高中物理教材蘊(yùn)含的物理思想及其應(yīng)用

[摘 要]物理思想方法和物理知識(shí)是物理學(xué)科素養(yǎng)的兩個(gè)方面，大物理教育觀認(rèn)為物理教學(xué)不僅僅是物理知識(shí)的教學(xué)，更是深層次的物理思想方法的教育。文章列舉了12種常見(jiàn)物理思想，并簡(jiǎn)述這些思想在高中物理及日常生活中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]物理教材;物理思想;建模思想;守恒思想;對(duì)稱(chēng)思想;等效思想

[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2022）14-0048-03

思想是客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)果，物理思想方法和物理知識(shí)是物理學(xué)科素養(yǎng)的兩個(gè)方面，它們?cè)趦?nèi)容和形成源流上有一定的關(guān)聯(lián)，物理知識(shí)的建立，離不開(kāi)物理思想方法的規(guī)范使用，物理思想方法的形成是以一定的物理知識(shí)為基礎(chǔ)的。物理思想方法是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容，它和物理知識(shí)同等重要且處于最有價(jià)值的地位。

物理思想和方法為物理教學(xué)提供了廣闊的空間，為了更好地把握這些物理思想和方法，筆者以新人教版高中物理教材為藍(lán)本，挖掘其中蘊(yùn)含的物理思想并簡(jiǎn)述其應(yīng)用。

一、建模思想

我們?cè)谘芯靠陀^存在問(wèn)題的時(shí)候，舍棄次要因素，抓住主要因素，透過(guò)問(wèn)題的表象澄清事物的本質(zhì)，構(gòu)建理想化的模型處理和解決實(shí)際問(wèn)題，這種思維體系的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是建模思想。

物理學(xué)發(fā)展史就是建模史，高中物理教材蘊(yùn)含的在建模思想指導(dǎo)下構(gòu)建的物理模型有：（1）理想化模型（包括質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、電流元、黑體、光子等）;（2）實(shí)物模型（包括滑塊、小球、長(zhǎng)木板、斜面、輕桿、輕繩、輕彈簧、圓弧槽、滑輪、傳送帶等）;（3） 狀態(tài)模型（包括靜止?fàn)顟B(tài)、平衡狀態(tài)、臨界狀態(tài)等）;（4）過(guò)程模型（包括自由落體運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、渡河模型、拋體運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、碰撞、理想氣體狀態(tài)變化等）;（5）功能模型（包括通電螺線管相當(dāng)于條形磁體、安培分子電流假說(shuō)中的分子電流相當(dāng)于小磁體）;（6）原子結(jié)構(gòu)模型（包括湯姆孫“棗糕”原子模型、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾氫原子模型等）;（7）場(chǎng)模型（包括重力場(chǎng)、靜電場(chǎng)、勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、等效重力場(chǎng)等）。

在日常生活中，把相同性質(zhì)的問(wèn)題進(jìn)行提升歸類(lèi)，找到解決此類(lèi)問(wèn)題的最佳方法，此過(guò)程就是建模，解決此類(lèi)問(wèn)題的方式就是建模思想的應(yīng)用。

二、守恒思想

自然界的各種事物都在發(fā)展變化，在這些變化的背后往往有一個(gè)恒定不變的東西在無(wú)形地支配著它，這種恒定不變的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是守恒思想。守恒思想就是要在事物變化的表象中尋求守恒、抓住守恒、運(yùn)用守恒，揭露事物變化的本質(zhì)背后的本質(zhì)。物理學(xué)中的守恒指的是事物在變化過(guò)程或物質(zhì)在轉(zhuǎn)化遷移過(guò)程中某一物理量或狀態(tài)在數(shù)量、性質(zhì)上保持不變。

高中物理教材中蘊(yùn)含的守恒思想主要體現(xiàn)為：（1） 能量守恒;（2） 電荷守恒;（3） 動(dòng)量守恒;（4） 質(zhì)量數(shù)守恒。

生活哲理“付出才有回報(bào)”“坐吃山空”“多勞多得”“愛(ài)拼才會(huì)贏”等就是守恒思想在日常生活中的應(yīng)用，楞次定律就是能量守恒在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的應(yīng)用。

三、對(duì)稱(chēng)思想

人的美學(xué)是從欣賞人的體形開(kāi)始的，人體是一個(gè)對(duì)稱(chēng)體，所以對(duì)稱(chēng)也是一種美。在研究物理問(wèn)題中有一些物理過(guò)程或物理圖形具有對(duì)稱(chēng)性，這種對(duì)稱(chēng)的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是對(duì)稱(chēng)思想。

