁針偏轉(zhuǎn)

例如，如圖2所示，一個(gè)線圈通電瞬間，另一個(gè)線圈中有了電流，揭示了電與磁的統(tǒng)一性.

圖2 法拉第曾用過的線圈

法拉第線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，是在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，證實(shí)磁場可以產(chǎn)生電流，這個(gè)發(fā)現(xiàn)促進(jìn)人類進(jìn)入電氣化時(shí)代．

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可能反映自然界的某種規(guī)律．因此，做實(shí)驗(yàn)要進(jìn)行細(xì)心的觀察、理性的思考和推理．對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都應(yīng)以景仰的心態(tài)去完成．

(2)實(shí)驗(yàn)是重要的科學(xué)方法

近代物理學(xué)發(fā)展的過程中，實(shí)驗(yàn)一直相伴．實(shí)驗(yàn)(事實(shí))與邏輯推理相結(jié)合的方法，開創(chuàng)了物理學(xué)的新篇章．

物理學(xué)是一門理論與實(shí)驗(yàn)高度精密結(jié)合的科學(xué)．要證明假說嗎？要探究物理量之間的關(guān)系嗎？要證明理論是否正確嗎？回答是：做實(shí)驗(yàn)．物理離不開實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)成為物理學(xué)科特色．物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)物理學(xué)自身的發(fā)展，并成為科學(xué)研究的重要方法．

(3)物理實(shí)驗(yàn)具有科學(xué)探究的本質(zhì)意義

物理實(shí)驗(yàn)和采用的科學(xué)思維方法，體現(xiàn)了科學(xué)探究的本質(zhì)特征，是人類認(rèn)識(shí)世界的有效工具．物理實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)了人類科學(xué)探索自然世界奧秘的先河．例如，天電的引入、磁生電的探索、光電效應(yīng)疑難等等，不僅發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，促進(jìn)人類生產(chǎn)方式變革，改善人們生活，而且增強(qiáng)了人類進(jìn)行科學(xué)探究的意識(shí)和能力．

物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的探究、采用的方法、獲得的成果，特別是形成的探究意識(shí)豐富了人類物質(zhì)生活和精神生活，探究給人生帶來情趣，探究是人類發(fā)展的不竭動(dòng)力．

(4)物理實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)證據(jù)意識(shí)

物理實(shí)驗(yàn)可以探究規(guī)律，可以驗(yàn)證規(guī)律．實(shí)驗(yàn)為理論的建立提供證據(jù)．

例如，如圖3所示，伽利略通過斜面實(shí)驗(yàn)，得出小球做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)論．然后進(jìn)行合理外推，確定了自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．實(shí)驗(yàn)不僅為批駁綿延兩千年對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤論斷提供了證據(jù)，而且開創(chuàng)了科學(xué)的研究方法．

圖3 小鋼球在斜面上的運(yùn)動(dòng)

例如，傅科擺實(shí)驗(yàn)，為說明地球的自轉(zhuǎn)提供了證據(jù)．

例如，如圖4所示，盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，為建立原子核式結(jié)構(gòu)模型提供了證據(jù)．

圖4 α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)證據(jù)意識(shí)．證據(jù)意識(shí)增強(qiáng)了，有句老話兒“擺事實(shí)講道理”就懂了；證據(jù)意識(shí)增強(qiáng)了，明辨是非的能力就增強(qiáng)了；證據(jù)意識(shí)增強(qiáng)了，誠信就能成為一種共識(shí)．

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У嘏囵B(yǎng)和增強(qiáng)證據(jù)意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的提升．

2.2 物理實(shí)驗(yàn)具有獨(dú)特性

物理實(shí)驗(yàn)為研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供證據(jù)，奠定基礎(chǔ)．

