湯玉林唐挈

（1.北京市第四中學，北京 100034；2.北京市第八中學，北京 100033）

給學生一個基本完整和全面的物理世界
——物理選修3-5作為高考物理必考內(nèi)容的必要性

湯玉林1唐挈2

（1.北京市第四中學，北京 100034；2.北京市第八中學，北京 100033）

2017年普通高考考試大綱明確將物理選修3-5模塊作為必考內(nèi)容。本文基于目前正在修訂的《普通高中物理課程標準》中關于高中物理學科核心素養(yǎng)的表述，分別從有利于學生“科學思維”的提升、有利于豐富學生對“科學探究”的體驗、有利于學生“物理觀念”的更新和建立、有利于學生對“科學態(tài)度與責任”的內(nèi)化四個角度，闡述物理選修3-5作為高考物理必考內(nèi)容的必要性。

高考改革；高考物理；考試與教學；核心素養(yǎng)

2016年10月，2017年普通高考考試大綱修訂內(nèi)容公布，明確將《普通高中物理課程標準》中的選修3-5作為必考內(nèi)容，其中包括“動量守恒定律”“波粒二象性”“原子結(jié)構(gòu)”和“原子核”四部分內(nèi)容。在談到做這種調(diào)整的基本考慮時，教育部考試中心負責人在就2017年高考考試大綱修訂答記者問時指出：“物理科將以往的動量和近代物理等選考內(nèi)容列為必考，目的是滿足高校對人才選拔和未來培養(yǎng)的基本素質(zhì)要求，又有利于引導中學教學加強對物理基本理論的教育教學。”[1]

2016年9月，中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架正式發(fā)布，這個框架是構(gòu)建物理學科核心素養(yǎng)的基礎。目前正在修訂的《普通高中物理課程標準》指出：“物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)，是學生科學素養(yǎng)的重要構(gòu)成。物理核心素養(yǎng)主要由‘物理觀念’‘科學思維’‘科學探究’‘科學態(tài)度與責任’四個方面構(gòu)成。”[2]本文擬從物理學科核心素養(yǎng)的這四個方面闡釋選修3-5作為必考內(nèi)容的必要性，以期為中學物理教學對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有所啟示。

1 有利于學生“科學思維”的提升

“《普通高中物理課程標準》修訂征詢意見稿”中指出：“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。“科學思維”主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[2]。

通過“動量守恒定律”的學習，可以促使學生更好地從物理學視角認識力學知識的內(nèi)在規(guī)律及相互關系，引領學生體驗分析綜合、推理論證等方法，有助于學生深入認識某些物理現(xiàn)象的本質(zhì)屬性。

首先，通過“動量守恒定律”的學習，可以更加完整地認識力學規(guī)律之間的關系，豐富學生解決力學問題的途徑和方法。學生在學習力與運動的關系、機械能及其守恒定律的基礎上，再學習動量及動量守恒，可以豐富學生對力學知識的認識，促使學生形成對物體相互作用過程的全面認識，從而建立起較為完整的力學知識體系（如圖1所示），這不僅有利于厘清學生對力的瞬時作用效果、力對位移的積累效果和力對時間的積累效果的認識，也有利于學生綜合運用有關知識分析問題、解決問題，豐富學生利用多種方法、從多個角度解決問題的過程體驗，從而提升學生進行科學推理、科學論證的能力。例如對“反沖現(xiàn)象”的解釋與應用，在沒有學習有關動量的知識時，可以從力作用的相互性角度，利用力與運動的關系來解釋。如果學習了有關動量的知識，解釋“反沖現(xiàn)象”就會變得更簡捷。

其次，通過選修3-5中“動量守恒定律”的學習，可以促進學生更好地理解其他知識，理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)屬性。例如，要深入理解選修3-3中氣體壓強，就要利用到動量和動量定理的知識，從微觀角度來認識氣體壓強實質(zhì)上是熱運動氣體分子對器壁的撞擊而產(chǎn)生的。

圖1 力學知識結(jié)構(gòu)圖

“波粒二象性”“原子結(jié)構(gòu)”“原子核”的內(nèi)容，為學生體驗基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程，提高學生基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗和修正的認識，進而提升學生提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)提供了鮮活的素材。

