高中学生物理观念的构建，本文主要内容关键词为：高中学生论文,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。
在中学物理教学中，重视对学生的物理思想形成的培养，是物理教学的重要任务之一，也是素质教育在物理教学中的体现。
思想，亦称“观念”，即理性认识。要培养学生建构起物理思想，就是要把物理学科中的一些重要的原则上升为一种稳定的、基础性的观念，使它们成为分析、判断与评价的基点和标准。
本文就高中物理教学中应培养哪些物理观念及教学实践的体会谈谈笔者的认识。
一、培养事实观念
物理学是一门建筑在事实基础上的科学，它的理论体系的起点和终点都是物理事实（自然现象、实验结果等）。对物理理论的评价标准就是：符合事实、解释事实和预言事实。尊重事实，把事实放在分析的首位，甚至不惜修正以至推翻已建立起来的理论，这正是物理学家的基本特点。开普勒正是坚信第谷观察的结果，坚持必须修改花了一年半时间所建立的火星运动轨道的理论以消除8弧分的误差，从而发现了行星椭圆轨道的规律；卢瑟福也正是坚信必须正确解释α粒子的大角度散射与反弹现象，从而得出了原子的核式结构理论，无论这个理论与当时的经典电磁理论有多大的冲突。
中学生在学习物理的过程中，最大的问题之一就是离开了物理课堂与物理习题，就没有了物理，无法进行物理思考。所有的物理知识、理论对他们来说都是一种脱离内在本质的外在的体系，并未融合到自身的思维结构与观念体系中。他们还缺少对一些基本物理事实的了解。比如：学了运动学知识后，对实际常见运动物体的速度与加速度却一无所知，对不少学生来说，可能根本说不出汽车运动的速度、人的步行速度的数量级，至于一般汽车起动时的加速度就更不知道。学了功率知识后，对常见机械的功率大小，学过光学，对普通照相机镜头的焦距是多少，一般介质的折射率多大，学完电学后，白炽灯的热电阻是多少，地球磁场的磁感应强度有多大，……等等，都没有基本的数量大小观念。这样的学生，头脑中没有强烈的事实观念，他们的注意力只在于纯理论，对物理题解答的过程与结果几乎不会考虑它的合理性与事实性。如果解答的结果是人的步行速度为15米/秒，光的传播速度为4×10[2]米/秒，他们不会产生疑问；计算出25瓦白炽灯的电阻为500欧姆，他们也不会感到奇怪。因此，在中学物理教学中，应特别注意培养学生牢固的事实观念，使他们逐步习惯直至自觉地将事实放在思维的首位，在分析过程中，经常与它（事实）加以对比，从而检验自己的分析是否有错。
在教学中，应引导学生对常见的事物有一个物理量的数量级概念，在此基础上，进一步引导学生对常见问题进行物理估算，可以培养学生对事实的兴趣与关心。如：估算一般汽车正常行驶时发动机的功率。学生思想中若有了汽车的质量约为10吨，汽车与地面的摩擦系数约为0.03，汽车正常行驶的速度一般为20米/秒等数量概念，则不难估算出：P=fv=60千瓦。又比如：估算海洋波浪的总能量。初看这样的问题，学生也许会不知所措。但细细分析一下实际模型，不难发现问题应从波浪的重力势能着手，解决问题的基础是全球海洋面积（可由地球半径约6400千米及海洋占地球表面积的70%计算出来）及正常情况下海洋波浪的平均高度（可估算为0.5米～1.0米之间）这两个事实依据。中学物理中的估算问题及方方面面的知识，学生必须建立足够的常见事实的具体物理数量级概念，才足以解决此类问题。教学中我们可借助估算问题来强化学生的事实观念的建立。
解决具体物理问题中，学生往往还会因错误分析而怀疑现象或者没有搞清楚现象就开始根据解题经验进行分析。如：
例1 小车上固定一根弯折硬杆，折角为θ，杆端连一质量为m的小球，如图1所示，当小车以加速度a向右作匀加速运动时，求杆对小球的作用力大小和方向。
解决此问题时，有些学生根据有限的解题经验，认定杆对小球的作用只能沿杆拉或推小球，因此小球所受合力就不可能水平向右，从而判定小球不可能4向右作加速运动。学生在分析问题中，得出“这一现象是不可能”的结论是经常发生的。问题的关键是在教学中，必须强调这一观念：有限的物理知识并非判断的准则，只有题中所提供的现象才是根本性的，无可怀疑的。要使学生养成这样的思维方式：现象就是物理事实，不容怀疑。又如：
例2 A与B两物块叠放在水平桌面上，在水平拉力F的作用下一起向右作匀速运动，如图2所示，试分析A、B之间的静摩擦力。
