趙碩

摘 要：如今，部分中學(xué)生認為中學(xué)物理所學(xué)的知識已經(jīng)很多，感覺沒有再學(xué)下去的必要，便對物理的學(xué)習(xí)喪失了興趣，殊不知他們現(xiàn)階段對一些科學(xué)概念的理解是不準確的，有的甚至是錯誤的。雖說物理的主干知識（如：力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)）在中學(xué)物理中都有涉及但是涉及的內(nèi)容并不深，大部分學(xué)生對一些概念的理解并不是十分準確。研究物理教學(xué)從物質(zhì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)典物理與近代物理的時空觀這兩個方面入手，可以幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀念，對學(xué)生學(xué)習(xí)物理有重要意義。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)結(jié)構(gòu)；時空觀；教學(xué)手段

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）19-0039-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.19.021

一、引言

（一）現(xiàn)存問題

在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)中，有些學(xué)生感覺自己掌握的物理知識已經(jīng)足夠多，認為物理就是由這些知識（包括：力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)）構(gòu)成，且在中學(xué)期間都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，也認為自己已經(jīng)掌握，便對物理的學(xué)習(xí)喪失了興趣，甚至還有人認為自己已經(jīng)掌握了所有的物理知識，以后沒有學(xué)習(xí)物理的必要。雖說在中學(xué)物理的課程當中，構(gòu)成物理主要內(nèi)容的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)，學(xué)生都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，可是程度并不深，學(xué)生對這些內(nèi)容的理解也很有限、對有些概念的理解也并不準確，這些現(xiàn)象均可說明他們對物理的了解欠深入，更不能說明他們已經(jīng)掌握了所有的物理知識。

（二）研究意義

在中學(xué)物理教學(xué)中，通過相關(guān)教學(xué)手段的運用，教師幫助學(xué)生樹立科學(xué)的概念來學(xué)習(xí)物理讓學(xué)生自發(fā)的意識到在中學(xué)期間所學(xué)習(xí)的物理知識只是“冰山一角”甚至認為自己原先的一些時空觀念是錯誤的，是本文的研究意義。

二、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)

（一）中學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解

從中學(xué)化學(xué)的角度來看物質(zhì)結(jié)構(gòu)，如：高中化學(xué)《物質(zhì)與結(jié)構(gòu)》一書，該書主要講原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等。原子結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵，分子結(jié)構(gòu)，晶體的類型和性質(zhì)及其關(guān)系這些知識與大學(xué)《結(jié)構(gòu)化學(xué)》中的量子力學(xué)基礎(chǔ)，原子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代化學(xué)鍵理論，分子對稱性，晶體學(xué)理論密切相關(guān)[1]。從此書的內(nèi)容當中我們不難發(fā)現(xiàn)從化學(xué)角度出發(fā)研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，它研究物質(zhì)的最小單元就是原子，最大單元也只是晶體！那么比原子更小的物質(zhì)單元還有嗎？比晶體更大的物質(zhì)單元存在嗎？這就是我們物理所要研究的內(nèi)容。

在中學(xué)物理的原子物理部分當中，講了兩章關(guān)于原子物理的內(nèi)容。第一章，我們了解到19世紀末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)到原子是可以分割的，是由更小的微粒組成的。20世紀初盧瑟福讓我們知道了原子的核式結(jié)構(gòu)，在之后的幾年，我們又發(fā)現(xiàn)氫原子光譜，以及之后波爾理論的提出讓我們知道電子環(huán)繞原子核運動時，只有滿足一定條件時，運動才是穩(wěn)定的，這個穩(wěn)定性條件為量子化條件，它告訴我們電子圍繞原子核運動時角動量只能取約化普朗克常量的整數(shù)倍，闡明了氫原子模型理論，可是波爾的理論只能適用于氫原子。第二章，我們知道原子核是由質(zhì)子和中子組成的，了解到原子核可以裂變和聚變同時放出大量能量。從物理和化學(xué)的角度上看，我們中學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解僅此而已。