例如，光的“波粒二象性”的發(fā)展歷史，要追溯到17世紀出現(xiàn)的那一場歷時300余年的關于光的本性的爭論，這場爭論推動了光學及整個物理學的發(fā)展。在這一場蕩氣回腸的爭論中，人們始終遵循“實驗——假設——理論——實驗”的方法，基于事實、科學推理，精彩地演繹了一回“質(zhì)疑、批判、檢驗和修正”的大戲，其中的“刀光劍影”，一直是物理學史中物理方法與物理觀念的璀璨篇章。以牛頓為代表的“微粒說”解釋了許多已觀察到的現(xiàn)象，如光的直線傳播、光的反射、光的折射等，以惠更斯為代表的“光的波動說”也能做到這一點嗎？事實上光的波動說也可以解釋這些現(xiàn)象，尤其在解釋光的折射現(xiàn)象時，可以加上一點兒數(shù)學知識，使得解釋更簡單、更好，而且結(jié)果與觀察完全相符，還可以推出折射介質(zhì)中的光速。隨著光的其他一些宏觀現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，如光的干涉、光的衍射和光的偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，光的“波動說”占盡了上風。更由于光速的測定和麥克斯韋理論、赫茲實驗的推動，將“光”并入了“電磁波”的序列，可以說光的波動說進入了一個全盛時期。但光電效應這一實驗事實的出現(xiàn)（當然還有“以太”這朵“烏云”）使得光的波動說倍感困難。愛因斯坦用“光量子”成功地解釋了光電效應，又恢復了光的粒子性。愛因斯坦的“光量子”理論，并不是簡單地回到牛頓的微粒說，也不是對波動說的全盤否定，在1909年，愛因斯坦說“我認為，在理論物理發(fā)展的下一階段，將會出現(xiàn)一種光的理論，根據(jù)這種理論，光可以被看作波動說和微粒說的融合，我們關于光的本性和光的結(jié)構(gòu)的看法將有一個深刻的改變是不可避免的了”[3]。這種理論，便是選修3-5教材中的“光的波粒二象性”。

再如，人們對“原子結(jié)構(gòu)”和“原子核”的認識，實質(zhì)是人們長期以來關心和探索的關于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的問題。雖然人們早已認識到原子是組成物質(zhì)的最小單位，但長久以來，人們始終認為原子是不可分的，直到電子被發(fā)現(xiàn)！被譽為“最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”湯姆遜勇敢地提出：“有比原子小得多的微粒存在?！弊源?，人們遵循“實驗——假設——理論——實驗”的方法，基于事實、科學推理，又上演了一回精彩的“質(zhì)疑、批判、檢驗和修正”的大戲。從湯姆生的“棗糕模型”到盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)模型”，再到波爾的原子結(jié)構(gòu)假說，不僅讓人們處處感受著“天光云影共徘徊”的糾結(jié)，也讓人們時時體會著“為有源頭活水來”的暢然。

這樣的有利于提升學生“科學思維”的鮮活素材，如果被我們選擇性地放棄了，豈不是遺憾。

2 有利于豐富學生對“科學探究”的體驗

“《普通高中物理課程標準》修訂征詢意見稿”中指出：“科學探究”是指提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力?！翱茖W探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流與合作等要素[2]。

世界繽紛多彩，變幻無常。但我們能夠感覺到一切變幻的背后存在著某種不變的秩序。表面多姿多彩，不過是自然界中某種不變的成分遵守一定規(guī)律的重新安排。這種“不變的成分”是什么？需要人們不懈地“探究”。選修3-5教材中關于“動量”概念的引入，便是在人們不懈“探究”的過程中尋找到的一個“守恒量”。

關于“動量”概念的引入，傳統(tǒng)的做法是通過物體受到恒力作用做勻變速運動的圖景來推導出Ft= mv，然后定義“動量”和“沖量”，再將概念推廣到其他運動情景。因為在這種處理過程中，學生的數(shù)學知識是夠用的，同時學生也有牛頓運動定律的基礎，便于教學進行的同時，也有利于學生調(diào)用原有概念和規(guī)律，體會知識之間的聯(lián)系。但這樣做也帶來兩個問題：第一，牛頓運動定律既然能很完美地解決面臨的問題，何必引入新的概念、新的規(guī)律？這種處理方式，容易給學生一種印象：物理知識以牛頓運動定律為核心，其他的概念和規(guī)律都能通過牛頓運動定律推導出來。這樣處理新概念的引入，實際上是降低了新概念的地位，模糊了新概念的本來面目。第二，預設的物理情景沒有讓學生產(chǎn)生探求新知識、新規(guī)律的沖動?！耙粋€質(zhì)量為m的靜止物體，在力F的作用下開始運動，經(jīng)過時間t將獲得多大的速度?”這是一個學生“閉著眼睛”都能解決的問題，新概念、新規(guī)律完全沒有引入的必要。

