以物理观念统领物理教学，本文主要内容关键词为：物理教学论文,观念论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理课程的目标是提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。但调查显示，多数学生在会考或高考结束后，脑子里只留下一些支离破碎的物理概念、规律的名称，或公式及解题技巧，这显然没有达到物理课程目标的要求。如何在教学中实现物理课程的价值，真正提高学生的科学素质，这是一个值得关注和研究的问题。以物理观念统领物理教学，可以帮助师生从纷杂的概念、规律、定理、公式中跳出来，站在更高的位置上，以知识和技能为基础，研究真实、典型的科学过程，客观全面地理解物理课程的教育价值。 一、什么是物理观念 观念是客观事物在人脑中留下的概括性认识。物理观念是物理学家经历长期的实践和理论研究，概括总结出的对物理世界的根本认识。这种认识指导人们继续解释不同的现象并预言其发展规律。物理观念随着物理科学的发展而发展。 爱因斯坦指出：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。物理书上充满了复杂的数学公式，但是所有的物理学理论都是起源于思维与观念，而不是公式。”[1]由此可见，物理观念在物理学理论形成和发展中发挥着重要作用。 在物理学发展的历程中，经历了多次观念的演进。人类对宇宙的认识从地心说到日心说，再到宇宙无中心；从经典力学理论统一天地一切机械运动规律到电磁场理论统一电、磁、光运动规律，再到四种相互作用统一宇宙间的一切自然力；从绝对时空观到狭义相对论时空观，再到时空几何化的广义相对论时空观；从经典物理学的机械决定论和因果论到量子力学的概率描述和统计因果论……物理观念的更新记录着人类对客观世界认识发展的历史。[2][3] 二、什么是物理观念统领物理教学 表1所示的两例是教师在动量教学中导入环节所设计的问题，目的是引发学生深入思考，建立动量的概念。我们以此为例，说明什么是物理观念统领下的物理教学。
在例1中，教师首先问学生：足球、铅球、子弹先后飞来，你敢用头顶吗？学生回答：敢顶足球，不敢顶铅球和子弹。教师接着问：为什么？学生回答：不敢顶质量大、速度快的物体。教师接着提出问题：“运动物体的作用效果与什么有关？”教师希望学生通过分析得出“运动物体的作用效果与质量和速度因素有关”，从而建立动量概念。 在例2中，教师带领学生回忆击球、炮弹出膛、火箭升空的情景，提出问题：“怎样计算台球、炮弹、火箭受力和速度变化的情况？”当学生充分思考并尝试用牛顿第二定律计算时，他接着提出问题：“能否用牛顿第二定律分析这些情况下物体受力情况和速度变化？”当学生意识到用已有的知识无法解决问题时，教师指出：“原则上，我们可以用牛顿定律解决所有力学问题，但是，像碰撞、炮弹发射和爆炸、火箭升空这样受力情况比较复杂的实际问题，直接用牛顿定律解决就非常困难。需要引入新的概念。”接着带领学生回顾历史上动量概念建立过程中科学家的思考及所做的工作。教师希望学生在了解历史上科学家的思考过程的基础上，再通过分析、综合、对比、归纳等思维活动建立动量概念。 动量概念的建立在物理学发展史上具有重要意义。上述两例虽然都是建立动量概念，但引发的思考却不一样。例1通过举例限定了学生的思维，等于直接告诉学生“运动物体的作用效果与质量和速度有关”，然后给出动量的定义、公式、单位，从而建立动量概念。这样的教学过程，学生的思考是肤浅的，对动量概念的理解是狭隘的。例2则通过碰撞、打击、爆炸等实例，引发学生思考。学生带着问题跟随教师回顾历史上物理学家在寻找自然界守恒规律的过程中，如何通过研究碰撞等复杂的力学问题，建立动量概念的思想和方法，引导学生思考运动的量度与追寻守恒量的关系、思考自然界的对称性和物理守恒律之间的关系、思考研究碰撞现象在物理学发展中的意义和作用等。这样的教学过程，教师把建立动量概念的过程放在大的历史背景中，学生的思考是深刻的，对动量概念的理解是全面的。