中學物理到大學物理的過渡教學研究

趙亞運 李方犁

(廣東理工學院工業自動化系 廣東 肇慶 526100)

1 引言

大學物理作為高校理工科各專業開設的重要必修基礎課，在培養學生思維發散性等多方面具有重大的教學意義[1].但通過調查發現，大部分學生(80%以上)認為大學物理是最難的學科之一，其難度甚至超過很多專業課.大學物理通常用兩個學期完成——大一下學期和大二上學期，在中學到大學的這個過渡中，大學物理成了很多學生學習的難點；對于中學生而言，學習的模式是從早自習，然后是各科目的交替學習到最后的晚自習，學習安排得很滿；大部分學生在中學階段學習物理的方法是教師講完知識點后，做習題冊中大量的練習題目，所有目的只為高考拿高分，有時甚至會出現即便題目不太懂，但能憑借題海練習的肌肉記憶從而直接作答的情況；學生的學習在教師的進度安排下比較機械固定，沒有自己太多能個人思考的時間和空間.在面臨高考壓力的情況下，大部分學生的神經也處于高度緊繃的狀態.進入大學后因為個人原因——環境變化和心態的變化等，教師的原因——教師教學風格和對學生關注度、內容方法的原因等[2]，導致大一新生很難完成順利的過渡從而學好大學物理.因此，本文將通過自身教學經驗結合實例講說從力學、熱學、光學和電磁學的重要知識點來研究中學物理到大學物理的過渡教學，其物理教材依據主要采用粵教版的中學物理和大學物理教材.

2 過渡教學研究

中學物理的主要知識包括力學、熱學、電磁學、光學和原子物理學五大部分，教材將這些知識分為必修一、必修二和選修3-1到3-5；而大學物理作為理工類的必修基礎學科，各學院要求略有不同，但總課時都在72學時左右.然而，要在這么少的課時情況下全部講完力學篇、熱學篇、電磁學篇、光學篇和量子論5部分共17大章102小節(大學物理第五版)是不可能的，因此，大學物理的教學任務主要放在前面四篇的重點章節，下面將具體對這些重要章節的過渡教學進行研究.

2.1 力學篇

大學物理與中學物理相比更強調矢量性、邏輯性和思維的發散性，比起中學物理計算常用的加減乘除，大學物理在計算方面偏重于微積分的應用.兩者力學部分的內容比較相似，但也有明顯區別，為完成學生在物理學習上的順利過渡，需要能很好地找到兩者的聯系和區別，才能更便于學生理解學習.如矢量的描述，中學物理與大學物理的表述有所不同；中學物理所說的慣性是物體固有屬性，不存在慣性力的說法，但在大學物理非慣性參考系下會引入“慣性力”從而滿足牛頓第二定律來處理該系下的動力學問題；中學物理的運動和力到大學物理課程中則為質點運動學和動力學，甚至很多大學物理題目可以用中學物理知識快速解答.

【例1】如圖1所示，A，B 兩物體由一長為l的剛性細桿相連，A，B 兩物體可在光滑軌道上滑行．如物體A以恒定的速率v向左滑行, 求夾角為α時B球速率.

若用大學物理的方法求解，先建立坐標系xOy和運動方程，根據勾股定理求導即可；而用中學物理的速度分解合成就更簡單，根據B沿桿方向的分速度與A沿桿方向的分速度相等即可解題[3].

圖1 例1題圖

【例2】如圖2所示，長為l的輕繩，一端系質量為m的小球，另一端系于定點O.開始時小球處于最低位置.若使小球獲得如圖所示的初速v0，小球將在豎直平面內做圓周運動.求小球在任意位置的速率v及繩的張力T.

圖2 例2題圖

常規方法是建立自然坐標系，然后用動力學方法通過微積分計算，而如果用中學物理的機械能守恒也可以快速求解.

對于剛體力學部分，要完成該部分的順利過渡可以對比力和力矩的概念，力是改變物體運動狀態的原因，而力矩是改變物體轉動狀態的原因.首先要通過質點的運動到質點系的運動，然后到剛體的轉動，最后利用平動和轉動各物理量的對應，如力F對應轉動的力矩M，m對應轉動慣量J，加速度a對應角加速度α，動量P對應角動量L等，可用類比的方法證明剛體轉動里的所有公式，從而讓學生更好地完成這個過渡.

