物理教学的特点和规律

“特点”,一般是指“人或事物所具有的独特的地方”,或者指“一事物与他事物的不同之处”,它是在比较中产生的。例如,相对于文学、哲学、历史学等人文学科而言,实证性就是物理学的特点;相对于生物学的定性与半定量而言,精确性就是物理学的特点;相对于小学科学,中学物理的学科性、系统性与精确性就显得比较高深;相对于大学物理,中学物理就具有基础性的特点。

物理课程教学过程的特点,既是一般教学过程特点的反映,又是由物理学本身的特点与中学物理课程目标等所决定的。物理学是以实验事实为根据的系统的科学理论,它的主要特点是以系统的观察、实验同严密的逻辑体系相结合,包括同数学方法的结合。中学物理课程教学是物理科学的入门教育和基础教育。因此,具体来说,中学物理课程教学过程具有以下一些基本特点和规律：

1.物理课程教学以观察和实验为基础

整个物理学的发展表明：人类的物理知识来自生产和对自然的观察,特别是来自物理实验;同时,观察和实验是科学研究中一种最基本、最普遍的研究方法,是认识主体获取感性经验和事实材料的重要途径,也是检验科学理论真理性的实践标准。因此,以观察和实验为基础,是任何自然科学的基本思想和观点。物理学也正是因为有了实验观察与理性思维的结合,才能不断拓展新的领域,迅猛发展。中学物理教学作为学生个体探究物理世界、掌握物理规律的特殊认识过程,与人类探索物理世界的过程有着“浓缩”的相似性。这就必然要求中学物理教学以观察和实验为基础。

(1)观察和实验是获取必要的感性认识的重要途径。在学习物理过程中,要形成物理概念和规律等关于物理世界的理性认识,就必须以一定的感性认识为基础,如果没有感性材料作为基础,学生的学习就不可能完成从感性到理性的飞跃。在中学物理教学过程中,中学生对物理世界的感性认识可以源于学生对生活环境的“自然观察”;也可以源于有目的、有计划的“实验观察”。自然观察一般是指在自然发生的条件下,对观察对象不加改变和控制的观察。例如,在秋天,观察从树枝上自由飘落的一片叶子,就是自然观察。而实验观察是在人为干预、控制情况下对观察对象进行的观察。例如,在被抽成真空的牛顿管中观察钱币和羽毛,从同高度、同时刻、无初速开始的自由下落就是属于实验观察。与自然观察相比,实验观察可以通过排除非本质的、次要的外界因素的干扰,简化和纯化研究对象,突出被观察对象的本质因素。因此,实验以及实验观察能够让学生获得更明确、更具体、更具本质特征的物理事实和材料,为学生抽象物理概念和研究物理规律提供更有价值的感性材料。

(2)观察和实验是激发学习物理兴趣的重要手段。兴趣是人们积极探究某种事物的认识倾向,是人们认知需要的情绪表现。学习兴趣对认知活动的激起和维持具有极其重要的作用。在中学物理教学过程中,尤其是那些还不能将自己的学习与社会需求,自己的理想、信念和世界观联系起来的低年级学生,他们的学习更多地受到好奇、有趣等因素的支配和左右。因此,物理教学需要激发他们的学习兴趣。观察,尤其是实验观察,真实、形象、生动、新异、可控、可重复,极易唤起学生源于本能的好奇心和诸如探究、操作、理解事物奥秘的欲望,从而激发学生学习物理的兴趣,产生一种积极的学习动机。当然,如果说派生于本能的好奇心和求知欲的兴趣是较初级的直接兴趣的话,那么对实验中疑惑问题的解决和实验现象解释后所获得的成就感,以及由此产生的自我提高需求的满足和对物理学习意义与价值的认识,将进一步激发更深层、更高级的学习兴趣,即源于物理学习本身需要的间接兴趣。