同时，通过学习动量概念，学生逐渐认识“每一种守恒定律，必定有其伴随的物理对称性”这样的物理观念。 观念统领下的教学强调从更高、更系统的视角看待物理课程，强调在理解和掌握物理概念和规律的过程中，关注物理学家如何提出科学问题，他们在思考和解决物理问题过程中有哪些关键环节；关注在物理知识形成过程中，形成了哪些思想方法、研究规范，如何形成了知识系统；关注物理学在研究自然的过程中形成了什么观念，这些观念又是怎样发展并演进成为今天的物理观念。 三、以哪些物理观念统领中学物理教学 为便于教师明确、理解系统的物理观念，在教学中恰当地渗透物理观念，以物理观念统领物理教学。以下对中学物理教学中应该渗透的物理观念进行简单梳理。 中学物理课程中的物理观念涉及两部分科学问题：第一，关于描述物质属性的观念；第二，关于量度物质运动的观念。如图1所示。
（一）物质的属性 关于描述物质属性的观念有5个。 观念1：宇宙是物质的、有秩序的，能够凭借理性的推理而被理解。物理课程始终都在诠释“宇宙是物质的、有秩序的，能够凭借理性的推理而被理解”这样的根本观念。迄今为止，人们普遍接受的关于宇宙的起源、演化的理论是“大爆炸宇宙模型”。根据这一模型，宇宙大约在140亿年前的一次大爆炸中创生，时空和物质也由此创生。 观念2：物质由原子组成，原子有内部结构。目前人类认识的自然界的物质可分为两类：一类是实物粒子，另一类是场。20世纪初至30年代，量子力学的诞生标志着关于物质结构的科学原理基本形成，其核心观念是：原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，电子带负电荷，质子带正电荷；质子和中子也是有内部结构的。 观念3：微观世界遵循与宏观世界不同的规律。由于微观粒子的运动表现出与宏观物体非常不同的特性，所以微观世界遵循与宏观世界不同的规律。例如，在微观领域，自然界的变化是以不连续的方式发生的，某些物理量（如能量）不是连续分布而是量子化的；微观粒子具有波粒二象性，粒子的坐标和动量不可能同时具有确定值；微观世界以统计规律确定因果关系。 观念4：场是物质存在的一种形式，场具有能量且充满宇宙。地球的引力场存在于它周围的一切地方，如果在其中放一个物体，这个物体就会受到地球引力的吸引。电场是电荷周围空间存在的物质，它的基本特性就是对其中的电荷有作用力。磁场是运动电荷周围空间存在的物质，它的基本特性就是对其中的磁体或运动电荷有作用力。周期性变化的电场产生周期性磁场，周期性变化的磁场产生周期性电场，电场和磁场是电磁场统一体中相互依存、相互制约的两个方面。 观念5：每一种守恒定律，必定有其伴随的物理对称性。物理学研究发现，对称现象广泛存在于从宇宙的产生到微观核反应过程的几乎一切自然现象中。在空间里，沿着任何方向平移一单元，平移后的图像与原图无法区分（即完全重合），这种操作可继续下去，就是平移对称。在自然界中，蜂巢、竹节等都具有平移对称性。把一个质地均匀的物体绕通过中心的轴旋转任意角度，它的形状、大小、质量、密度分布等等，所有的性质都保持不变，就是旋转对称。一件事情的进程与发生的时间无关，就是时间的平移对称性。守恒定律就是某种时空对称性的表现。时间平移对称性的表现是能量守恒；空间平移对称性的表现是动量守恒；空间旋转对称性的表现是角动量守恒。物理学研究对守恒定律有一种特殊的热情和敏感，只要发现了一种对称性，就要寻找相应的守恒定律；反之，只要发现了一条守恒定律，也总要寻找相应的某种对称性。由于物理学认识了自然界的对称性表现出的守恒规律，人们就容易理解自然界为什么呈现出一种简单、和谐。[4-6] （二）物质的运动 关于量度物质运动的观念有五个。 观念6：物质运动有机械运动、物理运动、化学运动、生物运动和社会运动五种基本形式。[7]运动是宇宙中发生的一切变化和过程，是物质的固有属性和存在方式。物理学研究机械运动、物理运动的基本规律，物理运动包括分子热运动、电磁运动、微观粒子运动。 