例如，牛頓管實(shí)驗(yàn)，研究真空狀態(tài)下，輕重不同的物體下落的規(guī)律．

例如，α粒子散射實(shí)驗(yàn)，研究原子的基本結(jié)構(gòu)．

例如，卡文迪什實(shí)驗(yàn)，研究物體間引力作用規(guī)律．

物理實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容是物理學(xué)范疇，不同于其他學(xué)科．從這個(gè)意義上說，物理實(shí)驗(yàn)是獨(dú)特的．這種獨(dú)特性，能夠幫助學(xué)生對(duì)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，物體的運(yùn)動(dòng)、相互作用等形成正確認(rèn)識(shí)．能夠幫助學(xué)生建立一個(gè)物理世界，這個(gè)物理世界能夠促使學(xué)生形成正確的世界觀．

例如，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的基本屬性，物體的運(yùn)動(dòng)不需要外力來維持，地上和天上物體的運(yùn)動(dòng)遵從同樣的規(guī)律，運(yùn)動(dòng)的物體具有能量等等．這些認(rèn)識(shí)能夠提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，這是物理實(shí)驗(yàn)獨(dú)特的育人功能．

2.3 物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性

(1)實(shí)驗(yàn)工具的創(chuàng)造

物理學(xué)發(fā)展過程中，創(chuàng)造了一系列實(shí)驗(yàn)工具．

例如，計(jì)時(shí)工具的創(chuàng)造，滴水計(jì)時(shí)、砂漏計(jì)時(shí)、單擺計(jì)時(shí)，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等．例如，天平，重錘線，驗(yàn)電器、變阻器、各種電表，傳感器等．實(shí)驗(yàn)工具的創(chuàng)造，提升了實(shí)驗(yàn)水平，為物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，為物理教學(xué)提供條件，打下基礎(chǔ)．

(2)實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新

物理學(xué)發(fā)展過程中，創(chuàng)造了一系列實(shí)驗(yàn)方法．

例如，庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)．電荷量的控制、微小力的測量、巧妙的設(shè)計(jì)步步都是創(chuàng)新．

例如，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，將瞬時(shí)速度的測量轉(zhuǎn)變成對(duì)水平位移的測量，這同樣是實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新．實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新，開拓人們的思路．

(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)造

物理實(shí)驗(yàn)，發(fā)明了一系列數(shù)據(jù)處理方法．

例如，列表法、公式法、圖像法、轉(zhuǎn)換法、微元法等，特別是圖像處理數(shù)據(jù)的方法，豐富了認(rèn)知．坐標(biāo)的變換，圖像的截距、斜率、“面積”等都賦予了物理意義．

物理實(shí)驗(yàn)工具的演變、實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新、數(shù)據(jù)處理的多樣，豐富了學(xué)生的認(rèn)知，理性思維和想象力得到提升．例如，物理量的二分法、轉(zhuǎn)換法、微小形變放大法、極限方法等能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力．

2.4 物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)化很強(qiáng)的獨(dú)特技術(shù)

物理實(shí)驗(yàn)涉及學(xué)術(shù)、技術(shù)等問題．物理實(shí)驗(yàn)本身是科學(xué)，科學(xué)的本質(zhì)在于求真．因此,實(shí)驗(yàn)來不得半點(diǎn)虛假．物理實(shí)驗(yàn)有助于形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度．物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)化很高的獨(dú)特技術(shù)，物理實(shí)驗(yàn)講究觀察，講究控制變量，講究操作步驟，講究數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理，講究理性分析和邏輯推理，講究合作與分享．

例如，連接好電路，閉合開關(guān)時(shí)，要采用試觸方法.

例如，采用感應(yīng)起電的方式使物體帶電，實(shí)驗(yàn)操作的先后順序決定成敗.

例如，電表的選擇、電源供電方式的選擇，都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果．

物理實(shí)驗(yàn)中的一招一式、一舉一動(dòng)，實(shí)驗(yàn)物品的一拿一放，都在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．物理實(shí)驗(yàn)不是隨隨便便就能成功．

綜上所述，物理實(shí)驗(yàn)使人們獲得關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用、能量、電磁關(guān)系等方面的直接經(jīng)驗(yàn)和證據(jù)，有助于形成正確的世界觀．物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面有不可替代的作用．