(3)观察和实验是培养科学探究能力的重要过程。在中学物理教学中,观察和实验为丰富学生的感性认识提供了真实、具体、形象的材料,为激发学生的学习积极性创设了生动的学习环境。然而,这些并不是观察和实验,尤其是物理实验在中学物理教学中的全部价值。从近代物理学发展的历史来看,自从伽利略将理性思维与实证方法有机结合并运用于物理学研究之后,科学探究就再没有离开过实验。从这个意义来讲,物理学的本质就是以实验为基础的科学探究;物理学家的研究能力就表现在设计和运用实验进行科学探究的能力上。可见物理实验在科学探究中的地位和价值。然而,以教师为中心、以验证性实验和演示实验为主要形式的传统实验教学,并没有真正发挥物理实验在科学探究中的功能与价值。主要表现在物理实验教学中学生的主体性被严重忽视。在演示实验中,教师设计、操作、讲解实验,学生只是观看和接受实验;在验证性实验中,教师和实验手册把实验目的、实验原理、仪器选择、操作步骤、注意事项罗列得面面俱到,而学生只是按部就班地操作一遍。这种他主的、被动的、机械的实验教学方式背离了物理学是以实验为基础的科学探究的本质,既不利于学生实验技能和科学探究能力的培养,也不利于学生创新思维和实践能力的发展。当前,高中物理课程标准把科学探究和物理实验整合起来放在内容标准的首要位置,就是要揭示物理实验与科学探究不可分割的联系,突出物理实验是科学探究的有效手段和方法,强调通过探究性实验教学来培养学生的科学探究能力;同时也要求我们把以教师为中心、以验证性实验和演示实验为主的传统实验教学观向以学生为中心、关注探究性实验、倡导实验教学多样性的现代实验教学观转变,把探究性实验作为中学物理实验教学的常见的教学形式;要让学生在探究性实验过程中,体验如何从观察和实验中提出问题,如何根据猜想和假设规划实验方案、选择实验仪器和方法,如何进行实验和重视记录数据,并对数据进行分析和论证,得出结论等等,最终达到促进学生科学探究能力发展之目的。

2. 物理教学以物理概念和规律教学为核心

物理概念与规律是中学物理知识体系最为基础也是最为重要的知识主干,是中学物理教学的重要内容。物理概念与规律教学过程是培养学生各种能力的主要途径,也是培养学生情感态度与价值观的载体。因此,物理概念和规律教学在物理教学中具有十分重要的意义。可以说,没有物理概念与规律的教学,就没有物理教学。

(1)物理概念和规律是学生学习物理的主干知识

物理概念和物理规律是中学物理教学的重要组成部分。初中物理主要有“物质”“运动和力”“能量”等主题。在“物质”主题中主要有“物质的形态和变化”“物质的属性”“物质的结构和尺度”“新材料及其应用”等内容;在“运动和力”的主题中主要有“多种多样的运动形式”“机械运动和力”“声和光”“电和磁”等内容;在“能量”主题中有“能量、能量的转化与转移”“机械能”“内能”“电磁能”“能量守恒”“能源和可持续发展”等内容。高中物理主要有力学、热学、光学、电磁学以及原子物理学等内容。虽然在对概念和规律的表述与教学中,初中物理与高中物理有不同的要求,但是物理概念和规律都是它们教学最基本的也是最重要的内容。例如学习力学就要学习一些基本概念,如力、质量、功、能和动量等,也要学习一些基本规律,如牛顿运动定律、动量守恒定律、能的转换与守恒定律等。这些基本的概念与规律正是力学知识的主干。又如学习电磁学要学习一些基本的概念,如电量、电流强度、电阻、电压、电功及电功率等,也要学习一些基本的物理规律,如库仑定律、电阻定律、闭合电路欧姆定律、电磁感应定律、楞次定律,以及麦克斯韦电磁场理论等。这些电磁学的基本概念和规律也正是电磁学的主干。而力学和电磁学的基本概念和基本规律是物理理论学科和应用学科的重要基础。例如,关于物质结构理论、光的波动学说,以及相对论、量子力学、基本粒子理论等,都离不开力学和电磁学的基本概念和规律。从某种意义上讲,力学与电磁学是中学物理的基础,而整个中学物理课程主要就是以基本的物理概念与物理规律为主干所构成的,学会了这些物理概念与规律就容易掌握中学物理的基本结构和内容。(www.xing528.com)