2.2 熱學篇

大學物理的熱學部分主要是氣體動理論和熱力學基礎，所研究的對象以氣體為主，因此，要較好地完成從中學物理的過渡，可以從中學固體的晶體和非晶體、各向同性和異性為起點，然后到液體(固體和氣體的中間態)特點的介紹，最后是氣體.從中學的氣體實驗定律——玻意耳定律、查理定律和蓋·呂薩克定律可知對于一定質量的理想氣體，當體積一定時，壓強p與溫度T成正比;當壓強一定時，體積V與T成正比，當溫度一定時，p與V成反比[4]，通過這3個定律可得出大學物理的理想氣體狀態方程pV=νRT(ν是物質的量).后面還可以結合氣體與液體的特點，講一些日常熟悉的空氣濕度和飽和度等，如此便可溫故知新，引起學生的興趣，也能收到比較好的教學效果.

對于熱力學基礎部分與中學的內容很類似，只是大學物理在中學純理論的基礎上加入體積功、等值過程應用和摩爾熱容等計算部分.因此，可以結合中學部分知識和前面的氣體動理論，從熱力學第零定律、內能改變的兩種方式到熱力學第一定律，最后過渡到熱力學第二定律，其中摻雜其他細節知識點便可更好地掌握該部分知識.

2.3 光學篇

光是電磁波，具有波粒二象性，中學物理的光學主要講光學的粒子性，如光的直線傳播、反射和折射，以及純理論的光的波動性(即對光的干涉和衍射概念的一些簡單的理解)和對光的偏振的了解.而這些也都是大學物理光學主要研究的知識點，只不過大學研究的更加深入，偏重于數據的分析計算說明，如干涉條紋間距，明暗條紋分布特點，單縫衍射和衍射光柵的特點.

因此在這部分的教學可以以太陽的光是如何產生這個問題為由來，介紹恒星與行星的區別為鋪墊引起學生的興趣，從而講光的特點.首先要結合前面機械波的衍射和疊加原理來理解光具有同樣的特點，然后到具體計算楊氏雙縫干涉不同級明暗條紋位置以及相鄰明暗紋間距，最后從前面波程、相干波類比引出光程、相干光的一些概念，理解半波損失的條件和特點，從而會計算薄膜、劈尖干涉和牛頓環等問題.

衍射部分可以從費馬原理計算證明光的反射和折射特點著手[5]，同樣以惠更斯原理的理解為基礎來證明它，這樣用粒子性和波動性兩種方法來證明可以加深學生對光的理解，也會產生更多的好奇驅使學生更多的學習動力.單縫夫瑯和費衍射可以從雙縫干涉為基礎采用半波帶法便于學生的理解和掌握，而衍射光柵的條紋則是單縫衍射和多縫干涉疊加的結果，將每個縫看作一個光矢量，不同衍射傾角對應的光波在屏上疊加的效果不同，從而產生主極大明條紋、次級大明紋、暗紋和缺級現象，通過計算即可得到具體分布情況.

對于光的偏振則要從波的分類說起，根據波在振動方向與傳播方向關系的分類，引出光是橫波的事實，也是光具有偏振的原因[6]，結合日常生活看3D電影時3D眼鏡鏡片對于光偏振的應用，可以吸引學生的注意力，從而更加便于后面知識的理解掌握.

2.4 電磁學篇

進而到電勢差.這樣捋清楚邏輯，對比區分可以便于知識點的過渡，讓學生更好地理解掌握.

磁的本質是電，所以可以用電作為類比來理解磁場部分的知識，正如同麥克斯韋在研究電磁時類比流體力學，從流量到通量最終完成電磁的統一[7].相對于電場部分大學物理增加了高斯定理，而磁場部分則增加了安培環路定理求磁場強度，并對安培力和洛倫茲力進行了具體的分析和計算.

在電磁感應部分中學和大學物理的內容也都是從電磁感應現象、電磁感應定律到最后自感互感的理解，只是大學物理更強調概念理解后的具體計算.為完成該章節知識平穩的過渡可以從實驗現象揭示電磁感應定律，結合中學物理再次理解楞次定律并用于判斷感應電流的方向；然后從電源的電動勢結合電動勢產生的原因來具體理解和計算動生電動勢和感生電動勢；相對于一些純理論純計算的物理知識，與日常生活相關的物理才是最吸引學生的部分，因此，最后渦電流、趨附效應可以結合電磁爐、變壓器和金屬淬火實例來講說.

3 總結

大學物理作為理工類的必修基礎課不可或缺，但在中學到大學的各種轉變下，在因高考錄取等近于一個學期時間的荒廢下，大部分學生很難在撿起中學物理的基礎上很好地學習大學物理，甚至碰到新的、難一點的知識就自暴自棄.因此，本文基于中學物理與大學物理重要知識點之間的異同點，從力學、熱學、電磁學和光學部分結合自身教學經驗及實例解說研究了該過渡教學研究；溫故知新、邏輯分明和由淺及深地實施該過渡教學，便于學生更加輕松地完成從中學到大學物理的順暢銜接，也能為教師教學提供一些參考.