3 物理思維獨(dú)特的育人功能

物理思維屬于科學(xué)思維范疇，但具有其獨(dú)特性．

科學(xué)是關(guān)于自然、社會(huì)和思維的系統(tǒng)化知識(shí)、系統(tǒng)化方法體系．顯然，科學(xué)離不開思維．

3.1 思維是人類所特有的客觀存在

思維在社會(huì)實(shí)踐中產(chǎn)生，是人類所特有的一種客觀存在．物理思維是在表象，物理概念、規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、綜合、推理、判斷等認(rèn)知活動(dòng)的過程．物理思維在物理課程學(xué)習(xí)中產(chǎn)生，并在物理課程學(xué)習(xí)中得到培養(yǎng)和提升．

3.2 思維有規(guī)律

已故科學(xué)家錢學(xué)森曾說道：“從最廣泛的意義上講，從唯物主義的思想講，思維當(dāng)然有規(guī)律，因?yàn)樗季S也是一種客觀現(xiàn)象，而一切客觀的東西及其運(yùn)動(dòng)都有自己的規(guī)律，思維當(dāng)然也不例外．”

思維既然有規(guī)律，思維能力就能夠培養(yǎng)．物理課程培養(yǎng)學(xué)生思維能力責(zé)無旁貸．

3.3 物理概念的高度抽象

(1)物理概念是物理學(xué)的基石

物理概念是物理學(xué)的基石，物理概念在物理學(xué)中極其重要，因?yàn)橐磺形锢憩F(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)、規(guī)律、理論，物理問題都要用物理概念來描述．物理概念是物理知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是學(xué)好物理課程的基礎(chǔ)．學(xué)好物理課程必須要建構(gòu)好物理概念．物理概念建構(gòu)不好，其他均為泡影．

(2)物理概念的抽象性

物理概念具有高度抽象、高度概括、高度簡潔、高度自洽的特點(diǎn)．這一點(diǎn)毋庸置疑．

例如，力的概念．力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體間的相互作用．

例如，加速度的概念．加速度的定義：速度的變化量與時(shí)間的比值．

僅上兩例，無可爭議，物理概念確實(shí)抽象，而且是高度抽象，又常常是多重抽象．如上面的加速度定義，當(dāng)中涉及速度、速度的變化量、位移、質(zhì)點(diǎn)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等概念．

物理概念用物理語言進(jìn)行闡述，因此，僅從字面上無法認(rèn)識(shí)和理解物理概念，需要經(jīng)過物理專業(yè)教育，通過物理課程系統(tǒng)化學(xué)習(xí)才能懂得其意．

3.4 物理思維的深刻性

物理概念的高度抽象決定了物理概念的高度概括．由于物理概念高度抽象使物理思維具有其獨(dú)特的深刻性．

物理思維的深刻性體現(xiàn)在以其獨(dú)特的視角和方法，對(duì)自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、相互作用、能量、電和磁及其轉(zhuǎn)化等進(jìn)行了科學(xué)的描述，建立了諸如質(zhì)量、速度、加速度、力、電荷、電場強(qiáng)度、電勢(shì)差等一系列概念，通過實(shí)驗(yàn)揭示了物理概念之間因果關(guān)系的一系列規(guī)律．

物理概念的建立促進(jìn)人類的交流，提升了交流的品位，建立了量度、評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)．

例如，某款紅旗轎車百公里提速(0～100 km/h)時(shí)間為7.3 s．這種用物理概念的方式表達(dá)技術(shù)指標(biāo)，使人們對(duì)汽車的性能有了一定的了解，同時(shí)還能形成具象的想象．

物理規(guī)律的揭示,促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，改變?nèi)祟惖纳罘绞?，改變?nèi)祟惖乃季S方式，逐漸改變?nèi)说男袨椋?/p>

例如，認(rèn)識(shí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律之后，對(duì)交通法中的“車速超過每小時(shí)100公里時(shí)，應(yīng)當(dāng)與同車道前車保持100米以上的距離”這項(xiàng)規(guī)定，在心理上不僅會(huì)有全面的認(rèn)同感，同時(shí)在高速公路行駛，前、后車之間保持安全距離就容易成為一種自覺行為．

物理學(xué)一系列概念的建立、一系列規(guī)律的揭示，幫助人們形成一個(gè)物理世界．物理世界與真實(shí)世界的轉(zhuǎn)換與比較，豐富了人的思維，豐富了人生．通過物理課程的學(xué)習(xí)，思維能力能夠得到培養(yǎng)和提升．

