以物理思想滋养素质，用物理方法培育能力，本文主要内容关键词为：物理论文,素质论文,能力论文,思想论文,方法论文，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。
新课程改革正在全国逐步展开，新课程改革的目的是加强素质教育，培养创新能力，物理教学在这方面负有重要责任。然而，以什么样的物理学内容为素材，以什么样的教学模式为途径，才能达到新课程改革的目标，是广大教育工作者面临的重要课题。关于教学模式问题讨论的比较多了，笔者仅对“培养素质和能力的素材”这个问题进行一些探索和反思，在此提出，与各位同仁商讨。
一、从新课程改革要求的角度看物理学的内容
学过物理的人都知道，有重大发现的物理学家如牛顿、伽利略、法拉第、麦克斯韦、爱因斯坦……无不是具有杰出才能的高素质人才。他们的才能和素质主要体现在哪些方面呢？回顾物理学发展史我们容易发现，他们的重大发现几乎都是在科学思想指导下，运用独到的物理方法实现的；他们留给后人的不仅仅是一些物理概念、物理规律，还有更为重要的蕴含在探索过程中的物理思想、物理方法。他们的素质和能力不是主要体现掌握物理概念、物理规律的多少上，而是主要体现在创造性地继承、发展、运用物理思想和物理方法去发现问题解决问题上。因此，科学思想是素质的内涵，素质是科学思想的外在体现；科学方法是能力的内涵，能力是方法的外在体现（物理学中的五种方法恰好就是物理所要培养的五种能力）。要培养学生能力，提高学生素质，仅仅向学生灌输一些物理概念和物理规律是远远不够的，必须改变教学模式，补充教学素材：让学生在老师的指导下，适当地模拟物理概念、物理规律得出的探索过程，使学生在该过程中接触、吸收、消化、运用物理思想和物理方法，进而得到物理概念物理规律。只有这样，才能使学生在学习物理知识的同时，也接受思想和方法的滋养；才能使学生学到由思想和方法孕育出来的活的知识，做到不仅知其然还知其所以然；才能够提高学生素质，达到新课程改革的目标。由此可见，按新课程改革的要求，那种认为物理学内容即物理概念、物理规律的传统观点显然是不全面的，物理学还包含着更为重要的内容即物理思想、物理方法。那么，中学物理学中主要有哪些重要的物理思想、物理方法呢？
二、蕴藏在中学物理学中的重要物理思想
所谓物理思想，是指人们在反复研究物理现象的过程中，形成的关于物理本质的最一般的看法、观点，它是物理学的灵魂，物理学研究的行为指南。它蕴藏在先哲们建立物理概念、发现物理规律的探索过程中，是物理方法、物理概念、物理规律的源泉。深入分析中学物理，可发现有如下重要的物理思想：
1.联系的思想
普遍联系的思想在物理学的一系列重大发现过程中起到了很大的指导作用。1820年，奥斯特在一根通电导线下放置一个小磁针，结果发现小磁针发生了偏转。这一重大发现不仅使以前被认为是互不相干的电现象与磁现象统一起来，还为电磁学的其他重大发现奠定了基础。那么，奥斯特为什么会做这个实验，其指导思想是什么？其实，早在奥斯特之前，德国哲学家康德就提出、“自然力之统一”的思想。康德认为：各种自然现象之间不是孤立的，而应当是相互联系的，奥斯特深受这种思想的影响。奥斯特在认真比较了电现象和磁现象时发现，带电体和磁体有某些相似的性质：例如对于带电体，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引；对于磁体，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。这些相似性，只是一种偶然巧合吗？奥斯特猜想，电和磁之间可能存在某种内在的联系。正是在这一思想的指导下，奥斯特才做出了上述实验，获得了重大发现，开辟了电磁学的新时代。同样，在普遍联系的思想指导下，法拉第认为，既然电能生磁，反过来磁也应能生电。在这一思想的指导下，法拉第经过十年的艰苦努力，终于在1831发现了电磁感应现象，迎来了人类史上电气化时代的第一缕曙光。当然，牛顿将地球的引力与太阳对行星的引力统一于万有引力；美国物理学家富兰克林将天电与地电统一起来，无不是这一光辉物理思想的体现。正是基于上述大量的物理事实，当代哲学已经将联系的思想提升为重要的哲学观点，成为指导人们实践活动的科学思想。
2.量子化的思想
1896年，维恩从热力学和经典统计物理学出发推导出了一个关于黑体辐射的能量密度按频率分布的关系式
叫做维恩公式。该公式在短波和低温条件下与实验数据吻合的很好，但在长波部分出现偏差。1900年，英国物理学家瑞利与金斯能量均分定理从理论上推导出了一个公式
