中學(xué)物理思維的培養(yǎng)在大學(xué)物理教學(xué)中的重要性

馮炎堯 陳均朗 汪小剛

【摘要】物理課程的教學(xué)從初中到高中再到大學(xué)是環(huán)環(huán)相扣的，每個(gè)階段的學(xué)習(xí)都會(huì)對(duì)后繼階段產(chǎn)生重要影響，學(xué)生在中學(xué)應(yīng)建立良好的物理思維方式，為大學(xué)物理的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。中學(xué)物理思維主要體現(xiàn)在矢量和量綱兩個(gè)方面，而大學(xué)物理則需要結(jié)合微積分的運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】物理思維 矢量 量綱

【課題項(xiàng)目】浙江農(nóng)林大學(xué)2017年度校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目：新高考模式下大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的銜接，編號(hào)：JGZD17002。

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）37-0138-01

物理學(xué)研究的是物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，是其它各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。在初中，物理并沒有作為一門課程，而是科學(xué)教育的一部分，只是對(duì)特殊物理現(xiàn)象的初步解釋和一般應(yīng)用，往往以定性研究為主；到了高中，物理成為一門獨(dú)立的課程，隨著年段的升高，對(duì)物理教學(xué)的要求也深入了很多。加上數(shù)學(xué)能力的提高，物理教學(xué)從定性研究為主過渡到定量研究為主。大學(xué)物理則是高中物理的再一次提升。由于微積分和矢量代數(shù)的應(yīng)用，主要研究變量物理。這三個(gè)階段的物理教學(xué)，環(huán)環(huán)相扣，難度深度逐漸增加，缺了任一環(huán)節(jié)都不能很好地掌握整個(gè)物理課程，勢(shì)必會(huì)影響后一階段的物理學(xué)習(xí)。

與此同時(shí)，高考進(jìn)行了深度改革，物理教學(xué)也發(fā)生了重大改變。浙江省作為試點(diǎn)，自2017年始，高考采取了3+3模式，即除了語文、數(shù)學(xué)、英語外，再在物理、化學(xué)、技術(shù)、政治、歷史、地理和生物七門課程中選考三門，直接的后果就是學(xué)生如果沒有選擇物理作為高考科目的話，他的中學(xué)物理基礎(chǔ)肯定會(huì)明顯削弱。與高考模式變革相對(duì)應(yīng)的是中學(xué)物理課程的教學(xué)大綱和考試大綱也發(fā)生了很大的變化。很多在九十年代的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容在最新的大綱中都變成選修或者選考內(nèi)容，如振動(dòng)、波動(dòng)，動(dòng)量守恒等，學(xué)生往往會(huì)放棄這些內(nèi)容?？梢?，中學(xué)生的物理知識(shí)體系的全面性在下降。

大學(xué)物理是一門面向非物理專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課程，向理工科專業(yè)學(xué)生介紹物理學(xué)的基本理論和研究方法，為后續(xù)的技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課奠定必要的物理基礎(chǔ)。但是由于高考的改革加上自身課程的性質(zhì)，近年來教學(xué)效果非常不理想，從期末成績來看，呈現(xiàn)出兩大趨勢(shì)：一是及格率逐年降低；二是分?jǐn)?shù)差距不斷增大。從卷面答題情況來看，主要反映出學(xué)生缺乏基本的物理思維，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

一、矢量概念不清，或者說缺少矢量的意識(shí)和思維方式

矢量是物理學(xué)中最重要的一個(gè)工具，從初中階段開始就著重強(qiáng)調(diào)，如力的圖示和力的示意圖就強(qiáng)調(diào)力作為矢量包括大小和方向應(yīng)該如何表達(dá)，具體如重力，拉力，壓力等等。在高中階段如力的分解與合成，平行四邊形法則（三角形法則）和正交分解法則。在教材中，矢量用黑體字表示 ，如力F。我們?cè)跁鴮懼袆t在字母上方加單向箭頭表示，如。但是學(xué)生往往沒有矢量的習(xí)慣，很少會(huì)加上單向箭頭。更重要的學(xué)生不會(huì)運(yùn)用矢量的合成與分解法則，往往跟處理標(biāo)量一樣，直接相加減。如連續(xù)帶電體的電場分布計(jì)算公式，=？蘩r。很多同學(xué)忽視單位矢量r的存在，直接當(dāng)標(biāo)量進(jìn)行積分，這種方法顯然是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，帶電體上各點(diǎn)到場點(diǎn)的方向往往是不一致的，不能直接積分。正確的步驟是：首先寫出帶電體微元dq在給定場點(diǎn)產(chǎn)生的電場dE=，然后對(duì)dE正交分解，再對(duì)分解后的各分量進(jìn)行積分，才能得到正確的結(jié)果。