分析此问题时，有些同学认为B向右运动，A相对于B有向左运动趋势，故而认定A受到向右的静摩擦力作用。这些学生在思考中，也同样没有把客观事实作为评价、分析的关键，也即A作匀速运动，而由牛顿第一定律可知，作匀速直线运动的物体所受合力必为零，故A不可能受到静摩擦力作用。
总之，物理学习中应培养学生牢固的事实观念，它是物理之根本所在。
二、培养因果观念
物理世界是一个有逻辑的世界。错综复杂的物理现象之间相互制约和普遍联系的主要表现形式是因果关系。一定的条件将得出一定的结果，任何一个物理现象或物理过程的产生都是有一定的原因的。寻找原因，或者推演结果，这就是物理学的核心目的。在解决力学问题时，的运动状态与受力情况之间的因果关系。在光学问题中，进行光路分析；碰到电路问题，进行电路结构分析；而气体问题中，则对状态参量进行分析……等等，这一切旨在跟踪物理过程，寻找现象产生的原因，这是解决问题的关键，也是选用物理规律的依据。
例3 质量为m，额定功率为P[，0]的汽车，在水平直路面上从静止开始运动。若汽车所受阻力恒为f，而在起动这一段时间内加速度恒为a，再经一段时间后，汽车开始作匀速运动，功率为P[，0]，若从开始运动到匀速运动所经过的路程为s。问汽车加速多长时间？
对此问题，有些学生认为一旦汽车的实际功率P达到额定功率P[，0]时，便不能再加速，此时速度最大，由此得出错误的结果。这些学生在分析问题中，没有把整个过程中运动和力的相互制约关系放在思维的首位，没有弄清由于汽车受力的复杂性导致了汽车运动过程的复杂性。汽车的整个运动过程的动态变化如图3所示。
汽车首先由于受到恒力作用，作匀加速直线运动，但随着运动速度的增大，汽车的实际功率将逐渐增大。当汽车实际功率P达到额定功率P[，0]时，由于汽车此时仍有加速度a，显然汽车仍将加速，但由于受额定功率P[，0]的约束，汽车的牵引力将减小，导致加速度减少，汽车由此进入了加速度逐渐减小的变加速运动阶段，而汽车的功率始终保持为P[，0]；当汽车的牵引力减小到与汽车所受阻力相等时，汽车的加速度为零，加速过程到此才结束，最终汽车进入了匀速运动阶段。
可见教学中应培养学生这样的思维习惯，将因果律观念表现为思考问题的常用手段，能自觉地把思维集中在解决问题的原因上，而不是盲目地去死记硬背结论，或将物理问题处理成没有物理思想的物理公式的数学演算过程。
解决物理问题时，分析的方向一般有两种：其一是给出起始条件（现象）进行演绎分析，推出它会产生的结果；其二是给出最终结果，以推理方法找出它的起始条件（现象）。无论是哪一种方式，究其根本是揭示联系起始条件与最终结果的因果关系。
目标跟踪分析法是解决物理问题的常用方法，跟踪分析的实质也就是理顺研究对象各状态间的演变过程中的一系列逻辑链，从而保证问题朝着正确的方向顺利得以解决。
例4 如图4所示，质量为M的重锤从离桩头高h处自由下落，打在质量为m的木桩上并随木桩一起下移，设木桩在插入泥土的过程中所受泥土的阻力f不变，求木桩入土的深度。
对此题，有不少学生根据功能关系列出方程：Mgh=fd，由此得出结果：d=Mgh/f。其错误原因，没有具体跟踪分析物理过程，缺乏正确的因果律观念，无法揭示现象与结果的本质联系，盲目地乱套公式。为此，在教学中应强调这样的观念，因果律是维系物理现象与结果的纽带，一定的条件产生一定的结果。
重锤在打击木桩前，因为自由下落，所以重锤机械能守恒：
；
重锤打击木桩时，重锤与木桩发生完全非弹性碰撞，此时重锤与木桩间的相互冲击的力远大于其他作用力，故系统动量守恒：
MV[，0]=(M+m)V；
重锤打击木桩后，木桩入土，既有重力对系统做功，也有系统克服阻力做功，根据动能定理所以有：
三、培养守恒观念
物质世界是客观存在的，我们可以改变物质存在的形式、物质运动的形式，但不能改变物质存在的客观事实。一定形式的量的守恒律，是客观世界的本质特点。如能量守恒、动量守恒、电荷守恒、宇称守恒、奇异数守恒等。随着研究的精微化，有些守恒内容会有所改变，如从机械能守恒到能量守恒，最后又到质能守恒，但这些发展不改变物质世界存在着守恒量的本质。各种物理现象（无论是宏观的还是微观的，乃至于宇观的和渺观的），究其原因都可以从守恒思想上得到阐释或找到依据。物理学中许多新事物的预言及新理论的建立无不折射着守恒思想的光辉。如：卢瑟福从质量数守恒和核电荷数守恒，预言了原子核内存在中子；查德威克正是坚信在微观现象中动量守恒，成功地发现了中子；泡利以能量守恒为依据，预言了中微子的存在；又如爱因斯坦的光电理论和玻尔的原子理论的成功均根植于守恒思想。