（二）微觀世界中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

上一節(jié)我們了解到中學(xué)生從中學(xué)物理和化學(xué)的角度上對物質(zhì)結(jié)構(gòu)有了一些認識，基于中學(xué)生的心理特征有些同學(xué)感覺自己知道的已經(jīng)很多，而且原子物理是高三最后一本物理書所提到的內(nèi)容，標志著中學(xué)物理課程的結(jié)束，這或許更加加深了他們這樣的想法，殊不知這只是萬丈高樓的一部分，他們對微觀世界的認識還遠遠不夠。如：電子是靠什么作用繞原子核旋轉(zhuǎn)？是不是每種微觀粒子的結(jié)合，都是通過某種相互作用來實現(xiàn)的？這些相互作用都有什么特點和性質(zhì)？質(zhì)子和中子是不可再分的粒子嗎？還存在哪些微觀粒子？這些粒子是如何分類的等問題都是我們中學(xué)物理沒有向?qū)W生介紹的，是大多部分學(xué)生不了解的，那么如何讓學(xué)生知道他們自己現(xiàn)掌握的知識只是“冰山一角”，幫助他們樹立科學(xué)的微粒觀具有重要意義。

（三）樹立正確的微粒觀

我認為用講授法以及給學(xué)生播放一些相關(guān)視頻，培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)微粒觀，可以讓學(xué)生自己了解到對于微觀世界的認識還有哪些需要探索的地方。山西師范大學(xué)梁永平教授提出了物質(zhì)微粒性的四個要點，分別是物質(zhì)的微粒性要點包括：（1） 物質(zhì)是由肉眼看不見的微粒構(gòu)成的； （2） 微?？偸窃诓粩嗟剡\動的； （3）微粒間有一定的間隔； （4） 微粒間存在著相互作用。梁永平在《化學(xué)教育》2003 年第 6 期《微粒作用觀的科學(xué)學(xué)習(xí)價值及其科學(xué)建構(gòu)》一文中，在對微粒觀內(nèi)容闡述的基礎(chǔ)上提出了微粒作用觀，他認為，物質(zhì)的微粒性認識和微觀角度的核心是理解微粒作用觀。其基本要義是： （1） 不同層次的微粒本身是有結(jié)構(gòu)的，微粒結(jié)構(gòu)就是內(nèi)部微粒間作用的結(jié)果；（2） 微粒之間存在著作用；（3） 物質(zhì)變化是“強”作用代替“弱”作用[2]。我認為從物理的角度上說，中學(xué)階段微粒作用觀的發(fā)展階梯及理解要點分為了四個層次，我們要引導(dǎo)學(xué)生從這四個層次出發(fā)幫助學(xué)生樹立自己的微粒觀。（1）讓學(xué)生知道在熟悉的事物當中還存在不熟悉的一面；不熟悉的事物也存在著學(xué)生熟悉的一面。（2）微觀世界的一些特殊性質(zhì)。（3）原子的結(jié)構(gòu)。（4）原子核的了解。這四個層次體現(xiàn)了學(xué)生對物質(zhì)的認識由低到高的發(fā)展路徑，也體現(xiàn)了微粒觀水平由低到高的發(fā)展過程。讓學(xué)生樹立好這種觀念，認識到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)是從這四個層次出發(fā)，不同學(xué)習(xí)階段，對每一層知識的介紹和理解不同，所包含的內(nèi)容的深度也不同，從而把這幾個層次作為對物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的框架，建立科學(xué)的微粒觀。

三、時空觀

（一）經(jīng)典物理學(xué)的時空觀和局限性

經(jīng)典力學(xué)總結(jié)了低速物體的運動規(guī)律，它反映了牛頓的絕對時空觀。絕對時空觀認為時間和空間是兩個獨立的觀念，彼此之間沒有聯(lián)系，分別具有絕對性。絕對時空觀認為時間與空間的度量與慣性參照系的運動狀態(tài)無關(guān)，同一物體在不同慣性參照系中觀察到的運動學(xué)量（如坐標、速度）可通過伽利略變換而互相聯(lián)系。這就是力學(xué)相對性原理。但隨著科技的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)有些情況和經(jīng)典物理相所說的理論相矛盾。如：19世紀末，以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實驗所證實，但麥克斯韋方程組在經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學(xué)中的相對性原理則要求一切物理規(guī)律在伽利略變換下都具有協(xié)變性等事例。人們開始對經(jīng)典物理產(chǎn)生懷疑。

