李慶國(guó) 帥厚梅

（江蘇省揚(yáng)州市新華中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 22509）

物理思想是物理學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分，物理思想對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成、學(xué)習(xí)能力的提升有著重要的價(jià)值.物理思想教育是物理學(xué)科教育的重要組成部分.物理思想是物理學(xué)的精髓，是知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的橋梁.在物理教學(xué)中教師要引導(dǎo)學(xué)生充分挖掘物理思想，使物理思想充分顯現(xiàn)出來(lái)，發(fā)揮物理思想對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的真正培養(yǎng)作用.下面討論了如何充分挖掘教材中、習(xí)題中蘊(yùn)含的物理思想，以達(dá)拋磚引玉之用.

1 充分挖掘教材中蘊(yùn)含的物理思想

1.1 理解重要物理概念建立過(guò)程中蘊(yùn)含的物理思想

物理概念是物理學(xué)大廈的基石，在教學(xué)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材演示、多媒體的展示等，讓學(xué)生概括出物理概念.要讓學(xué)生建立物理知識(shí)體系，必須充分理解這些概念的內(nèi)涵與外延.最關(guān)鍵的是讓學(xué)生理解得出概念的過(guò)程中所蘊(yùn)含的物理思想.只有這樣，才能觸類旁通，才能啟迪思維.下面以“加速度”這一重要概念的得出加以分析.

甲：10m/s→20m/s，用時(shí)5s；乙：10m/s→20m/s，用時(shí)10s；丙：10 m/s→25 m/s，用時(shí)10s.

問(wèn)題1：比較甲和乙，誰(shuí)速度增加得快？問(wèn)題2：比較乙和丙，誰(shuí)速度增加得快？問(wèn)題3：比較甲和丙，誰(shuí)速度增加得快？

在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于問(wèn)題1和問(wèn)題2學(xué)生能順利回答出：甲比乙速度增加快，丙比乙速度增加快.

經(jīng)詢問(wèn)，學(xué)生的方法為：速度增加量相同時(shí)，看時(shí)間，時(shí)間短即速度增加快；時(shí)間相同時(shí)，看速度增加量，速度增加量大即速度增加快；學(xué)生用的實(shí)際上就是“控制變量”的思想.

但對(duì)于問(wèn)題3，學(xué)生一時(shí)回答不出來(lái)，因?yàn)榧缀捅俣鹊脑黾恿亢陀脮r(shí)均不同，控制變量的思想看似不好用.

教師啟發(fā)：仍用控制變量的思想，比較甲丙在相同時(shí)間內(nèi)速度的增加量，而相同時(shí)間就取單位時(shí)間即1s，則甲丙在單位時(shí)間內(nèi)速度的增加量為多少？

問(wèn)題4：若甲、乙、丙速度變化情況如下，則甲和乙、乙和丙、甲和丙相比誰(shuí)速度減小得快？

甲：20m/s→10m/s，用時(shí)5s；乙：20m/s→10m/s，用時(shí)10s；丙：25 m/s→10 m/s，用時(shí)10s.

由于有了前述分析，學(xué)生能很快給出答案.

總結(jié)：當(dāng)物體的速度發(fā)生變化時(shí)，有的變化快，有的變化慢，要比較速度變化快慢只要比較即可，若大，則速度變化就快，反之則慢.物理中將命名為“加速度”的實(shí)質(zhì)就是物體在單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量，也就是“控制變量”的思想.

“加速度”對(duì)于初學(xué)者是比較難理解的，在得出概念的過(guò)程中主要用了“控制變量”的思想.用這樣的思想，“加速度”概念的得出比較自然，實(shí)際教學(xué)效果相當(dāng)好.同時(shí)也提問(wèn)學(xué)生，以往學(xué)過(guò)的哪些概念也是用相同的方法得出的？學(xué)生最容易想到的是“速度”.這樣不但學(xué)習(xí)了新的知識(shí)，對(duì)學(xué)過(guò)的內(nèi)容也是一個(gè)很好的回憶和總結(jié)，起到“學(xué)一個(gè)帶一片”的作用.