高中物理教材蘊(yùn)含的對(duì)稱(chēng)思想主要體現(xiàn)為：超重與失重，動(dòng)能與動(dòng)量，動(dòng)能定理與動(dòng)量定理;奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁，法拉第根據(jù)對(duì)稱(chēng)思想認(rèn)為磁一定能生電，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的發(fā)明;麥克斯韋提出“變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)”的設(shè)想，最終導(dǎo)致電磁波的發(fā)現(xiàn);德布羅意提出物質(zhì)波理論;機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波圖形的對(duì)稱(chēng)，等等。

四、等效思想

在自然界中，我們研究一些復(fù)雜物理現(xiàn)象的作用效果時(shí)，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，常用一個(gè)物理量替代其他物理量，但在替代過(guò)程中效果相同，這種處理問(wèn)題方法的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是等效思想。

等效思想的基本特征是等效，高中物理教材中蘊(yùn)含的等效思想主要體現(xiàn)為：（1）單個(gè)矢量的合成與分解;（2）運(yùn)動(dòng)的合成與分解;（3）等效替代，如勻變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度替代瞬時(shí)速度，總電阻替代串并聯(lián)電路電阻，等效電源，交流電的有效值，等效重力場(chǎng)，等等;（4）等效轉(zhuǎn)換，如微觀的電荷轉(zhuǎn)換為通過(guò)驗(yàn)電器的錫箔片的開(kāi)合來(lái)判斷是否帶電等。

應(yīng)用：在保證效果相同的前提下，將復(fù)雜的電場(chǎng)情景變換為簡(jiǎn)單或熟悉的情景。

五、轉(zhuǎn)化思想

在解決物理問(wèn)題的過(guò)程中，可以將某一物理問(wèn)題通過(guò)一定的方法或途徑轉(zhuǎn)化為我們熟悉的另一個(gè)物理問(wèn)題來(lái)解決，這一解決問(wèn)題的思維客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是轉(zhuǎn)化思想。轉(zhuǎn)化思想的特征就是將陌生轉(zhuǎn)化為熟悉，將未知轉(zhuǎn)化為已知，將繁雜轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)易，從而達(dá)到降低思維難度、減少計(jì)算量的目的。

高中物理教材中蘊(yùn)含的轉(zhuǎn)化思想主要有：（1）能量之間的轉(zhuǎn)化，如通過(guò)某種力做功實(shí)現(xiàn)一種能量轉(zhuǎn)化為另一種能量;（2）質(zhì)能之間的轉(zhuǎn)化，如重核裂變和輕核聚變都有質(zhì)量虧損，就實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量與能量之間的轉(zhuǎn)化;（3）化無(wú)形為有形，如用電場(chǎng)線與磁感線顯示電場(chǎng)和磁場(chǎng)等;（4）晶體與非晶體之間的轉(zhuǎn)化，如一定條件下有些晶體與非晶體可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化;（5）電場(chǎng)與磁場(chǎng)間的轉(zhuǎn)化;（6）化曲為直;（7）物理量的顯示轉(zhuǎn)化，如各種傳感器就是物理量轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物等。

應(yīng)用：馬路上司機(jī)手機(jī)信息的密集程度經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)化為塞車(chē)信號(hào)等。

六、整體與隔離思想

整體思想是指人們?cè)谔幚肀容^復(fù)雜的物理問(wèn)題時(shí)把握好多個(gè)物理過(guò)程或物理量之間的關(guān)聯(lián)，從問(wèn)題的整體性質(zhì)出發(fā)，著眼全局，把握系統(tǒng)和過(guò)程的整體特征以及總體走向的思想方法;隔離思想就是把物理問(wèn)題中的單個(gè)物體或單個(gè)過(guò)程從相關(guān)的物體系中隔離出來(lái)，作為研究對(duì)象，進(jìn)行分析、研究的方法，這些解決問(wèn)題方法的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是整體與隔離思想。兩種思想認(rèn)識(shí)的角度不同，整體思想是從大局出發(fā)，宏觀上揭示事物的本質(zhì)和規(guī)律;隔離思想是從局部出發(fā)，通過(guò)各個(gè)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)來(lái)聯(lián)系，從而揭示事物的內(nèi)在規(guī)律。

高中物理教材中蘊(yùn)含的整體與隔離思想主要體現(xiàn)為：（1）力學(xué)中的整體求加速度，隔離求內(nèi)力;（2）電學(xué)中的整體與隔離;（3）熱學(xué)中整體求內(nèi)能變化，隔離求變化原因;（4）機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波中整體展示波形圖，隔離求波的相關(guān)物理量;（5）原子物理中整體展示原子核式結(jié)構(gòu)，隔離展示原子躍遷、光譜等，整體顯示核能，隔離求核力、結(jié)合能等。

