吳新友

摘 要：物理觀念是從物理學(xué)視角形成的對某一客觀事物的認(rèn)識和覺悟。培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念有什么意義？高中階段應(yīng)形成什么具體的物理觀念？如何在教學(xué)中滲透和培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念？

關(guān)鍵詞：物理觀念;物質(zhì)觀;運動與相互作用觀;能量觀;培養(yǎng)

觀念是客觀事物在人腦里留下的概括性的形象和總結(jié)。觀念還是一種思想意識，是一個人關(guān)于某一客觀事物的認(rèn)識和覺悟。物理觀念是從物理學(xué)視角形成的物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識;是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)。物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素。

一、學(xué)生形成正確的物理觀念的意義

愛因斯坦說過：“所有的物理學(xué)理論都是起源于思維與觀念，而不是公式?！钡锢砀拍畹男纬珊臀锢砉降牡贸鰠s是建立在物理學(xué)理論的基礎(chǔ)上，這一過程中物理觀念是起主導(dǎo)作用的。觀念反映了人們對客觀事物的概括性認(rèn)識和理解，它決定了人們?nèi)フJ(rèn)識世界和解決實際問題的出發(fā)點、依據(jù)和方式方法。所以，物理觀念影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的效果，并為學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展奠定了認(rèn)識和解決問題的基礎(chǔ)。

物理觀念中的物質(zhì)觀、運動與相互作用觀及能量觀是學(xué)生認(rèn)識生活和客觀世界的視角和基礎(chǔ)，它指導(dǎo)著學(xué)生從物理學(xué)的視角了解和解釋各種自然現(xiàn)象，從物理學(xué)的思維和方法處理和解決身邊遇到的問題。所以，科學(xué)物理觀念的培養(yǎng)是學(xué)生形成正確和豐富的世界觀、人生觀、價值觀的具體途徑和要求。

物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的之一，而且擺在第一位。物理觀念是在學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物理概念和規(guī)律，并在之后的應(yīng)用、實踐和遷移中慢慢培養(yǎng)和形成的，在此過程中也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維、實驗探究能力和科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任。這樣，“物理觀念成為其他物理核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的基礎(chǔ)”?？梢姡囵B(yǎng)學(xué)生物理觀念是提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“本位”條件和要求。

二、高中階段需要形成什么樣的物理觀念

1.物質(zhì)觀

馬克思說，物質(zhì)是客觀存在的。學(xué)生要形成這些觀念：質(zhì)量是物體本身的一種屬性，它不隨物體的狀態(tài)而改變。質(zhì)量是物體慣性大小的量度。整個宇宙都是由物質(zhì)組成的，物質(zhì)由分子或原子組成，原子還可以再分。目前人類認(rèn)識到的物質(zhì)有兩類，一類是實物粒子，一類是場，場是物質(zhì)存在的另一種形式，場具有能量，并充滿整個宇宙。任何有質(zhì)量的物體之間存在著相互吸引的萬有引力。電荷既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。磁體和電流的周圍存在著磁場，磁體或電流間的相互作用是通過磁場而發(fā)生的。光是種電磁場。質(zhì)能方程。另外，微觀世界和宏觀世界遵循不同的運動規(guī)律。

2.運動與相互作用觀

運動狀態(tài)反映受力情況，受力情況決定運動性質(zhì)。學(xué)生要形成這些觀念：宇宙是由運動的物質(zhì)組成的，運動是絕對的。運動和靜止都是相對的。一切物體總保持要保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，運動不需要力來維持。光在真空中的傳播速度。力是物體間的相互作用，具有物質(zhì)性、矢量性、相互性。兩個物體間的相互作用力總是等大反向、同性質(zhì)。宇宙中存在著四種基本相互作用力。力可以使物體的速度大小或方向發(fā)生變化，力是產(chǎn)生加速度的原因。