观念7：宇宙间存在四种基本相互作用力。目前，物理学界公认，自然界存在四种基本的相互作用：万有引力（简称引力）、电磁力、强相互作用和弱相互作用。引力作用普遍存在于一切粒子之间，是一种吸引力；万有引力定律是一个成功的引力理论，它指出：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量的乘积成正比与它们之间距离的二次方成反比。万有引力定律揭示了天上和地上的物体运动遵循相同的法则，但它有适用条件，不是终极理论。目前，爱因斯坦提出的广义相对论被认为是最成功的近代引力理论。在引力质量与惯性质量相等的实验事实的基础上，爱因斯坦提出了一条原理：在实验室内部无法区别重力的效应和加速度的效应，因此，重力的效应和加速度等效。电磁作用存在于带电体或磁体之间，既有引力也有斥力；原子核内使质子、中子结合成原子核的核力是强相互作用的一种表现；在放射性现象中起作用的力就是弱相互作用。四种相互作用有不同的基本性质和基本规律，自然界中呈现的千变万化的现象都可以归因于这四种基本作用。 观念8：物体运动状态或形状发生变化必受到其他物体给予的力。牛顿运动定律揭示了宏观物体低速运动所遵循的规律。牛顿第一定律指出：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。在此基础上，牛顿提出物体所受的作用力、由此产生的加速度及物体质量之间的定量关系，即牛顿第二定律。牛顿第三定律揭示了自然界中作用力的性质，即两个物体之间相互作用力大小相等、方向沿同一直线相反。弹性物体受外力作用产生形状变化也是物体相互作用的结果。 观念9：任何过程的全部参与者的总能量在此过程中始终保持不变，而总熵则一定不减少。自然界中一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但转换和传递的过程中，各种形式能量的总量保持不变。物理学发现的这个定律是自然界最基本的规律和最普遍的法则，支配着迄今我们知道的从石块的下落到原子核反应以至宇宙的演化等一切自然现象，为我们看待一切自然现象提供了统一的观点。 熵表示系统的微观无序程度，任何物理过程的全部参与者的总熵在过程中不会减少。熵增加原理预言，自然界大多数过程是不可逆的，它也是唯一区分过去与未来两个时间方向的物理学原理，其背后也许蕴藏着更加深刻的自然界演化与发展的规律等待人类认识。 观念10：时空是物质运动的存在形式。物理课程的研究对象始终以时空作为大背景。物理学理论认为，时空是物质运动的存在形式，没有离开时空的纯粹物质运动，也没有离开物质运动的绝对时空。爱因斯坦提出的相对论极大地丰富了人类对于物质运动与时空的认识。狭义相对论认为：时间和空间随着物体运动速度的变化而变化。当物体以接近光速的速度运行时，就会发生“尺缩钟慢”现象：物体沿运动方向上的长度变短和时间持续变长。广义相对论认为：重力场的时间和空间特性依赖于物体的质量分布，物体的质量越大，分布越密，重力场就越强，则空间的“曲率”就越大，时间的流逝就越慢。目前，人类观测到的空间从粒子的尺度
米至宇宙的范围
米，人类认识的时间从激光器产生的光脉冲持续时间为几个飞秒（
秒）至宇宙的年龄为（10～20）×
年。[8][9] 用物理观念统领物理教学，充分发挥物理课程的教育价值，还有很多问题需要研究。在强调观念统领物理教学的重要性时，需要特别说明两点：第一，物理观念是学生在主动学习的活动中，在深刻理解和应用物理概念和规律的过程中，由教师适度渗透、逐渐形成的，需要教师对物理观念有系统的认识和清晰的理解，在设计教学时注意用观念统领教学。第二，观念统领下的教学不是弱化对概念规律的学习，而是强调不断加深对概念和规律的理解，促进思维的深刻和广泛，从而帮助学生逐渐形成科学地认识世界的意识，理智地判断和选择的能力，学会用科学的方法和规范思考问题，成为具有较高的科学素质的公民。
标签：物理论文; 宇宙起源论文; 教学理论论文; 科学论文; 数学论文; 科普论文; 宇宙学论文;