應(yīng)用：班級(jí)管理中整體法構(gòu)建班規(guī)，隔離法獎(jiǎng)罰個(gè)體學(xué)生等。

七、微元累加思想

在處理一些變化的物理問(wèn)題時(shí)把物理量無(wú)限細(xì)分，分割成無(wú)限小，然后對(duì)所有局部求和，從而達(dá)到解決問(wèn)題的目的，這種把變化的物理量轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算的恒量的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是微元累加思想，這種思想的關(guān)鍵是先微元后累加。

高中物理教材中蘊(yùn)含的微元累加思想主要體現(xiàn)為：勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式的推導(dǎo)，彈力做功與彈性勢(shì)能，變力做功的計(jì)算，氣體膨脹對(duì)外做功，等等。

應(yīng)用：求運(yùn)動(dòng)員拖著汽車(chē)輪胎繞操場(chǎng)勻速繞行一周所做的功;“曹沖稱(chēng)象”。

八、類(lèi)比思想

根據(jù)兩個(gè)（類(lèi)）具有某些相同或相似特征的事物的對(duì)比，從某一事物的某些已知特征推測(cè)另一事物的相應(yīng)特征，這種思維的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是類(lèi)比思想。類(lèi)比思想是在兩個(gè)特殊事物之間進(jìn)行分析比較，它不需要對(duì)大量特殊事物進(jìn)行分析研究。類(lèi)比思想是連接新舊知識(shí)的紐帶，是猜想的前提，是發(fā)現(xiàn)的前兆，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力和創(chuàng)新能力的有力工具。

高中物理教材中蘊(yùn)含的類(lèi)比思想主要體現(xiàn)為：（1）場(chǎng)物質(zhì)類(lèi)比;（2）運(yùn)動(dòng)形式類(lèi)比，如平拋運(yùn)動(dòng)與類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng);（3）定律類(lèi)比，如萬(wàn)有引力定律與庫(kù)侖定律，機(jī)械能守恒定律與只有電場(chǎng)力做功電勢(shì)能和動(dòng)能之和守恒;（4）做功類(lèi)比，如重力做功與重力勢(shì)能的變化，彈力做功與彈性勢(shì)能的變化，電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能的變化，分子力做功與分子勢(shì)能的變化;（5）形態(tài)性質(zhì)類(lèi)比，如電流與水流，電容器與水容器，電量與水量，電勢(shì)差與高度差，螺線管與條形磁鐵;（6）微觀宏觀類(lèi)比，如波爾的原子模型中的躍遷與飛船繞行變軌，氣體壓強(qiáng)與雨滴打擊傘面，等等。

應(yīng)用：學(xué)生管理中的性格類(lèi)比，同層次班級(jí)管理中的班風(fēng)建設(shè)類(lèi)比，單位管理中的人員類(lèi)型類(lèi)比，等等。

九、極限思想

人們?cè)诮鉀Q一些連續(xù)變化的物理問(wèn)題時(shí)，著眼變化過(guò)程中的變化趨勢(shì)及一般規(guī)律，忽略過(guò)程將問(wèn)題推向極端狀態(tài)，得出結(jié)果。這種對(duì)問(wèn)題的分析和推理方法的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是極限思想。

極限思想揭示了恒量與變量、有限與無(wú)限、已知與未知的對(duì)立統(tǒng)一。借助極限思想，人們可以從有限認(rèn)識(shí)無(wú)限，從“恒”認(rèn)識(shí)“變”，從已知到未知，從直線認(rèn)識(shí)曲線，從量變認(rèn)識(shí)質(zhì)變，從近似認(rèn)識(shí)精確。

高中物理教材中蘊(yùn)含的極限思想主要體現(xiàn)為：（1）概念的建立，如平均速度與瞬時(shí)速度、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)、平均功率與瞬時(shí)功率等;（2）公式推導(dǎo)的應(yīng)用，如勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式、向心加速度、彈性勢(shì)能等;（3）場(chǎng)力做功，如重力做功、電場(chǎng)力做功等;（4）物理實(shí)驗(yàn)，如伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究、光電門(mén)測(cè)瞬時(shí)速度、利用光的反射實(shí)驗(yàn)理解全反射等。

應(yīng)用：物理中的臨界問(wèn)題;學(xué)生勤思考與懶惰的結(jié)果預(yù)判;班級(jí)嚴(yán)管與不管情況下，班風(fēng)建設(shè)問(wèn)題;自然界極端天氣的成因;疫情嚴(yán)控與不控之結(jié)果;等等。