(2)物理概念和规律教学是培养学生思维能力的重要途径

在物理概念与规律教学过程中,需要引导学生通过分析、综合、比较、抽象、概括、分类、归纳、演绎等基本思维活动,形成正确的物理概念和发现物理规律。学生只有通过自己的思维活动,才能真正理解和掌握物理概念和物理规律。因此,不能让学生死记硬背物理概念与物理规律的内容,要将学习物理概念和物理规律与培养思维能力相结合。例如在力的概念教学中,要以学生日常生活经验为基础,让学生通过对物体的推、拉、提、压等物理现象进行观察和实验,经过分析、综合、比较、抽象,概括出“力是物体与物体之间的相互作用”。学生分析物理事物或解决物理问题的思维过程也是物理概念形成与物理规律发现的过程。通过思维能力的培养,学生不仅能加深对概念与规律内涵的理解,还有助于他们掌握概念和规律的外延和应用。在物理教学中,物理概念和物理规律的学习是学生科学思维训练的基础。如果不将物理概念作为分析、综合、判断、推理等逻辑思维的基础,就不可能形成物理规律,也无法清晰地理解物理规律所反映的物理概念之间的相互关系。如在电学中,电流、电压、电阻是三个基本的物理概念。欧姆定律则表述了电流、电压、电阻这三个概念之间的关系。电阻是反映导体材料性质的一个物理量,与材料种类、截面积、长度有关。如果学生在学习这些电学的概念和规律时有自己的思维活动,则有助于学生形成正确的物理观念并领悟物理奥妙。在欧姆定律的变形公式中,就不会出现电阻与电压成正比,与电流成反比的错误理解。

(3)物理概念和规律教学是培养学生科学探究能力的重要过程

中学物理概念和规律虽然是前人经过科学探究并由实践证实的正确的知识,但是对中学生来说,他们形成正确的物理概念和发现物理规律也是一个探索求知的过程。只有以科学探究的方式进行物理概念和物理规律的教学,学生才能在形成正确的物理概念,并在掌握物理规律的过程中,学习并培养起科学探究的能力。科学探究方式虽然是多种多样的,但是它的一般过程是提出问题、猜想和假设、制订计划、设计实验、进行实验、获取事实与证据、运用数学工具推理得出结论,然后经过实验和实践的检验,发展为物理规律和物理理论。学生对物理概念和规律的学习,同样要进行这些科学探究活动。教师要将物理概念与规律的教学,与培养学生物理学探究方法相结合,使物理概念和规律的教学过程更符合学生科学探究的认识规律。例如,对于“通电螺线管外部磁场的方向”“通电导线在磁场中会受到力的作用,力的方向与电流及磁场的方向的关系”“导体在磁场中运动时产生感应电流的条件”等知识,都可以让学生运用实验探究的方式来学习。如牛顿第二定律教学中,教师要引导学生探究物体所获得的加速度和它所受到的力及物体质量之间的关系,让学生通过控制变量法设计实验、进行实验,并适当运用一定的技术和方法处理实验数据,得到牛顿第二定律。总之,在物理概念与规律教学中,教师要将接受教学与探究教学相结合,将学习物理知识与培养科学探究能力相结合,做到既授之予“鱼”,也授之予“渔”。