實際上，引入“動量”概念是一個很好的“科學探究”的范例。如果采用氣墊導軌來做這個探究，如下步驟可做參考。

實驗1：采用質(zhì)量相等的兩個滑塊，由運動的滑塊去碰靜止的滑塊，碰后分開，分別記錄滑塊的質(zhì)量和碰撞前后的速度大小、方向。

通過數(shù)據(jù)分析啟發(fā)學生得出：碰撞前后兩個物體的速度相等、動能相等?；蛘呖梢哉f若物體的速度為v、質(zhì)量為m，則碰撞前后兩個物體的kmavb相等。

實驗2：采用質(zhì)量相等的兩個滑塊，由運動的滑塊去碰靜止的滑塊，碰后粘在一起運動，分別記錄滑塊的質(zhì)量和碰撞前后的速度大小、方向。

通過數(shù)據(jù)分析啟發(fā)學生得出：碰撞前后兩個物體的速度之和相等，或者可以說若物體的速度為v、質(zhì)量為m，則碰撞前后兩個物體的kmav之和相等。

實驗3：采用質(zhì)量關系為m2=2m1的兩個滑塊，運動的m1碰靜止的m2，碰后分開。分別記錄滑塊的質(zhì)量和碰撞前后的速度大小、方向。

通過數(shù)據(jù)分析啟發(fā)學生得出：若物體的速度為v、質(zhì)量為m，則碰撞前后兩個物體的mv之和相等。

學生實驗：請同學們想出一個相互作用的情景，也來做一做，驗證一下我們的結(jié)論，好嗎？請同學們自主實驗。

通過數(shù)據(jù)分析啟發(fā)學生得出：碰撞前兩個物體的mv之和（矢量）等于碰撞后兩個物體的mv之和。

這樣就可以定義動量：物體在相互作用過程中，各自的運動都發(fā)生了變化，但物體的質(zhì)量m和速度v的乘積之和（矢量和）卻保持不變，mv是運動的一個守恒量，我們稱之為動量P，P=mv。

通過“科學探究”的方式引入動量概念，改善了傳統(tǒng)的教學方式的困惑，是一個正本清源的過程。

首先，通過物體間相互作用的過程中mv之和“守恒”來引入“動量”的概念，水到渠成。正是因為物體在相互作用過程中，各自的運動狀態(tài)都發(fā)生了變化，但物體的質(zhì)量m和速度v的乘積之和（矢量和）卻保持不變，所以mv是運動的一個“守恒量”，它有別于速度、動能等概念，是一個全新的概念。

其次，通過探索物體間相互作用過程中的規(guī)律來定義“動量”，是面對一個全新的問題——物體相互作用過程中有沒有普遍的規(guī)律？若有，是什么規(guī)律？也是面對一個全新的情景——由描述一個物體的運動轉(zhuǎn)換到描述兩個相互作用的物體（甚至多個物體），有利于激發(fā)學生的學習動因，調(diào)動學生的學習熱情。事實也證明了這一點，無論是教師的演示實驗，還是學生自己設計實驗進行探索，學生學習的積極性都很高。這種以問題促發(fā)展地定義新概念、學習新規(guī)律的方式是行之有效的、符合學生認知規(guī)律的教學方式，是一種促使學生在“做中學”的教學方式。

第三，在實際教學中發(fā)現(xiàn)，通過演示實驗層層推進，由“作用前后物體的kmavb相等”到“作用前后物體的kmav之和相等”，再到“作用前后物體的mv之矢量和相等”，思維過程清晰，“mv”如旭日東升，緩緩浮現(xiàn)在學生的眼前，能很好地突出新概念、新規(guī)律。而通過學生自己探索，來發(fā)現(xiàn)兩個相互作用的物體“作用前后mv之矢量和相等”的規(guī)律，一切似乎都是“隱性”的。如果有些學生看了書，直接就奔“mv”而去，沒有層層遞進的思考過程，這樣對“mv”的認識是不夠全面的。讓學生體驗“提出問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思”的探究過程，是充分而又實在的。