3.5 物理規(guī)律的普適性

物理規(guī)律具有普適性．牛頓運(yùn)動(dòng)定律、萬有引力定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等均具有普適性．

例如，生活中挑選生、熟雞蛋，涉及牛頓第一定律、牛頓第二定律的內(nèi)容．

嫦娥五號(hào)從點(diǎn)火升空、變軌、運(yùn)行、著陸月球、銜月土、上升器起飛、與返回器對(duì)接、回歸地球等一系列過程，都符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律．

無論是生活中挑選生、熟雞蛋，還是嫦娥五號(hào)探月工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，都遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律．

例如，萬有引力定律揭示宇宙間的一切物體都是互相吸引的．地上的天上的物體遵從同樣的規(guī)律，這對(duì)人類的認(rèn)識(shí)和思維活動(dòng)產(chǎn)生巨大影響．

例如，無論什么方法激發(fā)的磁場，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流．

物理規(guī)律揭示物理概念之間的因果關(guān)系，物理規(guī)律的普適性必然擴(kuò)大人的視野，擴(kuò)展人的思維．物理思維使人類的思維活動(dòng)在深度和廣度上前行了一大步．

綜上所述，物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性、物理概念的抽象性、物理規(guī)律的普適性決定物理思維的深刻性．物理課程培養(yǎng)學(xué)生思維能力、邏輯推理能力不可替代．

3.6 物理思維可視化為抽象概念提供表象

(1)物理思維可視化

物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性、物理概念的抽象性、物理規(guī)律的普適性決定了物理思維的深刻性．

物理思維的深刻性提升了人類思維能力，但是，客觀上導(dǎo)致物理概念、物理規(guī)律比較難懂、難交流，物理課程比較難教、難學(xué)的狀態(tài)．好在物理學(xué)家從一開始就進(jìn)行了物理思維可視化的創(chuàng)造．發(fā)明、創(chuàng)造了極具形象化的表達(dá)方法．

例如，力的圖示、電場線、磁感線、光線、等勢(shì)面，各種圖形、各種符號(hào)、各種圖像，包括右手螺旋法則、左手定則等都是形象化的表達(dá)，是將抽象概念可視化．像諸如力的圖示、電場線、磁感線、光線、波紋線等是物理學(xué)家創(chuàng)造的思想模型，這種思想模型可以幫助人們理解物質(zhì)的屬性，理解抽象的物理概念，便于人們的交流，便于應(yīng)用．

用抽象概念描述事物的某種屬性，必然要涉及事物的本質(zhì)，加上可視化的圖像，概念就立體了，就容易掌握了，容易交流和應(yīng)用了．

例如，物理學(xué)從力的角度去認(rèn)識(shí)看不見、摸不著的電場，建立了電場強(qiáng)度的概念，電場強(qiáng)度是一個(gè)定量的抽象概念，電場線將電場、電場強(qiáng)度概念可視化．這種方法物理學(xué)屢試不爽．

例如，從能量的角度去認(rèn)識(shí)電場，建立了電勢(shì)的概念，電勢(shì)是一個(gè)定量的抽象概念，等勢(shì)面將這個(gè)概念可視化．

例如，物理學(xué)家建立了力的概念，同時(shí)創(chuàng)造了力的圖示，這樣，人們就容易認(rèn)識(shí)這個(gè)力了．力的圖示，使力的大小、方向、作用點(diǎn)一目了然，同時(shí)大大方便人們之間的交流．

(2)物理思維可視化為抽象概念提供表象

可視化非常重要．就像生活中，用語言描述一個(gè)人的相貌，可能在人群中不太容易找到這個(gè)人，而看一下這個(gè)人的照片，找這個(gè)人就方便多了，因?yàn)樵谡疫@個(gè)人的時(shí)候，這個(gè)人的照片的表象在頭腦中生成了．

物理思維可視化，一方面使物理概念立體了，同時(shí)為抽象概念提供表象．一個(gè)物理概念在頭腦中有了可視化的圖像，思維過程中，就能夠形成表象，有了表象，做出判斷就比較從容了．

