淺談在物理教學(xué)過程中幫助學(xué)生樹立科學(xué)概念的建議

趙碩

摘 要：如今，部分中學(xué)生認(rèn)為中學(xué)物理所學(xué)的知識(shí)已經(jīng)很多，感覺沒有再學(xué)下去的必要，便對(duì)物理的學(xué)習(xí)喪失了興趣，殊不知他們現(xiàn)階段對(duì)一些科學(xué)概念的理解是不準(zhǔn)確的，有的甚至是錯(cuò)誤的。雖說物理的主干知識(shí)（如：力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)）在中學(xué)物理中都有涉及但是涉及的內(nèi)容并不深，大部分學(xué)生對(duì)一些概念的理解并不是十分準(zhǔn)確。研究物理教學(xué)從物質(zhì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)典物理與近代物理的時(shí)空觀這兩個(gè)方面入手，可以幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀念，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理有重要意義。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)結(jié)構(gòu)；時(shí)空觀；教學(xué)手段

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2017）19-0039-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.19.021

一、引言

（一）現(xiàn)存問題

在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)中，有些學(xué)生感覺自己掌握的物理知識(shí)已經(jīng)足夠多，認(rèn)為物理就是由這些知識(shí)（包括：力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)）構(gòu)成，且在中學(xué)期間都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，也認(rèn)為自己已經(jīng)掌握，便對(duì)物理的學(xué)習(xí)喪失了興趣，甚至還有人認(rèn)為自己已經(jīng)掌握了所有的物理知識(shí)，以后沒有學(xué)習(xí)物理的必要。雖說在中學(xué)物理的課程當(dāng)中，構(gòu)成物理主要內(nèi)容的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)，學(xué)生都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，可是程度并不深，學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的理解也很有限、對(duì)有些概念的理解也并不準(zhǔn)確，這些現(xiàn)象均可說明他們對(duì)物理的了解欠深入，更不能說明他們已經(jīng)掌握了所有的物理知識(shí)。

（二）研究意義

在中學(xué)物理教學(xué)中，通過相關(guān)教學(xué)手段的運(yùn)用，教師幫助學(xué)生樹立科學(xué)的概念來學(xué)習(xí)物理讓學(xué)生自發(fā)的意識(shí)到在中學(xué)期間所學(xué)習(xí)的物理知識(shí)只是“冰山一角”甚至認(rèn)為自己原先的一些時(shí)空觀念是錯(cuò)誤的，是本文的研究意義。

二、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)

（一）中學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解

從中學(xué)化學(xué)的角度來看物質(zhì)結(jié)構(gòu)，如：高中化學(xué)《物質(zhì)與結(jié)構(gòu)》一書，該書主要講原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等。原子結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵，分子結(jié)構(gòu)，晶體的類型和性質(zhì)及其關(guān)系這些知識(shí)與大學(xué)《結(jié)構(gòu)化學(xué)》中的量子力學(xué)基礎(chǔ)，原子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代化學(xué)鍵理論，分子對(duì)稱性，晶體學(xué)理論密切相關(guān)[1]。從此書的內(nèi)容當(dāng)中我們不難發(fā)現(xiàn)從化學(xué)角度出發(fā)研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，它研究物質(zhì)的最小單元就是原子，最大單元也只是晶體！那么比原子更小的物質(zhì)單元還有嗎？比晶體更大的物質(zhì)單元存在嗎？這就是我們物理所要研究的內(nèi)容。

在中學(xué)物理的原子物理部分當(dāng)中，講了兩章關(guān)于原子物理的內(nèi)容。第一章，我們了解到19世紀(jì)末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)到原子是可以分割的，是由更小的微粒組成的。20世紀(jì)初盧瑟福讓我們知道了原子的核式結(jié)構(gòu)，在之后的幾年，我們又發(fā)現(xiàn)氫原子光譜，以及之后波爾理論的提出讓我們知道電子環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有滿足一定條件時(shí)，運(yùn)動(dòng)才是穩(wěn)定的，這個(gè)穩(wěn)定性條件為量子化條件，它告訴我們電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)角動(dòng)量只能取約化普朗克常量的整數(shù)倍，闡明了氫原子模型理論，可是波爾的理論只能適用于氫原子。第二章，我們知道原子核是由質(zhì)子和中子組成的，了解到原子核可以裂變和聚變同時(shí)放出大量能量。從物理和化學(xué)的角度上看，我們中學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解僅此而已。