中学物理问题中，学生经常由于对物理概念、规律缺乏实质性的认识，思维中没有形成守恒观念，而对许多易于混淆的现象与过程无法澄清，阻碍学习的顺利进行。如：
例5 如图5所示，在光滑水平面上，放有一块质量为M的木块，一颗质量为m，以水平速度v[，0]飞行的子弹击中并陷入木块，已知子弹进入木块的深度为d，求子弹深入木块过程中，木块滑行的距离s。（设子弹在深入木块过程中所受阻力大小不变）。
这是一个十分常见的问题，但学生往往含糊不清，弄不清全过程中各物理量之间的关系。若学生头脑中有了牢固的守恒思想，则可看到：
全过程中系统的动量守恒，从而有
mv[，0]=(M+m)V
全过程既有机械能的转移，又有机械能转化为内能，但总能量是守恒的。
又如运用热力学第一定律解决各类理想气体状态变化问题时，学生经常由于记错了各物理量的正负号规定，而造成计算失误。其实，热力学第一定律的实质就是包括内能在内的能量守恒定律。把握住这一实质，可以从系统的“收入、支出”分析中，直接找出三个量的关系，完全不必拘泥于公式的形式和符号法则。还有在理想变压器问题中，学生在处理副线圈多绕组的问题时，无法建立原副线圈中各电流量间的正确关系：
，总是错误地理解成
。其实深入思考一下，后一种关系显然是违背能量守恒观念的。再比如对光的干涉原理的应用之一增透膜的原理总是理解不了；为什么在膜上黄、绿光是干涉相消，但却有透射最强的结论？他们往往错误地认为，黄绿光的入射光与从膜的第二界面反射回来的光干涉相消，那就是抵消了，怎么还有黄绿光增透的结果呢？如果有光在传播过程中能量守恒的观念，即遇到界面时，将同时发生透射与反射现象，但透射光的能量与反射光的能量之和应等于入射光的能量。黄、绿光在增透膜上干涉相消，表明它的反射光能量最小（甚至为零），因此，透射光的能量就必定最大（等于入射光的能量）；反之，红、蓝光在增透膜上干涉加强，表明反射光能量最大，故透射的红、蓝光能量就最小。
综上分析，学生错误的症结，是没有明确的守恒观点，不能从物质世界的守恒的本质去理解概念的实质和规律的内涵。可见，物理教学中培养学生明确的守恒观念是提高学生物理素质的重要措施，这能使他们站在更高的角度审视物理问题，从更深的层次理解知识，从根本原理上打开思路，获得成功。
四、培养辩证观念
物理学中的每个物理理论的建立与发展都蕴藏着丰富的哲学内涵。整个物理学中马克思主义哲学的辩证思想随处可见。物理学中最常见的运动和静止，粒子和波等实例都体现了对立统一这一辩证思想。运动是绝对的，静止是相对的，运动与静止是辩证的统一。经典的光的粒子性与光的波动性是对立的，但在波粒二象性理论中得到了统一。
在各种物理过程中，我们不难发现，事物的变化首先表现为数量的变化，当数量变化到一定程度达到临界点时，就会产生一个飞跃，引起事物质的变化。中学物理中这种事例比比皆是。如一般情况下，导体的电阻随温度降低而减小，但当温度降低到某一临界值时，导体的电阻突然减小到零，成为超导体，量变引起了质变。又如光的反射与折射现象中，当光线从光密介质射入光疏介质时，随着入射角由零度开始逐渐增大，起初折射光线一直存在且折射角逐渐随入射角的增大而增大。但当入射角增大到临界角时，折射光线就突然消失，发生了光的全反射现象，这就光的全反射现象中的量变与质变关系。
在物理体系中，当平衡态被某一新因素所破坏之后，变化将会造成另一个反抗的因素，以使系统重新达到新的平衡。这就是哲学中否定之否定规律的具体体现。设想对某质点施加一个力F而使它从静止开始加速，从而破坏了质点原先的静止平衡态。随着质点运动状态的变化会产生两个层次的反抗因素。其一，物体的速度增大，要继续保持F力作用，施力物体的功率就必须逐渐增大，按理论最终将趋向于无限，而实际上功率是无法无限增大的，最后力F将不得不趋于零。其二，若设想施力物体的功率无限增大能够办到，则根据相对论，物体的速度增大后，质量将随之增大，从而使恒力F所产生的加速度逐渐减少，使加速度趋向于零。两种情况的最终结果都将导致质点再次达到新的平衡，但此时是均速运动的新平衡态。又如，毛细现象中，由附着力与表面张力而将毛细管中的水面向上拉，但液柱重力将反抗这种上移，到一定高度液柱就停止上升。物理现象中充满着否定之否定的哲学原理。
教学中有机地渗透马克思主义哲学的辩证思想，有利于拓宽学生的思维空间，打破僵化的思维方式，培养哲学思辩能力，构建更高层次的物理知识体系，从而使学生能站在哲学的高度思考问题，真正地提高学生的思维素质。