從大的視角來看，對“光的本性”“原子結(jié)構(gòu)”的認識，也是一個“探究”的過程，同樣可以從“提出問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”的層面上設計教學。從小的視角來看，“波動說對光的折射現(xiàn)象的解釋”“探究陰極射線的本質(zhì)”“α粒子散射實驗”等課題，也都可以豐富學生對“科學探究”的體驗。

3 有利于學生“物理觀念”的更新和建立

“《普通高中物理課程標準》修訂征詢意見稿”中指出：“物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華；是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎?！拔锢碛^念”主要包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素[2]。

通過對選修3-5中“原子結(jié)構(gòu)”“原子核”的學習，就能促使學生對“物質(zhì)觀”的更新和建立。費曼（R.Feynman）曾經(jīng)說過：“假如在一次浩劫中所有的科學知識都被摧毀，只剩下一句話留給后代，什么語句可用最少的詞包含最多的信息？我相信，這是原子假說，即萬物由原子（微小粒子）組成，它們永恒地運動著，并在一定距離以外互相吸引，而被擠壓在一起時則互相排斥。在這一句話里包含了有關這世界巨大數(shù)量的信息?！盵4]圖2是將熱學、光學、原子物理的知識，統(tǒng)一在研究“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)”這一主題下，將光學現(xiàn)象同光的產(chǎn)生——“能級躍遷”以及“原子核的衰變”聯(lián)系在一起。

從古希臘原子論的代表人物德謨克利特的原子論思想——人們習慣于把感覺的對象看作是真實的，其實不然，只有原子和虛空是真實的[4]，到化學家把“原子”看作是物質(zhì)的“最小基元”，再到湯姆生的原子“棗糕模型”、盧瑟福的原子“核式結(jié)構(gòu)模型”、波爾的原子結(jié)構(gòu)假說等，一直到原子核的結(jié)構(gòu)，一路走來，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識逐步加深，同時也會促使學生思考“物質(zhì)是無限可分的”嗎？20世紀五六十年代，在物理學中已看到某些“基本粒子”（如重子、介子）有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的跡象，追求它們下一個層次的結(jié)構(gòu)，幾乎已成為大家的共識。這樣的學習過程實質(zhì)上就是學生建立和深化自己的物質(zhì)觀的過程。

通過對選修3-5中“光的波粒二象性”的學習能促使學生對運動觀念的更新。經(jīng)典的自然觀認為：“任何物質(zhì)粒子的運動都有確定的軌道。如果已知粒子運動的初始條件，就可以精確預言粒子今后的運動。推而廣之，每種物質(zhì)都有一種屬于自己的特殊的規(guī)律，這些規(guī)律都是可以認識的。每種事物都肯定有一個確定的答案。”[4]這一點，在學生學習運動學的時候，體會是很深的。只要知道物體的初始位置、初速度和加速度，就能知道物體在任何時刻的位置和速度。然而在光的干涉和衍射現(xiàn)象中，光子的行進軌跡和打在屏上的確切位置，并不能像在運動學中學習的那樣是可以確切知道的。對光子打在屏上的確切位置只能做概率性的描述，不能再有經(jīng)典力學里那種決定性的描述。

圖2 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)知識結(jié)構(gòu)圖

通過對選修3-5中“動量”的學習，能豐富學生對相互作用觀念的認識。在物體相互作用的過程中，分別從力的瞬時作用效果、力對位移的積累效果和力對時間的積累效果的角度來描述相互作用，會呈現(xiàn)不同的規(guī)律性。從力的瞬時作用效果來看，是使物體產(chǎn)生加速度，改變物體運動的速度；從力對位移的積累效果來看，改變的是物體的動能；從力對時間的積累效果來看，改變的是物體的動量。當然，在這部分的學習過程中，也能豐富學生對能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的認識，即豐富對能量觀念的認識。

4 有利于學生對“科學態(tài)度與責任”的內(nèi)化

“《普通高中物理課程標準》修訂征詢意見稿”中指出：“科學態(tài)度與責任”是指在認識科學本質(zhì)，理解科學·技術·社會·環(huán)境關系的基礎上，逐漸形成的對科學和技術應有的正確態(tài)度和責任感。“科學態(tài)度與責任”主要包括科學本質(zhì)、科學態(tài)度、社會責任等要素[2]。