3.能量觀

能量的轉(zhuǎn)化與守恒是物理的一條主要解題思路，高中物理中涉及的力、熱、光、電、原子和原子核的各模塊知識都可以用到能量的轉(zhuǎn)化與守恒思想。學(xué)生要形成這些能量觀：功是力對位移的積累，是力在空間上的作用效果。功和能都是標(biāo)量。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，力做了多少功就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化。功能關(guān)系是由于力在空間上積累后產(chǎn)生的結(jié)果，所以既適用于恒力作用，也適用于變力作用;既適用于直線運動，也適用于曲線運動。重力做功對應(yīng)重力勢能發(fā)生改變，大小關(guān)系為;彈簧的彈力做功對應(yīng)彈性勢能發(fā)生改變，大小關(guān)系為;電場力所做的功對應(yīng)電勢能發(fā)生改變，大小關(guān)系為;一對相互作用的滑動摩擦力對系統(tǒng)做功對應(yīng)內(nèi)能的增加，大小關(guān)系為;合外力對物體所做的功對應(yīng)動能的變化，大小關(guān)系為;非重力或彈簧彈力對系統(tǒng)所做的功等于系統(tǒng)機(jī)械能的變化量，大小關(guān)系為。

4.時空觀

時空觀是關(guān)于時間和空間的根本觀點。學(xué)生要形成這些觀念：時間和空間是運動著的物質(zhì)存在的基本形式，時間、空間具有客觀性、絕對性和無限性。學(xué)生要掌握時間間隔、時刻的概念以及一維、二維、三維空間的相關(guān)描述。描述物體的運動必須選定參考系。

三、如何在物理教學(xué)的過程中充分地滲透物理觀念

1.在概念和物理規(guī)律教學(xué)中，形成和更新物理觀念

物理規(guī)律和概念是物理教學(xué)最基礎(chǔ)最重要的內(nèi)容，學(xué)生是否能形成正確的概念、掌握并運用好規(guī)律，關(guān)鍵在于教師在引入、建立、形成物理概念和規(guī)律的過程的效果如何。比如，在教學(xué)中經(jīng)常會遇到“一個物體以一定的初速度沖上傾角為的斜面”這樣的情境，相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)為該物體之所以能沿斜面向上運動，是因為一定有受到某個沿斜面向上的力的作用。學(xué)生之所以出現(xiàn)這一錯誤認(rèn)識的主要原因是“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”這一前觀念潛在的影響。

我們在《牛頓第一定律》的教學(xué)中，在得出“牛頓第一定律”后，必須對牛頓第一定律的內(nèi)容進(jìn)行深入的挖掘和分析。

“一切物體”為定律的適用對象即研究對象——形成物質(zhì)觀。

“總”表示任何時候——形成時空觀。

“直到有外力”說明前半句話物體是不受外力的，描述的是一種理想的狀態(tài)，不受外力物體要保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，說明運動不需要力來維持——運動觀。

“直到有外力迫使它改變這一狀態(tài)”表明外力的效果是改變原來保持的狀態(tài)——運動與相互作用觀。

2.在實際運用中，滲透和強(qiáng)化物理觀念

比如，在學(xué)習(xí)“機(jī)械功”時，課本給出功的定義為“功是力與位移的乘積”，學(xué)生往往對公式的理解不夠深入，除了表現(xiàn)在學(xué)生經(jīng)常忽視這個公式只適用于恒力做功外，還表現(xiàn)在對功的計算式中各個物理量應(yīng)形成的物理觀念的缺陷：（1）功W是標(biāo)量，W可包含正負(fù)，（2）力F作用對象是什么，對應(yīng)的作用對象的位移s是多少，學(xué)生往往搞不清楚。這反映了學(xué)生對力的物質(zhì)性中包含的物質(zhì)觀和位移s選取以地面作為參考系的空間觀和運動觀的缺失。

例如，如圖所示，有一質(zhì)量為M、板長為L的平板車A放置在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的物塊B放在平板車的左端。現(xiàn)施加一水平恒力F在B上，使B從靜止開始運動。對B，由動能定理得，;對A，由動能定理得，。所以，系統(tǒng)增加的機(jī)械能為。

學(xué)生在解答這道典型題時遇到的障礙一般有：（1）無法明確這個模型中存在一對相互作用的摩擦力，相互作用觀念模糊;（2）無法明確研究對象，對摩擦力f作用的對象是什么這一力的物質(zhì)觀念模糊;（3）無法確定研究對象的對地位移s是多少，對位移s的參考系的空間觀念意識不足。教師在教學(xué)過程中應(yīng)就這些物理觀念進(jìn)行補(bǔ)充和強(qiáng)化。