(4)物理概念与规律教学是培养学生情感态度与价值观的重要载体

物理知识的发现都是与人类的好奇心、求知欲、探究的毅力、实事求是的态度、求真的追求、民主的精神等分不开的。物理学在长期的发展过程中形成和积累了丰富的科学情感态度与价值观因素,这些因素是与物理知识和探究的过程密不可分的。因此,对中学物理教学而言,物理概念与规律的教学也是培养学生科学情感态度与价值观的重要载体。例如,许多物理规律的建立,无一不是物理学家秉持着科学的理性精神,不被事物的表面现象所迷惑,最终通过科学的方法和过程,经过观察、实验与思维相结合追求事物的本质。学生也会受到科学理性精神的熏陶。许多物理概念和规律的教学中的探究问题,会激发学生对物理事物和问题的好奇心,领略到物理现象和事物的美妙;也激发学生的求知欲,产生乐于探索自然和生活中的物理问题的情感;形成概念和探究规律的过程也有助于学生养成坚韧不拔、实事求是、不迷信权威、相信真理的科学态度,树立起民主、平等、宽容的意识;概念和规律的应用能培养学生将物理知识服务于人类的意识及改造社会、实现民族复兴和中国梦的使命感与责任感。总之,物理概念和规律的教学充满着物理学的独特魅力以及物理学的价值观。教师应利用概念和规律的教学,激发学生学习物理的兴趣,让他们在科学探究的活动中,培养科学的情感、科学的态度和科学的价值观。

3.数学方法与物理模型的结合是物理教学的重要手段

物理学是一门精确的定量科学。多数物理概念既有质的规定性(反映客观事物共同的物理属性和本质特征),又有量的规定性(表现为特定的可以测量与可计算的物理量),因而也称之为物理量。而物理规律(包括物理定律、定理、原理、法则、公式等)是物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律,以及在这些变化过程中各物理量之间的函数关系。因此,质的规定与量的表达是物理学的突出特点,数学是物理学量的表达的最有效方法。那么,是什么因素将研究单纯数形关系的数学与研究物质种类繁多、运动错综复杂、相互作用各具特色的物理现象联系起来的呢?这就是“物理模型”。所谓物理模型,就是为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所做的一种简化的描述和模拟,它是以抽象的方法对具体的问题忽略其次要因素,突出主要因素而建立的物理形象。因此,物理模型是物理知识本质特征的形象表征,是定量研究物理学的基础。例如,如果没有“质点”模型,就不能够精确确定运动物体的位置,也就不能确定运动过程的位移,更不能定义速度、加速度等有关描述物体运动的概念和规律的数学表达式。可以说,在物理学中几乎所有表达定量关系的物理概念、规律和理论都是建立在物理模型的基础上的,没有物理模型,就不可能有物理概念和规律的定量描述。物理模型与数学方法的统一是物理学基本的研究方法,也是中学物理教学的重要手段。

从根本上讲,物理概念和规律都是人们对一定物理事物和过程的意义建构,这种意义建构离不开数学的建模。因此,理解物理概念和规律必须以物理模型为基础,以数学方法为工具。离开了这两者,物理学习寸步难行。例如,就“滑动摩擦力”概念而言,由“互相接触的物体”“相对运动”“接触面”“阻碍”等关键词描绘出的“滑动摩擦力”的模型表象,给出了滑动摩擦力产生的条件、作用位置、方向等质的特征的物理模型,而滑动摩擦力公式Ff =μFN就是对滑动摩擦力概念的定量表达。再比如,每当提到“匀变速直线运动”的概念及其规律时,总能在脑海中既简要又形象地勾画出由“质点”“平直”“速度”“均匀变化”等要素构成的模型,而匀变速直线运动的公式则是对这一模型中各物理量之间关系的定量描述。可见,离开了物理模型,物理学就变得繁杂和抽象,而离开数学方法,物理学不能做到简明和精确,两者的结合是形成和理解物理概念和规律不可或缺的手段。因此,在中学物理概念与规律的教学中,有经验的教师很注重通过物理模型的示意图帮助学生建立物理图景,然后引导学生通过对物理模型的分析来建立概念、规律,以及它们的数学公式,力图将概念、规律、模型和数学公式建立实质性的联系,避免学生死记公式,生搬硬套。总之,抽象的数学语言与形象的物理模型的统一是中学物理教学的重要手段。