正點(diǎn)電荷的電場線如圖5所示．場中各處電場強(qiáng)弱一目了然，各處場強(qiáng)方向心中有數(shù)．

圖5 正點(diǎn)電荷的電場線分布

已故科學(xué)家錢學(xué)森曾說道： “模型是什么？模型是吸收一切主要因素，去掉一切不主要因素所制造出來的‘一幅圖畫’一個(gè)思想上的結(jié)構(gòu)圖．”

物理概念深刻了人的思維，物理圖像豐富了人的想象力．

物理學(xué)的圖像是獨(dú)特的，具有簡潔、對(duì)稱、流暢等特點(diǎn)． 物理思維可視化了不起，它將物理學(xué)中的抽象思維與想象力成為統(tǒng)一體．

中國的漢字從倉頡造字開始，甲骨文、金文等是在倉頡造字的基礎(chǔ)上發(fā)展而來．漢字是從形逐漸演化而來．形，自古就重要．形，直觀，思維活動(dòng)必然要利用形，利用形方便形成表象．

“科學(xué)與藝術(shù)在山麓分手，定會(huì)在山頂匯合．”科學(xué)創(chuàng)造要尊重事實(shí)，理性推理，同時(shí)要有想象力．物理學(xué)一直追求科學(xué)和藝術(shù)的完美結(jié)合．

物理學(xué)中的各種圖形、各種符號(hào)、各種圖像豐富了人的想象力．物理學(xué)中的抽象思維與可視化圖像珠聯(lián)璧合，相映生輝．物理思維可視化，使人類的思維活動(dòng)在想象力方面鑿出了一洞天．

(3)物理思維“豐富了人類的生活”

思維是“地球上最美的花朵”，物理思維“豐富了人類的生活”.你看，早上初升的太陽是紅色的，中午變白色了，而且看到的是初升太陽的虛像，而不是太陽本身．理解這個(gè)奇妙的現(xiàn)象，要用到光的直線傳播、光的折射、折射率、光的衍射等概念，同時(shí)要用到“光線”．有了光線，想起來、說起來、畫起來可就方便多了．

應(yīng)用物理概念時(shí)需要表象．如果物理思維活動(dòng)中能夠形成力的圖示、電場線、光線、彈簧振子、單擺等表象，就容易對(duì)相關(guān)問題做出選擇和判斷．

物理學(xué)中可視化的內(nèi)容很多，可以統(tǒng)稱為“圖像語言”．學(xué)習(xí)和掌握“圖像語言”對(duì)提高物理學(xué)習(xí)能力既有重要的現(xiàn)實(shí)意義又有長遠(yuǎn)的歷史意義．

作為物理教師，可以想象一下，如果物理學(xué)沒有這些可視化的圖像語言，你還教物理嗎？

物理思維極具深刻性與物理思維可視化，決定了物理課程在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力方面有不可替代的作用，物理課程在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有不可替代的作用．

4 物理方法獨(dú)特的育人功能

物理學(xué)具有一套比較完整的系統(tǒng)化知識(shí)、系統(tǒng)化方法體系．物理方法屬于科學(xué)方法范疇，但具有其獨(dú)特性．

“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以把整個(gè)地球撬動(dòng)．”阿基米德這句經(jīng)典語錄，激勵(lì)一代又一代科技工作者在從事科學(xué)技術(shù)研究中尋找方法．方法顯示力量！

物理學(xué)創(chuàng)造的諸如理想化方法、等效替代的方法、極限的方法、宏觀現(xiàn)象微觀解釋的方法等等具有普適的意義．物理方法，一方面促進(jìn)物理學(xué)自身的發(fā)展，同時(shí)也為其他學(xué)科進(jìn)行科學(xué)研究樹立了典范，它的思路、它的方法堪稱經(jīng)典．物理學(xué)方法是人類思想史上最偉大的成就之一．

通過物理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)將復(fù)雜問題簡單化、抽象問題形象化、實(shí)際問題理想化、理論問題具體化．笛卡爾曾說道：“可以將要研究的復(fù)雜問題，盡量分解為多個(gè)比較簡單的小問題，一個(gè)一個(gè)地分開解決．”