教師可繼續(xù)引導(dǎo)性地發(fā)問：根據(jù)功能關(guān)系，做功的過程就是能量的轉(zhuǎn)化過程，做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化。外力F對整個系統(tǒng)做功為，但整個系統(tǒng)增加的機(jī)械為。那么少了的轉(zhuǎn)化為什么能量。學(xué)生根據(jù)之前的學(xué)習(xí)，會想到摩擦生熱。

這樣，學(xué)生在平時解決問題的過程，能量觀等物理觀念就得到了不斷完善、強(qiáng)化、應(yīng)用。

3.在實驗探究中，設(shè)計引導(dǎo)性的問題，潛移默化形成物理觀念

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。通過高中物理探究性實驗，讓學(xué)生經(jīng)歷和領(lǐng)略科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究時的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的基本技能和科學(xué)精神，也是培育學(xué)生物理觀念的重要途徑。但實際的物理探究性實驗課很難激發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，也無法培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念，無法達(dá)到物理探究課的目的。教師如何教學(xué)，才能在一節(jié)“很緊張”的實驗探究課中，探出物理味道、探出物理規(guī)律、探出物理興趣、形成物理觀念呢？這是每一位物理教師要積極思考并積極實踐的問題。

比如，在“驗證機(jī)械能守恒”這個實驗，教師可先布置預(yù)習(xí)作業(yè)，讓學(xué)生先預(yù)習(xí)實驗。預(yù)習(xí)時，布置這些問題讓學(xué)生思考：①根據(jù)實際受力情況，提紙帶時，紙帶是否要保持豎直？②根據(jù)實際受力特點，選用重錘時，要注意什么？為什么？③根據(jù)自由落體的規(guī)律，選紙帶時，為什么要選擇第1、2點接近2mm的紙帶？

這些讓學(xué)生思考的問題中，都能引導(dǎo)性讓學(xué)生從運動與力的關(guān)系進(jìn)行思考和分析，強(qiáng)化了相互作用觀、運動觀。

4.在讀題中，注意通過物理問題的表征，應(yīng)用和強(qiáng)化物理觀念

開頭談到，觀念是客觀事物在人腦里留下的概括性的形象和總結(jié)。學(xué)生形成什么樣的物理觀念，就決定了他解決物理問題的方式。物理問題的表征不同于一般的語言詞匯，它有特定的含義。學(xué)生只有在形成了正確的物理觀念后，才能注意到表征物理問題的這些特殊詞匯的含義。特別是在高一年級，必須培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的運動與相互作用觀，讓學(xué)生熟悉并懂得運用。至少要讓學(xué)生知道，運動與力的關(guān)系，要強(qiáng)化“受力情況決定運動情況，運動情況反映受力情況”的觀念。學(xué)生樹立了正確的運動與相互作用觀后，就像是具有了“慣性”，學(xué)生一遇到特定的語境，就能激發(fā)出“運動與相互作用觀”這一性質(zhì)。

教師在引導(dǎo)學(xué)生讀題的過程中，要一直強(qiáng)化力與運動的關(guān)系，即強(qiáng)化“受力情況決定運動情況，運動情況反映受力情況”的這種運動與相互作用觀。比如“小物體處于靜止?fàn)顟B(tài)”反映了初始時刻的受力情況，所以要寫出平衡式?！笆剐∥矬w向上做勻加速直線運動”中，通過“運動情況反映受力情況”，得出運動過程中的受力是恒力。再如，如果遇到“物體做勻速圓周運動”，就要引導(dǎo)學(xué)生明確勻速圓周運動的動力學(xué)特征為“合外力等于向心力”這一運動與相互作用觀，從這一觀念出發(fā)，根據(jù)牛頓第二定律求出相應(yīng)的式子，是解題的關(guān)鍵。

結(jié)束語：從物理觀念的視角去更新物理教學(xué)，就是從本質(zhì)和基礎(chǔ)上促進(jìn)了教育觀念的更新，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)更是一種提升。課堂是一個具有創(chuàng)造性的過程，讓學(xué)生在解決實際問題的過程中，隨時能運用物質(zhì)觀、時空觀、運動與相互作用觀以及能量觀，具備從物理學(xué)的視角思考問題的動機(jī)和能力，最終達(dá)到通過物理課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

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