（二）微觀世界中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

上一節(jié)我們了解到中學(xué)生從中學(xué)物理和化學(xué)的角度上對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)有了一些認(rèn)識(shí)，基于中學(xué)生的心理特征有些同學(xué)感覺自己知道的已經(jīng)很多，而且原子物理是高三最后一本物理書所提到的內(nèi)容，標(biāo)志著中學(xué)物理課程的結(jié)束，這或許更加加深了他們這樣的想法，殊不知這只是萬丈高樓的一部分，他們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如：電子是靠什么作用繞原子核旋轉(zhuǎn)？是不是每種微觀粒子的結(jié)合，都是通過某種相互作用來實(shí)現(xiàn)的？這些相互作用都有什么特點(diǎn)和性質(zhì)？質(zhì)子和中子是不可再分的粒子嗎？還存在哪些微觀粒子？這些粒子是如何分類的等問題都是我們中學(xué)物理沒有向?qū)W生介紹的，是大多部分學(xué)生不了解的，那么如何讓學(xué)生知道他們自己現(xiàn)掌握的知識(shí)只是“冰山一角”，幫助他們樹立科學(xué)的微粒觀具有重要意義。

（三）樹立正確的微粒觀

我認(rèn)為用講授法以及給學(xué)生播放一些相關(guān)視頻，培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)微粒觀，可以讓學(xué)生自己了解到對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)還有哪些需要探索的地方。山西師范大學(xué)梁永平教授提出了物質(zhì)微粒性的四個(gè)要點(diǎn)，分別是物質(zhì)的微粒性要點(diǎn)包括：（1） 物質(zhì)是由肉眼看不見的微粒構(gòu)成的； （2） 微粒總是在不斷地運(yùn)動(dòng)的； （3）微粒間有一定的間隔； （4） 微粒間存在著相互作用。梁永平在《化學(xué)教育》2003 年第 6 期《微粒作用觀的科學(xué)學(xué)習(xí)價(jià)值及其科學(xué)建構(gòu)》一文中，在對(duì)微粒觀內(nèi)容闡述的基礎(chǔ)上提出了微粒作用觀，他認(rèn)為，物質(zhì)的微粒性認(rèn)識(shí)和微觀角度的核心是理解微粒作用觀。其基本要義是： （1） 不同層次的微粒本身是有結(jié)構(gòu)的，微粒結(jié)構(gòu)就是內(nèi)部微粒間作用的結(jié)果；（2） 微粒之間存在著作用；（3） 物質(zhì)變化是“強(qiáng)”作用代替“弱”作用[2]。我認(rèn)為從物理的角度上說，中學(xué)階段微粒作用觀的發(fā)展階梯及理解要點(diǎn)分為了四個(gè)層次，我們要引導(dǎo)學(xué)生從這四個(gè)層次出發(fā)幫助學(xué)生樹立自己的微粒觀。（1）讓學(xué)生知道在熟悉的事物當(dāng)中還存在不熟悉的一面；不熟悉的事物也存在著學(xué)生熟悉的一面。（2）微觀世界的一些特殊性質(zhì)。（3）原子的結(jié)構(gòu)。（4）原子核的了解。這四個(gè)層次體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)由低到高的發(fā)展路徑，也體現(xiàn)了微粒觀水平由低到高的發(fā)展過程。讓學(xué)生樹立好這種觀念，認(rèn)識(shí)到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)是從這四個(gè)層次出發(fā)，不同學(xué)習(xí)階段，對(duì)每一層知識(shí)的介紹和理解不同，所包含的內(nèi)容的深度也不同，從而把這幾個(gè)層次作為對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的框架，建立科學(xué)的微粒觀。

三、時(shí)空觀

（一）經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀和局限性

經(jīng)典力學(xué)總結(jié)了低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它反映了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是兩個(gè)獨(dú)立的觀念，彼此之間沒有聯(lián)系，分別具有絕對(duì)性。絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間與空間的度量與慣性參照系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，同一物體在不同慣性參照系中觀察到的運(yùn)動(dòng)學(xué)量（如坐標(biāo)、速度）可通過伽利略變換而互相聯(lián)系。這就是力學(xué)相對(duì)性原理。但隨著科技的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)有些情況和經(jīng)典物理相所說的理論相矛盾。如：19世紀(jì)末，以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但麥克斯韋方程組在經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學(xué)中的相對(duì)性原理則要求一切物理規(guī)律在伽利略變換下都具有協(xié)變性等事例。人們開始對(duì)經(jīng)典物理產(chǎn)生懷疑。