認識科學本質(zhì)是指對于科學知識、科學研究的過程和方法、科學事業(yè)等方面最基本特點的認識。

通過對選修模塊3-5“光的波粒二象性”“原子結(jié)構(gòu)”的學習，可以很好地促進學生認識到科學知識的確定性和發(fā)展性。愛因斯坦說：“科學沒有永恒的理論，一個理論所預言的事件常常被實驗所推翻。任何一個理論都有它的逐漸發(fā)展和成功的時期，經(jīng)過這個時期以后，它就很快地衰落……科學上的重大進步幾乎都是由于舊理論遇到了危機，通過盡力尋找解決困難的方法而產(chǎn)生的。我們必須檢查舊的觀念和舊的理論，雖然它們是過時了，然而只有先檢查它們，才能了解新觀念和新理論的重要性，也才能了解新觀念和新理論的正確程度?！盵3]通過“波粒二象性”“原子結(jié)構(gòu)”“原子核”的學習，還可以讓學生對這段話有一個生動而深刻的認識。

通過對選修3-5“光的波粒二象性”“原子結(jié)構(gòu)”“原子核”的學習，也可以讓學生更好地體驗“實驗——假設——理論——實驗”的科學方法。發(fā)射火箭利用到的基本物理原理，就在選修3-5“動量”一章。2016年11月3日20時43分，長征五號火箭在文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。通過“動量”的學習，學生不僅可以了解航空航天的基本原理，也可以促進學生感受我國在航天領域非凡的成就，激勵學生的民族自豪感，激發(fā)學生的社會責任感。同時通過中國航天的發(fā)展之路，還可以引導學生體會科學家從事科學工作的態(tài)度和使命感。通過對選修3-5中“光的波粒二象性”中有關“量子”概念的學習，可以促使學生對當前活躍的“量子通訊”的興趣，進而了解中國發(fā)射的世界上第一顆用于“量子通信”研究的衛(wèi)星——“墨子”號，等等。

周光召先生在給《科學教育的原則和大概念》一書寫的序言中指出：“科學教育不應該傳授給孩子支離破碎、脫離生活實際的抽象理論和事實，而是應當謹慎選擇一些重要的科學觀念，用恰當、生動的方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解?！盵5]在基礎教育階段，物理學科選擇“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面作為其核心素養(yǎng)，就是要幫助學生建立一個完整的對物理世界的理解，而在這個幫助的過程中，缺少選修3-5教材中有關“動量守恒定律”“波粒二象性”“原子結(jié)構(gòu)”和“原子核”的學習，學生對物理世界的基本理解也是不完整、不全面的。

[1]教育部.穩(wěn)中求進,優(yōu)化內(nèi)容,提高質(zhì)量,凸顯導向——教育部考試中心負責人就2017年高考考試大綱修訂答記者問[EB/OL].（2016-10-14）[2016-12-29].http://www.moe.edu.cn/jyb_xwfb/s271/201610/t20161014_284870.html.

[2]普通高中物理課標修訂組.《普通高中物理課程標準》修訂征詢意見稿（內(nèi)部資料）[R].北京,2015.

[3]愛因斯坦,英費爾德.物理學的進化[M].周肇威,譯.長沙:湖南教育出版社,1999.

[4]趙凱華.物理學照亮世界[M].北京:北京大學出版社,2005.

[5]溫·哈倫.科學教育的原則和大概念[M].韋鈺,譯.北京:科學普及出版社,2011.

Presenting an Integral and All-round Physical World:The Necessity of Including the Elective Modules 3-5 in the Physics Examination for College Admission

TANG Yulin1,TANG Qie2
（1.Beijing No.4 High School,Beijing 100034,China;2.Beijing No.8 High School,Beijing 100033,China）

The Test Syllabus of the 2017 College Entrance Examination has explicitly included the Elective Module 3-5 as its compulsory content.Based on the statement of the core quality of high school physics in the General High School Physics Curriculum Standard,this paper elaborates the necessity that Elective Module 3-5 should be included as compulsory content as the following four aspects:in favor of advancing students’scientific thinking, enriching their experience of scientific exploration,updating and establishing their physical concepts,and internalizing their scientific attitude and responsibility.

College Entrance Examination Reform;College Entrance Examination of Physics;Examination and Teaching;Key Competencies

G405

A

1005-8427（2017）03-0038-7

10.19360/j.cnki.11-3303/g4.2017.03.007

（責任編輯：陳睿）

湯玉林（1973—），男，北京市第四中學，中學高級教師；

唐 挈（1970—），男，北京市第八中學，中學特級教師。