二、量綱（單位）的思維習(xí)慣

除了無量綱的量（也就是沒有單位的量，這類物理量往往是兩個(gè)物理意義相同的量相除，如相對(duì)電容率，相對(duì)磁導(dǎo)率等），每一個(gè)物理量都有自己的量綱和單位。量綱有三個(gè)基本作用：（1）可定出同一物理量不同單位間的換算關(guān)系；（2）檢驗(yàn)文字和字母描述的正誤；（3）從量綱分析中定出方程中比例系數(shù)的量綱和單位。對(duì)學(xué)生來說，最重要的是第2個(gè)作用，檢驗(yàn)代數(shù)式的正誤，因?yàn)椴煌牧烤V代表不同的物理意義，不同的物理量之間，不能夠相加減，只能乘除。學(xué)生可以用量綱檢查代數(shù)式答案的正確與否，例如，某個(gè)學(xué)生的答案是，顯然，這個(gè)答案是錯(cuò)的，因?yàn)閙1與m1m2的量綱不一樣，不能相加。另外，需要強(qiáng)調(diào)指出的是指數(shù)ex和對(duì)數(shù)lnx也是無量綱的，x同樣必須是無量綱的，比如對(duì)速率v取對(duì)數(shù)是沒有物理意義的。

三、從恒定不變量到微分變量的轉(zhuǎn)變

在多年的教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生總是習(xí)慣用中學(xué)的概念和方法來理解和處理大學(xué)物理的問題，很難接受新的思維方式。因此在大學(xué)物理的教學(xué)過程中，老師的一個(gè)重要任務(wù)就是逐步引導(dǎo)學(xué)生將微元思想和物理問題結(jié)合起來。以質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)為例，學(xué)生在中學(xué)階段有關(guān)這方面的知識(shí)，局限于勻速和勻變速直線運(yùn)動(dòng)。而這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是最理想化的，不需要微積分也可以描述清楚。到了大學(xué)階段，質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)拓展到任意的變速運(yùn)動(dòng)。而變化的狀態(tài)只能用導(dǎo)數(shù)和積分才能正確的表達(dá)。例如，由v=過渡v=，s=vt提升到s=？蘩vdt?？梢赃@么說，物理學(xué)的研究對(duì)象總是在不斷變化的，這種變化在更多情況下是非均勻的，只能借助微積分才能正確地表達(dá)。這就是物理學(xué)需要運(yùn)用微積分的根本原因。

盡管導(dǎo)數(shù)和積分是大學(xué)里才學(xué)的，但是量綱和矢量的思想是從初中階段就開始的，所以我們應(yīng)該從初中開始就灌輸量綱和矢量的思維習(xí)慣，在高中階段進(jìn)一步強(qiáng)化，這樣到了大學(xué)階段才會(huì)習(xí)慣成自然，讓量綱和矢量的思想根深蒂固，結(jié)合微積分工具，才能把大學(xué)物理學(xué)好，更好地為其它專業(yè)課奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪小剛，戴朝卿，陳翼翔.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué).北京，科學(xué)出版社.

[2]陸金男.從大學(xué)物理教學(xué)凸現(xiàn)中學(xué)物理概念教學(xué)的重要性[J].物理教師，2008年第29卷第4期.

[3]馮炎堯，汪小剛，陳均朗.新高考模式下的大學(xué)物理與中學(xué)物理有效銜接的研究[J].課程教育研究，2018年第1期.

[4]馬文蔚.物理學(xué).北京，高等教育出版社.

作者簡介：

馮炎堯（1969.10-），男，漢族，浙江嘉善人，學(xué)士，中教一級(jí)，研究方向：初中科學(xué)。