（二）狹義相對(duì)論的引入及它的時(shí)空觀

為了克服經(jīng)典物理學(xué)無法解釋某些物理現(xiàn)象的困難，愛因斯坦提出了兩條基本假設(shè)：（1）相對(duì)性原理。（2）真空光速恒定。基于這兩條假設(shè)，愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論的時(shí)空觀認(rèn)為：空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體，并不存在絕對(duì)的空間和時(shí)間。在狹義相對(duì)論中，整個(gè)時(shí)空仍然是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的，這是一種對(duì)應(yīng)于“全局慣性系”的理想狀況。狹義相對(duì)論將真空中光速為常數(shù)作為基本假設(shè)，結(jié)合狹義相對(duì)性原理和上述時(shí)空的性質(zhì)可以推出洛侖茲變換。

（三）樹立正確的時(shí)空觀

我們不難發(fā)現(xiàn)上述兩種時(shí)空觀是不同的，相對(duì)論起初只是為了解釋經(jīng)典物理當(dāng)時(shí)不能解決的問題而提出的，可是在之后幾年的發(fā)展中，相對(duì)論卻從根本上否定了經(jīng)典物理。如 ：它認(rèn)為經(jīng)典物理時(shí)空觀是錯(cuò)誤的。經(jīng)典物理只是相對(duì)論在宏觀低速的情況下的“特殊形式”，進(jìn)而又提出了一些有趣的思想和實(shí)驗(yàn)。那么如何讓學(xué)生自發(fā)地意識(shí)到自己所掌握的知識(shí)還很有限，甚至是錯(cuò)誤的是我們這節(jié)討論的重點(diǎn)。中學(xué)生主要是學(xué)習(xí)經(jīng)典物理的時(shí)空觀上建立起來的物理概念以及概念之間所構(gòu)成的物理關(guān)系。那么概念的樹立是學(xué)好物理的關(guān)鍵所在，所以我們教育工作者要從科學(xué)概念樹立的角度入手來做工作并做到以下幾點(diǎn)（1）由于中學(xué)物理主要以經(jīng)典物理為主要內(nèi)容，且書本對(duì)相對(duì)論的介紹也有限，所以大部分學(xué)生對(duì)于它并不是很了解，首要我們要教授給學(xué)生相對(duì)論時(shí)空觀，讓他們有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)并產(chǎn)生好奇心理。（2）為了拓展他們的思維，我們要在相對(duì)論時(shí)空觀的基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生以前熟悉的部分物理概念進(jìn)行修正。（3）利用“引導(dǎo)—發(fā)現(xiàn)”式教學(xué)，讓學(xué)生利用相對(duì)論的時(shí)空觀來理解以前學(xué)過的物理概念他們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，并把一些相對(duì)論的典型實(shí)驗(yàn)和結(jié)果告知學(xué)生或給學(xué)生看相關(guān)的科普視頻幫助他們認(rèn)識(shí)相對(duì)論。（4）好奇的學(xué)生會(huì)對(duì)剛才的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生疑問并向老師詢問，這時(shí)我們老師要用學(xué)生能理解的知識(shí)向?qū)W生解釋學(xué)生的疑問，并保留些“神秘色彩”。遵循這四點(diǎn)要求從而達(dá)到讓學(xué)生樹立科學(xué)的時(shí)空觀且還可以讓學(xué)生自發(fā)地意識(shí)到知識(shí)還有很多拓展的空間。

四、結(jié)語

樹立科學(xué)的概念在中學(xué)物理教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，引導(dǎo)學(xué)生從根本上了解曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的物理知識(shí)，建立起新知識(shí)與舊知識(shí)，新觀念與舊觀念的橋梁，幫助他們樹立科學(xué)觀念是我們教育工作者要重視的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周志波，吳革.中學(xué)化學(xué)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教學(xué)設(shè)計(jì)的分析[J].廣州化工，2014（1）：164-166.

[2] 張偉.《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教學(xué)中學(xué)生微粒觀的培養(yǎng)研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2014.