1.2 理解物理規(guī)律的形成過(guò)程中蘊(yùn)含的物理思想

物理規(guī)律，是物理學(xué)中的靈魂，是物理學(xué)大廈中的棟梁，物理學(xué)就是利用一個(gè)個(gè)規(guī)律去解決實(shí)際問(wèn)題的學(xué)科.一個(gè)規(guī)律的得出往往要經(jīng)歷很長(zhǎng)的過(guò)程.在教學(xué)中，讓學(xué)生重演重要物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，讓學(xué)生感受科學(xué)家探究規(guī)律過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的恒心和毅力，更要讓學(xué)生深刻理解物理規(guī)律、領(lǐng)悟規(guī)律發(fā)現(xiàn)過(guò)程中所用的物理思想.這對(duì)學(xué)生產(chǎn)生科學(xué)情感、形成科學(xué)態(tài)度都是大有裨益的.下面以伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)為例加以分析.

自由落體運(yùn)動(dòng)究竟是什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)？在伽利略那個(gè)時(shí)代，很多科學(xué)家都在研究，但都沒(méi)有得出令人信服的結(jié)論，主要是當(dāng)時(shí)計(jì)時(shí)技術(shù)很難滿足測(cè)定自由落體時(shí)間的要求.當(dāng)時(shí)進(jìn)行研究主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，現(xiàn)在我們知道，若一個(gè)小球從5m自由下落，下落時(shí)間也就1s左右.一般實(shí)驗(yàn)室高度沒(méi)有5m高，故時(shí)間太短，較難測(cè)量.再說(shuō)當(dāng)時(shí)是滴水計(jì)時(shí)，這樣的工具是不能測(cè)量自由落體時(shí)間的.這就阻礙了對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步研究.

伽利略采用了間接實(shí)驗(yàn)的方法，他用一個(gè)黃銅小球從阻力很小的斜槽上滑下，并用水鐘測(cè)定時(shí)間，他經(jīng)過(guò)數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)從靜止開(kāi)始滾下的物體，在連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)通過(guò)的各段距離之比，等于從1開(kāi)始的一系列奇數(shù)之比，即1∶3∶5∶7…結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，小球沿斜槽下滑是勻加速直線運(yùn)動(dòng).

在斜面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上伽利略將斜面的傾角不斷變大，如圖1所示.根據(jù)前述結(jié)論可知，不管傾角多大都應(yīng)該是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，只不過(guò)加速度大小不一樣而已.然后將斜面傾角逐漸增大直到90°，小球仍然應(yīng)該是勻加速直線運(yùn)動(dòng).當(dāng)斜面變成90°，小球沿槽下滑時(shí)跟槽之間沒(méi)有力的作用，也就是小球就是做自由落體運(yùn)動(dòng)了，即自由落體運(yùn)動(dòng)為初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng).

圖1

伽利略采用了一個(gè)巧妙的方法來(lái)“沖淡”重力，小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度，要比它豎直下落的加速度小得多，所用時(shí)間長(zhǎng)得多，所以容易測(cè)量.在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行合理外推，得到自由落體運(yùn)動(dòng)為初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)這一重要結(jié)論.“弱化”重力真的是一個(gè)特別有創(chuàng)意的思想.從斜面外推到豎直，這種合理外推是將實(shí)驗(yàn)和邏輯推理有機(jī)結(jié)合起來(lái).伽利略“理想斜面實(shí)驗(yàn)”也采用了相同的思想方法.這樣的思想方法開(kāi)創(chuàng)了物理研究的先河.愛(ài)因斯坦和英費(fèi)爾德在《物理學(xué)的進(jìn)化》中評(píng)論說(shuō)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端”.

在很多規(guī)律得出的過(guò)程中，都蘊(yùn)含著令人拍案叫絕的思想方法，比如庫(kù)侖定律的得出.18世紀(jì)中期物理學(xué)家既沒(méi)有度量帶電體所帶電荷量多少的方法，也沒(méi)有測(cè)量電荷之間非常小的相互作用力的工具.法國(guó)人庫(kù)侖憑著物理學(xué)家敏銳的直覺(jué)，斷定一個(gè)帶電金屬球與另一個(gè)半徑、材料完全相同的不帶電的金屬球接觸后再分開(kāi)，每球的帶電量應(yīng)該是原帶電球電荷量的一半，從而巧妙地解決了金屬球所帶電量成倍變化的問(wèn)題，這種方法可叫作“倍分法”.類似這樣的事例還有很多很多，這里不再一一贅述.