叫做瑞利—金斯公式。该公式在高温和长波条件下与实验数据吻合的很好，但在短波部分偏差较大，史称“紫外灾难”。人们希望找到一个与黑体辐射规律相一致的公式。德国物理学家普朗克应用数学上的内插法得到了一个公式
它与黑体辐射的实验曲线完全符合。如何从理论上说明它呢？他提出了一个大胆的假设：物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式变化的，即能量不是无限可分的，而是有一个最小单元。这个不可分的最小的能量单元称为能量子，记为ε=hv，式中的v为辐射频率，
，称为普朗克常数。能量值是分立的而不是连续的，在这样的前提条件下，普朗克用统计的方法从理论上导出了上述公式，量子化的思想从此确立了。爱因斯坦正是在量子化的思想启发下，指出在空间传播的电磁波辐射也是不连续的、一份一份的，这每一份叫光量子。光子能量和频率成正比，这就是著名的爱因斯坦光子学说。爱因斯坦利用光子学说成功地解释了光电效应。同样，玻耳在量子化思想的启发下，提出了量子化的玻耳原子模型，成功地解释了氢原子光谱问题。从此，量子化的思想成为人们认识微观世界的科学的物理思想，量子力学也横空出世，与相对论一起成为人们认识自然的两大理论支柱。
3.物质可分的思想
物质是否是由一些基本的结构单元构成，一直是人们关心问题。道尔顿在这方面做出了杰出的贡献：他从化学反应中的不同反应物的消耗量总是成一定的比例的事实出发，提出了原子学说。该学说认为，“原子”是构成物质的基本单元，被称为是“宇宙之砖”。汤姆生在研究气体放电现象中发现了电子，并测定电子的质量远小于氢原子的质量，从而打破原子是基本粒子不可再分的观点，确立了原子可分的思想。人们又认识到原子核也有自己的内部结构：原子核结构是由质子和中子构成的。质子、中子、电子是基本粒子。近代研究发现，这些粒子也不是基本的，它们是由更基本的“夸克”构成。物理学关于物质结构的研究过程，正是物质可分的思想形成的过程。
4.守恒的思想
“无不生有，有不变无”是先哲们的重要哲学思想。著名物理学家迈尔在研究摩擦生热的过程中发现，摩擦使物体生热，同时也必然伴随着机械能的减少，根据这些现象，迈尔提出了能的转化和守恒的思想。焦耳对这一问题也进行深入的研究。做了著名的热功当量实验，为能的转化和守恒定律的确立奠定了坚实的基础。十九世纪末，人们在对大量物理事实分析的基础上终于发现了能的转化和守恒定律。能的转化和守恒定律的发现，使人们认识到第一类、第二类永动机是不可能造成的。同样在守恒的思想的指导下，人们还发现了质量守恒、电荷守恒、动量守恒、角动量守恒等重要物理定律，为物理学的发展，做出了重大贡献。
5.万有引力的思想
开普勒在整理第谷的观察资料的基础上，发现了著名的开普勒三定律。开普勒第一定律指出：行星绕太阳做椭圆运动，太阳处在椭圆的一个焦点上。行星为什么做椭圆运动而不远去？牛顿等人认为是由于太阳对行星有引力的作用的缘故。同样月亮之所以绕地球运动也是由于地球对月亮有引力的作用，并且验证了地球对月亮的引力和物体受到的重力都是来源于地球的引力，从而产生了万有引力的思想，发现了万有引力定律。万有引力的思想成为人们认识宇宙的结构的指导思想，为现代宇宙学的产生和发展奠定了坚实的基础。
三、蕴藏在中学物理学中的物理方法
物理方法是指物理学家们在一定的物理思想的指导下，解决物理问题的途径、方式和手段。物理方法是物理学家智慧的结晶，是物理学的精髓，它本身比物理知识有着更大价值。解决物理问题的方法主要有以下几种：
1.实验的方法
在伽利略之前，人们研究物理问题的方法，以亚里士多德采用的方法最具有代表性：首先对个别物理现象进行观察，然后进行演绎推理，推广到一般情形。例如亚里士多德在观察到不给运动的物体外力作用，物体最终会停下来，便得出力是物体运动的原因；在观察轻重物体下落现象后得出重的物体比轻的物体下落的快的结论。采用这种研究方法得到的结论有的是正确的，有的是错误的，这种方法有它内在的缺陷：它不能最终判定所得到的结论到底是否科学。伽利略敏锐地察觉到这一方法缺陷，开创了实验的方法。从伽利略开始到现在，人们做了大量的实验，从而大大促进了物理学的发展。从功能上看，这些实验主要起到了两方面的作用：一是对争论不休的物理问题进行最终判决和证明，这类实验称为验证性实验；二是发现新现象新规律，这类实验称为探索性实验。例如伽利略通过物体在光滑斜面上运动的理想实验证明了物体不受力将一直运动下去而不是停止运动；通过著名的比萨斜塔实验证明了轻重物体下落的一样快。实验的方法除可以进行验证、判决以外，还可以实验得到的物理现象为基础进行科学探索，从而引发重大科学发现。例如光电效应实验，使人们认识到光的波粒二象性；α粒子散射实验使人们认识了原子的核式结构，奥斯特实验揭示了电和磁的内在联系；电磁感应实验开辟了获取电流的新途径等等。伽利略开辟的用实验来研究物理问题的科学方法，克服了演绎推理的内在缺陷，使物理学研究的结论是否正确有了最终的科学的判定标准，物理学的研究从此走上了正确的轨道，帮助人们解决了一个又一个的疑难问题。