十、控制變量思想

自然界中萬(wàn)事萬(wàn)物都在不停地發(fā)生各種變化，而且每種變化都是相互聯(lián)系、相互作用的。決定一種變化產(chǎn)生的因素太多，為了弄清問(wèn)題變化的原因和規(guī)律，常常采用把其中的一個(gè)或幾個(gè)物理量人為地控制起來(lái)，使它保持不變，然后再研究改變的兩個(gè)物理量之間的關(guān)系及對(duì)事物的影響，最后綜合解決問(wèn)題。這種研究問(wèn)題方法的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是控制變量思想。

高中物理教材中蘊(yùn)含的控制變量思想主要體現(xiàn)為：（1）探究力學(xué)物理量，如力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系、理想斜面實(shí)驗(yàn)、影響摩擦力大小因素、合外力做功與動(dòng)能變化關(guān)系等;（2）探究電學(xué)物理量，如驗(yàn)證歐姆定律、電阻的電流與其兩端電壓的關(guān)系、影響電阻大小的因素等;（3）探究磁學(xué)物理量，如影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的受力方向等;（4）探究熱學(xué)物理量，如氣體體積、壓強(qiáng)、溫度三者關(guān)系等。

應(yīng)用：班級(jí)管理中學(xué)生、家長(zhǎng)、教師的關(guān)系等。

十一、相對(duì)性思想

在科學(xué)研究上，任何事物都在多方面因素共同作用下不停地發(fā)生演變，研究演變的事物時(shí)先要選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也在不停變化，這使得研究的事物呈相對(duì)性，這種在相對(duì)變化中研究問(wèn)題的方法的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是相對(duì)性思想。相對(duì)性與絕對(duì)性對(duì)立統(tǒng)一，相對(duì)性是有條件的、受制約的、特殊的、可以改變的，而絕對(duì)是無(wú)條件的、永恒的、無(wú)限的、普遍的。

高中物理教材中蘊(yùn)含的相對(duì)性思想主要體現(xiàn)為：（1）速度的相對(duì)性：參考系不同，速度不同;（2）位移的相對(duì)性，如運(yùn)動(dòng)物體系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量、電磁感應(yīng)中電荷量的計(jì)算等;（3）公式定律適用條件的相對(duì)性，如經(jīng)典力學(xué)理論適用于宏觀低速，而量子理論適用于微觀高速等;（4）相對(duì)中的絕對(duì)，如光學(xué)中的光速、熱學(xué)中的絕對(duì)零度等;（5）濕度的相對(duì)性;（6）相對(duì)論，狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。

應(yīng)用：同一年級(jí)學(xué)生成績(jī)的統(tǒng)計(jì)分析。

十二、微觀統(tǒng)計(jì)思想

現(xiàn)實(shí)生活中許多物理現(xiàn)象都是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，一個(gè)或少數(shù)粒子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)律的，但大量粒子的運(yùn)動(dòng)卻能表現(xiàn)出一定的特性。科學(xué)家在解釋這些物理現(xiàn)象時(shí)先選取含大量微觀粒子的樣本分析研究統(tǒng)計(jì)其性質(zhì)，從而推測(cè)相應(yīng)總體的性質(zhì)，其實(shí)質(zhì)就是用樣本估計(jì)整體，這種研究問(wèn)題的方法的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的思想就是微觀統(tǒng)計(jì)思想。

高中物理教材中蘊(yùn)含的微觀統(tǒng)計(jì)思想主要體現(xiàn)為：（1）分子的運(yùn)動(dòng);（2）電子的運(yùn)動(dòng);（3）干涉與衍射紋樣的形成;（4）半衰期、核能的產(chǎn)生等。

應(yīng)用：高考考前的試測(cè)，疫苗使用前的抽樣評(píng)估，高考改革的試點(diǎn)，等等。

筆者在教學(xué)中堅(jiān)持滲透物理思想和方法，幫助學(xué)生站在更高的層面理解物理概念和規(guī)律，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。許多年以后，學(xué)生的物理知識(shí)可能會(huì)遺忘，但物理思想一定會(huì)對(duì)他們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)然，本文所述物理思想畢竟有限，高中物理教材中蘊(yùn)含的物理思想還有許多，筆者在這里僅起一個(gè)拋磚引玉的作用，期望大家繼續(xù)挖掘，給予物理思想更多的關(guān)注和研究，并滲透到物理教學(xué)中，促進(jìn)大物理教育觀的實(shí)現(xiàn)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

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[4]? 單文忠.建模教學(xué)與另類(lèi)物理模型的構(gòu)建[J].物理教學(xué)， 2010（7）：20-22.

（責(zé)任編輯 易志毅）