在教學(xué)中不但要讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)研究的艱難，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有“敬畏感”，更要充分揭示得出規(guī)律過(guò)程中蘊(yùn)含的物理思想，讓這些有價(jià)值的物理思想方法“浮出水面”.教學(xué)過(guò)程中教師要將這些隱性的物理思想方法作為教學(xué)內(nèi)容的一部分，將其明朗化、顯性化、條理化地提出來(lái)并有機(jī)融入知識(shí)傳授過(guò)程中，啟迪學(xué)生的思維，調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

1.3 挖掘教材插圖中所蘊(yùn)含的物理思想

物理教材中有大量的插圖，插圖是一種很好的教學(xué)資源.許多插圖中蘊(yùn)含著很多的物理思想，只有把蘊(yùn)含的物理思想充分挖掘出來(lái)，才能真正發(fā)揮插圖的教學(xué)作用.

在曲線運(yùn)動(dòng)這一節(jié)，為了說(shuō)明物體做曲線運(yùn)動(dòng)速度方向，書(shū)上有一幅插圖如圖2所示，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生思考圖中蘊(yùn)含的物理思想：若物體這一段時(shí)間內(nèi)從A運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，則在AB這個(gè)過(guò)程中平均速度的方向由A指向B，而當(dāng)B點(diǎn)越來(lái)越靠近A，則AB這個(gè)過(guò)程中平均速度的方向沿AB連線越來(lái)越接近A點(diǎn)的切線方向.當(dāng)B與A點(diǎn)的距離接近0時(shí)，則AB平均速度即在A點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向就是A點(diǎn)的切線方向，由此得到這樣的結(jié)論：做曲線運(yùn)動(dòng)的物體在某一點(diǎn)瞬時(shí)速度方向，沿曲線在這一點(diǎn)切線方向.

圖2

插圖中蘊(yùn)含了“極限”的物理思想，將瞬時(shí)速度這個(gè)比較抽象的問(wèn)題，用比較直觀的方法進(jìn)行解決.極限思想對(duì)許多具有瞬時(shí)性的物理概念的建立均有指導(dǎo)，如瞬時(shí)加速度、瞬時(shí)功率、瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)等.將“極限”思想遷移到物理學(xué)其他分支，就能比較順利地實(shí)現(xiàn)物理量從平均值到瞬時(shí)值的過(guò)渡，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理對(duì)象粗略認(rèn)識(shí)到精細(xì)認(rèn)識(shí)的升華.

在講彈力的時(shí)候，我們知道不管多大的力都可以使物體產(chǎn)生形變，有的形變比較明顯，有點(diǎn)形變比較微小，微小形變?cè)趺茨茱@示呢？書(shū)上有插圖如圖3所示.給桌面施加一個(gè)壓力，桌面發(fā)生的是微小形變，微小形變放大如何顯示呢？引導(dǎo)學(xué)生思考：桌面受力后向下“凹陷”，兩平面鏡由豎直變成傾斜，則經(jīng)平面鏡反射后的光斑會(huì)沿標(biāo)尺移動(dòng).反之，通過(guò)光斑的移動(dòng)，說(shuō)明桌面發(fā)生了形變.

圖3

通過(guò)光斑移動(dòng)來(lái)間接的顯示桌面的形變，這是一個(gè)“轉(zhuǎn)化”的思想，也是一個(gè)“放大”的思想.可以再激發(fā)學(xué)生思考，為什么要用二次反射呢？這是多次放大的思想.同時(shí)可以再啟發(fā)學(xué)生思考，還有很多地方也是用這樣的方法.比如說(shuō)一個(gè)電路中是否有電流，你們無(wú)法用肉眼觀察到，可以看燈泡是否亮，也可以看串在電路中的電流表的指針是否偏轉(zhuǎn).這樣的例子還有很多.通過(guò)這些思想將“看不見(jiàn)摸不著”的東西直觀的顯示出來(lái)，這就是一種重要的思想.

教材插圖是教學(xué)內(nèi)容的一個(gè)重要補(bǔ)充，教師在教學(xué)中要充分運(yùn)用這些素材，挖掘插圖中所蘊(yùn)含的物理思想，真正發(fā)揮插圖的教學(xué)功能，提升學(xué)生能力，更好落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2 充分挖掘習(xí)題中蘊(yùn)含的物理思想

2.1 體會(huì)題目設(shè)計(jì)中包含的物理思想

例1.跳傘運(yùn)動(dòng)員做低空跳傘表演，他在離地面224m高處，由靜止開(kāi)始在豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間后，立即打開(kāi)降落傘，以12.5m/s2的平均加速度勻減速下降，為了運(yùn)動(dòng)員的安全，要求運(yùn)動(dòng)員落地的速度最大不得超過(guò)5m/s（g取10m/s2），問(wèn)：