2.运用数学知识处理物理问题的方法
物理问题除可用实验的方法研究解决外，物理学家们还常用数学的方法，有许多重大的物理发现是运用数学知识来实现的。例如开普勒发现了行星绕太阳运行三个规律，其中第一定律指出：行星绕太阳运行的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。行星绕太阳运行的轨道为什么是椭圆？牛顿猜想，这是由于行星受到太阳引力的作用的结果。他利用自己独立发明的微积分通过数学推导指出：做椭圆运动的行星受到的引力与距离的平方成反比；在《论物体的运动中》，他证明了均匀球体吸引球外每个物体，吸引力都与球的质量直接成正比，与从球心到物体的距离的平方成反比，提出可以把均匀球体看成是质量集中到球心。反过来，他也证明了受平方反比引力作用的行星的运动轨迹是椭圆，并从平方反比引力出发，导出了开普勒的三个运动定律。他把重力扩展到行星，并利用地—月系统的已知参量证明了地球对月亮的引力与地球对物体的重力作用是一种性质的力，都遵循平方反比规律，从而明确了引力的普遍性，发现了万有引力定律，从理论上解释了天体的运动规律。牛顿给自己的书起的名字叫《自然哲学的数学原理》，也正是由于牛顿在研究过程中大量地运用了数学的方法来研究物理问题的缘故吧。更为有趣的是，1781年发现了第七颗行星——天王星，可观察的结果与万有引力计算的结果之间存在偏差，法国青年物理学家勒维耶和英国学者亚当斯相信这是由于天王星外侧存在尚未发现的新行星干扰引起的，勒维耶用万有引力定律准确地计算出了新行星的运行轨道，1864年9月23日晚，德国的伽勒在指定的位置果然发现了这颗被称为是笔尖上发现的行星——海王星。1930年3月14日用同样的方法发现了冥王星。类似地，高斯利用数学的方法导出了泊松亮斑、麦克斯韦通过解麦克斯韦方程组得到电磁波的传播速度为光速、查德威克在研究α粒子轰击铍的实验中打出的射线时，运用能量守恒和动量守恒通过数学运算判定从铍打出的不可能是γ射线，从而发现了中子。这些都是数学方法在物理学中应用所取得的重大成果。实验的方法和数学的方法相互补充，极大地促进了物理学的发展，成为物理学研究的重要方法。
3.分析推理的方法
除上述两种方法外，物理学研究中所用的方法还有分析推理的方法。例如关于落体问题，亚里士多德认为重的下落的快，而轻的下落的慢。伽利略认为轻的和重的下落的应当一样快，他是这样分析推理的：若重的物体比轻的物体下落的快，则将一较重的物体和一个较轻的物体拴在一起，整体比其中任何一个物体都重，则应下落的速度应比其中任何一个都快。然而由于重的和轻的拴在一起，则下落快的要拖着下落慢的而变慢，下落慢的由于受下落快的物体的作用而变快，这样整体的下落速度应当小于大的而大于小的，这显然与物体越重下落越快的结论是相悖的。同样，牛顿关于物体运行速度大于某个值时物体就不会落到地面上而成为一颗卫星的设想、卢瑟福由α粒子散射实验现象得出核式结构模型的结论、从布朗运动到分子运动论、从伽利略斜面实验现象到物体不受力物体将一直运动下去的结论等无不是这种方法成功运用的典范。正是运用分析推理的方法，人们才从纷繁复杂的物理现象中看到了物理本质，这是人们认识自然的重要方法之一。
事实上，先哲们研究物理问题的方法还有很多，例如类比法、归纳法、极限法、模型法、等效法等等，而且对某一物理问题的研究，往往不是运用一种方法，而是多种方法并用，相互补充，相得益彰。
综上所述，物理学内容，不仅仅指教材上的物理概念、物理规律，还应包括蕴藏在物理概念、物理规律得出过程中的物理思想、物理方法，我们应当把这些宝贵的思想和方法挖掘出来，传授给学生，让学生接受物理思想物理方法的滋养，从而做到“物”中寻“理”，寓“理”于“物”。只有这样，才能真正达到新课程改革的目标。以上是笔者的几点看法，不当之处，敬请指正。