（二）狹義相對論的引入及它的時空觀

為了克服經(jīng)典物理學(xué)無法解釋某些物理現(xiàn)象的困難，愛因斯坦提出了兩條基本假設(shè)：（1）相對性原理。（2）真空光速恒定?；谶@兩條假設(shè)，愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論。狹義相對論的時空觀認為：空間和時間并不相互獨立，而是一個統(tǒng)一的四維時空整體，并不存在絕對的空間和時間。在狹義相對論中，整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的，這是一種對應(yīng)于“全局慣性系”的理想狀況。狹義相對論將真空中光速為常數(shù)作為基本假設(shè)，結(jié)合狹義相對性原理和上述時空的性質(zhì)可以推出洛侖茲變換。

（三）樹立正確的時空觀

我們不難發(fā)現(xiàn)上述兩種時空觀是不同的，相對論起初只是為了解釋經(jīng)典物理當時不能解決的問題而提出的，可是在之后幾年的發(fā)展中，相對論卻從根本上否定了經(jīng)典物理。如 ：它認為經(jīng)典物理時空觀是錯誤的。經(jīng)典物理只是相對論在宏觀低速的情況下的“特殊形式”，進而又提出了一些有趣的思想和實驗。那么如何讓學(xué)生自發(fā)地意識到自己所掌握的知識還很有限，甚至是錯誤的是我們這節(jié)討論的重點。中學(xué)生主要是學(xué)習(xí)經(jīng)典物理的時空觀上建立起來的物理概念以及概念之間所構(gòu)成的物理關(guān)系。那么概念的樹立是學(xué)好物理的關(guān)鍵所在，所以我們教育工作者要從科學(xué)概念樹立的角度入手來做工作并做到以下幾點（1）由于中學(xué)物理主要以經(jīng)典物理為主要內(nèi)容，且書本對相對論的介紹也有限，所以大部分學(xué)生對于它并不是很了解，首要我們要教授給學(xué)生相對論時空觀，讓他們有一個感性的認識并產(chǎn)生好奇心理。（2）為了拓展他們的思維，我們要在相對論時空觀的基礎(chǔ)上對學(xué)生以前熟悉的部分物理概念進行修正。（3）利用“引導(dǎo)—發(fā)現(xiàn)”式教學(xué)，讓學(xué)生利用相對論的時空觀來理解以前學(xué)過的物理概念他們會發(fā)現(xiàn)什么，并把一些相對論的典型實驗和結(jié)果告知學(xué)生或給學(xué)生看相關(guān)的科普視頻幫助他們認識相對論。（4）好奇的學(xué)生會對剛才的實驗結(jié)果產(chǎn)生疑問并向老師詢問，這時我們老師要用學(xué)生能理解的知識向?qū)W生解釋學(xué)生的疑問，并保留些“神秘色彩”。遵循這四點要求從而達到讓學(xué)生樹立科學(xué)的時空觀且還可以讓學(xué)生自發(fā)地意識到知識還有很多拓展的空間。

四、結(jié)語

樹立科學(xué)的概念在中學(xué)物理教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，引導(dǎo)學(xué)生從根本上了解曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的物理知識，建立起新知識與舊知識，新觀念與舊觀念的橋梁，幫助他們樹立科學(xué)觀念是我們教育工作者要重視的問題。

參考文獻：

[1] 周志波，吳革.中學(xué)化學(xué)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教學(xué)設(shè)計的分析[J].廣州化工，2014（1）：164-166.

[2] 張偉.《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教學(xué)中學(xué)生微粒觀的培養(yǎng)研究[D].濟南：山東師范大學(xué)，2014.