（1）運(yùn)動(dòng)員打開(kāi)傘時(shí)，離地面高度至少為多少？

（2）運(yùn)動(dòng)員著地時(shí)速度為5m/s，則相當(dāng)于從多高處自由落下？

解析：第（1）問(wèn)不再討論，著重討論第（2）問(wèn)，求解方法很多，故過(guò)程忽略，結(jié)果為1.25m.第（2）問(wèn)應(yīng)該說(shuō)很簡(jiǎn)單，出題者究竟想考我們什么？難道僅僅是為了考查學(xué)生對(duì)基本公式的運(yùn)用嗎？在實(shí)際教學(xué)中我的確提出過(guò)這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生面面相覷，無(wú)法回答.

落地速度太大，人會(huì)受傷，但通常人對(duì)速度的大小，可能沒(méi)有太大的感覺(jué)，而對(duì)長(zhǎng)度、高度可能感覺(jué)更直觀一些.如果人從高1.25m的墻上跳下是否會(huì)受傷，學(xué)生應(yīng)該可以輕易判斷的.

題目的本意是讓我們體會(huì)轉(zhuǎn)化的思想，把對(duì)速度大小比較抽象的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)高度比較直觀的認(rèn)識(shí).在這問(wèn)中還體現(xiàn)了把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活的思想，知識(shí)不會(huì)應(yīng)用就是“無(wú)用”的知識(shí).

例2.水分子直徑約為4×10-10m，若把9g水的分子一個(gè)挨一個(gè)緊密排成單行，則可繞地球赤道約多少圈？（赤道周長(zhǎng)約為4×10-10m）

解析：水的摩爾質(zhì)量為18g/m o l，則9g為0.5m o l，近似取NA=6×1023m o l-1，則水分子總數(shù)n=0.5NA=3×1023，則一個(gè)挨一個(gè)緊密排成單行，總長(zhǎng)s=n d=1.2×1014m，則繞赤道的圈數(shù)為

通過(guò)這個(gè)題目讓學(xué)生熟悉與阿伏伽德羅常數(shù)相關(guān)的計(jì)算，想說(shuō)明組成物質(zhì)的分子數(shù)是大量的.哪怕是看似很小的宏觀物體，組成它的分子數(shù)也是大量的，但大量怎么體現(xiàn)呢？因?yàn)榉肿邮呛苄〉模庋劭床怀?，故?duì)大量沒(méi)有直觀印象.題目通過(guò)轉(zhuǎn)化的思想將“大量”通過(guò)繞赤道的圈數(shù)來(lái)體現(xiàn)，一是將“大量”直觀化，二是通過(guò)繞赤道的圈數(shù)之多讓學(xué)生更加理解組成物體的分子是“大量”的概念.轉(zhuǎn)化成一個(gè)宏觀的現(xiàn)象，可能會(huì)讓學(xué)生更感震撼.這樣對(duì)阿伏伽德羅常數(shù)，對(duì)大量的概念會(huì)理解得更深.在教學(xué)中若想讓學(xué)生更震撼，理解更深，還可以再進(jìn)行補(bǔ)充，如學(xué)生1s喝進(jìn)去1000 0個(gè)水分子，9g水需要多長(zhǎng)時(shí)間才能喝完？通過(guò)計(jì)算，一年若按365天算，則喝完9g水約需9.5×1016年.這樣學(xué)生對(duì)“大量”應(yīng)該會(huì)徹底理解到位，可能一輩子也不會(huì)忘.

只有充分理解題目中所包含的物理思想，才能將題目的真正作用發(fā)揮出來(lái)，才能體現(xiàn)題目的價(jià)值，否則就是為了解題而解題，顯得枯燥無(wú)味，也就失去了學(xué)習(xí)物理的真正的意義和作用.

2.2 在題目分析中凸顯物理思想

為了鞏固所學(xué)知識(shí)，解題是必不可少的，但關(guān)鍵是在題目分析時(shí)，一定要凸顯解題的物理思想.這樣對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)才有幫助，才能使學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)養(yǎng)成思考習(xí)慣，學(xué)習(xí)力才能不斷增強(qiáng)，下面舉一例說(shuō)明.