例如，楞次定律內(nèi)容本身說起來都有些拗口，但是在教學(xué)中教師能夠通過具體判斷感應(yīng)電流方向的過程，使學(xué)生懂得其意，懂得其中深刻內(nèi)涵，懂得把規(guī)律的應(yīng)用變成具體的操作行為．

物理課程中讓學(xué)生學(xué)習(xí)、領(lǐng)悟和掌握的物理方法還有諸如歸納的方法、演繹的方法、分析與綜合的方法、類比的方法、平均的方法、微元的方法、圖像的方法、假說的方法、猜想的方法、量綱的方法、控制變量的方法、比值定義物理量的方法等等．

例如，學(xué)習(xí)量綱之后，懂得了量綱的含義，就能夠根據(jù)量綱對(duì)某些問題做出判斷，就能夠有效加深對(duì)物理概念的理解，同時(shí)知道了很多物理學(xué)家，知道了他們的貢獻(xiàn)．這些物理學(xué)家都融合在單位制的大家族中，而且非常融洽．物理學(xué)中的單位展示物理學(xué)家的人文情懷，展示物理學(xué)蘊(yùn)含著豐厚的文化內(nèi)涵．

“安培經(jīng)過一段時(shí)間遇到了庫侖”“牛頓經(jīng)過一段距離遇見到了焦耳”，你看，這多有意思啊！

如果沒有方法，想去探究真理，那是絕不可能的．

物理方法具有普適意義，顯示了物理學(xué)的獨(dú)特地位．通過物理知識(shí)載體，向?qū)W生滲透物理方法，使學(xué)生體會(huì)其方法的智慧和力量，這是物理教師的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)．

5 物理教學(xué)要體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)

物理實(shí)驗(yàn)、物理思維、物理方法體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，有了這樣的認(rèn)識(shí)，就比較容易理解學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)維度的具體內(nèi)容，就容易發(fā)揮物理學(xué)科獨(dú)特的育人功能．通過教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施，有效地落實(shí)核心素養(yǎng)課程目標(biāo)．

5.1 物理實(shí)驗(yàn)的功能不能替代

物理實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)．學(xué)生通過物理實(shí)驗(yàn)獲得的直接經(jīng)驗(yàn)是任何人、任何方式、任何學(xué)科都無法替代的．教師在指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)概念、認(rèn)識(shí)規(guī)律的過程中如果能夠基于實(shí)驗(yàn)、基于事實(shí)，將是一位了不起的教師，因?yàn)?，這是持正確的世界觀，采用科學(xué)的方法，揭示物理運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，具體獨(dú)特的育人功能．了不起的教師將培養(yǎng)出了不起的學(xué)生．

例如，如圖6所示，平拋豎落儀．

圖6 平拋豎落儀

在研究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常重要．教師要在不同的高度處演示兩個(gè)小鋼球的下落情況，而且要讓全體學(xué)生都能看到、聽到兩個(gè)小鋼球下落的情況，從而得出平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．

在這個(gè)基礎(chǔ)上利用如圖7所示的器材進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，描繪小鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡，從而確定水平方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．

圖7 平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲得直接經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，是難能可貴的，是非常好的學(xué)習(xí)方式．

古代思想家荀子曾說道：不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之，學(xué)至于行而止矣，行之、明也．看得出，知、行者，明也．

5.2 物理思維的深刻性與可視化相輔相成

物理思維體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)．教學(xué)中，既要重視抽象思維能力的培養(yǎng)，同時(shí)必須關(guān)注物理思維可視化．物理學(xué)中的“圖像語言”能夠幫助學(xué)生建構(gòu)概念、認(rèn)識(shí)規(guī)律，為抽象概念提供表象．因此，教師要拿起尺子，為學(xué)生做示范．畫出一幅幅體現(xiàn)物理概念、物理規(guī)律、展現(xiàn)解決問題過程中思維路徑的各種圖像．