例3.運(yùn)動(dòng)學(xué)中有人認(rèn)為引入“加速度的變化率”沒(méi)有必要，然而現(xiàn)在有人指出“加速度的變化率能引起人的心理效應(yīng)，車(chē)輛的平穩(wěn)加速（即加速度基本不變）使人感到舒服，否則人感到不舒服.關(guān)于“加速度的變化率”，下列說(shuō)法中正確的是

（A）從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度的定義，“加速度的變化率”的單位應(yīng)是m/s3.

（B）加速度的變化率為0的運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng).

（C）若加速度與速度同方向，a-t圖像如圖4所示，表示的是物體的速度在減小.

（D）若加速度與速度同方向，a-t圖像如圖4所示，已知物體在t=0時(shí)速度為5m/s，則4s末的速度大小為17m/s.

圖4

解析：在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，（A）、（B）、（C）選項(xiàng)以大多數(shù)學(xué)生的能力都能準(zhǔn)確判斷，但（D）選項(xiàng)感到困難.在解決此問(wèn)題時(shí)，我為學(xué)生設(shè)立了一個(gè)臺(tái)階，模仿（D）選項(xiàng)的問(wèn)題：若物體加速度與速度同方向，a-t圖像如圖5所示，已知物體在t=0時(shí)速度為5m/s，則4s末的速度大小為多少？

圖5

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生很快就給出了答案.再問(wèn)學(xué)生4 s內(nèi)物體速度的增加量多大？圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積的值是多少？能找出他們之間的關(guān)系嗎？學(xué)生們都得到了“圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積的值等于物體速度的增加量”這一結(jié)論.接著再問(wèn)，能不能把這個(gè)結(jié)論直接遷移到圖6這種情況？此時(shí)出現(xiàn)了不同答案，有的說(shuō)行，有的說(shuō)不行.筆者不置可否.

圖6

提示學(xué)生將物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間平均分成n段（n→∞），每一段時(shí)間為Δt，如圖6所示.由于每一段時(shí)間極短，故可認(rèn)為在每一段極短時(shí)間內(nèi)加速度是恒定的，故由前述結(jié)論可知：圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積的值等于物體速度的增加量.依此類推，每一個(gè)Δt均有同樣的結(jié)論，故可得到0—4s內(nèi)圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積的值等于4s內(nèi)物體速度的增加量，計(jì)算可得Δv=12m/s，即4s物體速度為17m/s.

得出結(jié)果后，一定還要跟學(xué)生講清分析過(guò)程中運(yùn)用了如下物理思想.

（1）用勻變速結(jié)論推出非勻變速結(jié)論，充分體現(xiàn)了用已知推未知，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的物理思想.

（2）將運(yùn)動(dòng)時(shí)間無(wú)限分段，即使全過(guò)程加速度是變的，但每一段可以認(rèn)為是恒定不變.這樣在每一段就可以運(yùn)用已有結(jié)論，充分體現(xiàn)了“化變?yōu)楹恪钡乃枷?

（3）無(wú)限分割實(shí)際使用的也就是“微元”的思想.“微元法”在中學(xué)階段用得也很多，教師也可以借機(jī)讓學(xué)生回憶一下，在推導(dǎo)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間關(guān)系時(shí)就用了“微元法”.這樣學(xué)生就覺(jué)得有似曾相識(shí)之感，接受起來(lái)就不會(huì)覺(jué)得很陌生.

在進(jìn)行題目分析時(shí)，一定要將所用的物理思想凸顯出來(lái)，一是讓學(xué)生體會(huì)運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的過(guò)程.二是讓學(xué)生感知知識(shí)的魅力，不斷引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考，激發(fā)斗志，最終達(dá)到能力的提升.

物理思想是物理知識(shí)及物理方法的靈魂.物理思想具有隱蔽性、抽象性和創(chuàng)造性，它蘊(yùn)含在知識(shí)的發(fā)生、發(fā)展和應(yīng)用的過(guò)程中.傳統(tǒng)物理教學(xué)往往是重視必考知識(shí)的傳授和解決能力的培養(yǎng).隨著新課程改革的實(shí)施，教師一定要改變這種狀況.只有使學(xué)生在進(jìn)行物理課程學(xué)習(xí)時(shí)，深入到對(duì)于物理思想的了解和挖掘，才能夠形成系統(tǒng)的、完善的物理學(xué)科學(xué)習(xí)理念.掌握物理學(xué)習(xí)的精髓，才能夠?yàn)閷W(xué)生今后的發(fā)展開(kāi)辟一個(gè)全新的學(xué)科領(lǐng)域，真正使學(xué)生感受到物理的奧秘和魅力.