例如，組織學(xué)生探究力的平形四邊形定則的實(shí)驗(yàn)中，要給學(xué)生時(shí)間完成分力與合力關(guān)系的圖示．這個(gè)圖示是學(xué)生認(rèn)識(shí)矢量運(yùn)算規(guī)則的第一幅圖像．它會(huì)長時(shí)間影響學(xué)生對(duì)矢量運(yùn)算規(guī)則的運(yùn)用和理解．這個(gè)作品值得每一名學(xué)生記憶和珍藏，值得教師欣賞．

5.3 物理方法不是具體的知識(shí)

物理方法體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)．物理方法不是具體的物理知識(shí)，沒有量化的意義．每一種可以說出的、用文字表達(dá)的物理方法，均是一個(gè)范疇或者是一個(gè)領(lǐng)域．因此，物理方法既不能以傳授具體知識(shí)的方法進(jìn)行講授，也不宜就方法而講方法．物理方法要通過具體物理概念的建構(gòu)、物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)、物理問題的解決，使學(xué)生逐步體會(huì)、感悟和掌握．物理方法要向?qū)W生逐步滲透，滲透當(dāng)然是多多意會(huì)．

例如電容概念的建立．教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)探究電容器兩極之間的電勢(shì)差與電荷量的關(guān)系．電容器的帶電量采用“二分法”獲得，如圖8所示．電容器兩極間的電勢(shì)差用電壓表測量．實(shí)驗(yàn)得出：電容器的電荷量與兩極間的電勢(shì)差成正比．

圖8 電容器充、放電電路圖

觀察電荷量與電勢(shì)差之比，分析其比值．

(1)比值是一個(gè)常量．這個(gè)常量與電荷量、電勢(shì)差無關(guān)．

(2)比值大小的意義．即升高單位電勢(shì)差電容器所帶的電荷量，比值大小能夠描寫電容器容納電荷的本領(lǐng)．

(3)不同電容器比值一般不同(可通過實(shí)驗(yàn)得出).

至此，可以定義：物理學(xué)將電荷量與電勢(shì)差的比值稱為電容器的電容量，簡稱電容．物理學(xué)用比值定義物理量的方法，在具體的概念教學(xué)中潛移默化的滲透．比值定義物理量的方法貫穿物理學(xué)的始終，滲透其方法要貫穿物理教學(xué)的始終．

最近一次支教活動(dòng)，筆者給學(xué)生上現(xiàn)場課，內(nèi)容是牛頓第一定律，如圖9所示．

圖9 師生共同完成實(shí)驗(yàn)

課上和學(xué)生們共同完成了“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”．3次釋放小鋼球，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：隨著軌道平滑程度的提高，小球上升的高度隨之增加．做完這個(gè)經(jīng)典的斜面實(shí)驗(yàn)后，筆者請(qǐng)學(xué)生們思考：通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你想到了什么？課上，給學(xué)生思考的時(shí)間．

學(xué)生的回答有的出乎意料，比如，一個(gè)男生回答說，如果沒有摩擦，小鋼球?qū)⒀匦泵娣较蛞恢边\(yùn)動(dòng)下去．有的回答讓筆者欣慰，如果沒有摩擦，小鋼球?qū)⑸仙脚c釋放點(diǎn)等高的位置．

學(xué)生什么樣的回答，都是客觀事實(shí)，都是教學(xué)過程，教師都要平靜地接受．做實(shí)驗(yàn)、給學(xué)生思考時(shí)間、讓學(xué)生表達(dá)是物理教學(xué)中一直要堅(jiān)持做下去的．

河北大學(xué)錢時(shí)惕教授在上一輪(2003年)課程改革之初，曾撰文提出，在“過程”中深化知識(shí)的理解,在“過程”中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)方法，在“過程”中掌握技能、提高能力，在“過程”中培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度、科學(xué)價(jià)值觀.因此，教學(xué)中通過具體的教學(xué)過程，一步一步地提升學(xué)生核心素養(yǎng)水平.

新時(shí)代帶來新思想，新課程帶來新理念，新技術(shù)帶來新方法，新教材帶來新思考．新變化必將給課堂教學(xué)帶來生機(jī)，注入活力．面對(duì)變化，我們充滿信心！