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中学物理知识结构的构建
作者:www    文章来源:www    点击数:1142    更新时间:2014-1-9    
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中学物理知识结构的构建
陕西省安塞县安塞高级中学 贺 军

  摘要:全面、正确、深刻地理解中学物理的知识体系,并经常以它为指导来检查自己的日常教学和学习、工作,是提高当前物理教学质量所必需的。那么,中学物理知识体系如何?物理知识体系如何构建?中学物理学中哪些知识和技能必须掌握?如何强化知识要点,传授思想方法,提炼应用技能,做到结构清楚,条块分明。本文将就此问题做深入研究和探讨。

  关键词:中学物理;知识体系;构建

  中学物理知识的价值集中体现在两个方面:从物理学的角度来看,物理知识是构成自然科学知识体系的一个重要组成部分,是人类认识自然和改造自然的基础,是推动社会经济发展的动力之一;从教育学的角度来看,在物理知识的形成和运用过程中有着丰富的科学思想和科学方法,它们是形成科学观念和提高科学技能的土壤和阶梯,对提高学生的科学素质有着积极的促进作用。上述两个方面是研究并确定中学物理教育科学知识体系的构成及其分类的依据。

  1 中学物理科学知识体系

  物理科学的内容不单由物理知识构成,而是由知识、观念、方法和实验基础组成的有机整体。因此,物理学习就不单是知识的学习,还包括观念、实验基础的学习。由于物理理论是建立在实验现象基础上的,实验基础与理论知识密切结合在一起,因此在学习内容分类时,我们把理论知识和实验基础归为一类,统称为物理知识。这样,我们就有了物理知识、物理观念、科学方法三类物理学习的内容。

  上述三类学习内容还不能明确地反映出物理知识的逻辑体系以及知识、观念、方法三者间的有机联系,因此学习内容分类中还必须加进物理知识结构这一部分。不掌握物理知识结构就无法达到学习物理的目的。布鲁纳就把结构的重要性放在首位,他强调指出:“不论我们选教什么学科,务必使学生理解该学科的基本结构。"布鲁纳的这一思想是很有借鉴意义的 [1]

  另外,由于学习过程是学生与环境相互作用的过程,没有学生对环境的作用就不能形成真正的学习,而学生对环境的作用主要表现在运用物理知识去分析、解决问题,同时形成相应的物理技能。因此,掌握物理技能也是物理学习中必不可少的内容。

  综上所述,中学物理科学素质教育的内容包括:(1)科学知识及其结构;(2)科学观念;(3)科学方法;(4)科学技能;(5)科学态度。

  2 物理知识及其结构

  物理学作为自然科学中的一门基础科学,它是研究构成自然界的物质的基本结构和运动规律及其应用的科学。具体地讲,物理学研究大到天体,小到基本粒子的各种物质的性质和相互作用,以及它们的运动规律,从研究对象的性质和运动形式来划分,物理学可分为力学、声学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子和原子核物理学等分支,而每一分支的内容都包括物理现象、物理概念和物理规律三方面的内容。或者说,物理现象、物理概念和物理规律是对物理知识的一种概括,也是呈现物理知识的三种基本形式,它们跟物理学各分支的内容一起构成物理科学知识的网络结构。

  21 物理现象

  物理现象是指物质在运动、变化和发展过程中所表现出的外部的形态和联系。物理现象通常可以分为自然现象和实验现象两类。就中学物理而言,自然现象主要是指在日常生活中,学生能经常观察到的物理现象;实验现象主要是指通过物理实验(有目的、可控制、能重复)能观察到的物理现象。

  物理现象是物理学研究的基础:同类物理现象在外部形态方面的质的同一性是形成物理概念的前提;物理现象中,有关物理量之间定性或定量的联系,是建立物理规律的依据[2]。例如,根据日常生活中大量存在的物体间发生的“推”、“拉”、“压”现象,通过分析和抽象,提炼出它们的“质”──物体之间的相互作用,进而形成了力的概念。又如,根据日常生活中有关气体的现象可以发现气体的压强、体积、温度之间有着一定的联系,再根据实验测得的数据,通过分析和归纳,概括出气体的三个实验定律。

  物理现象也是中学物理教学的基础:丰富多彩的物理现象能够激发学生的学习兴趣,兴趣既是教学手段又是教学目的[3]。因此通过物理现象激发学生的兴趣是培养学生观察能力的基本途径;形象、具体的物理现象有助于建立物理表象,是形成物理概念和规律的前提;从现象到概念、规律的认识,是完成从感性认识到理性认识的第一次飞跃的过程,其中有着丰富的科学思想和科学方法以及教育的内容,它有助于指导学生认识物理学研究方法和思维方法,是培养和提高思维能力的重要途径;物理现象也为学生运用物理概念和规律解决实际问题提供了具体、生动的实例,有助于学生巩固物理概念和规律,认识物理知识的科学价值,是培养学生的科学态度、提高学生分析与解决实际问题能力的一条有效途径。

  22 物理概念

  物理概念是客观事物的物理方面的共同属性和本质特征在人脑中的反映,是物理事物的科学抽象,是反映研究对象物理属性的思维形式。物理概念具有内涵和外延两个方面的内容。所谓内涵是指概念的含义,或概念所反映的本质属性;所谓外延是指概念所包含的范围,或是它所涉及事物的总和[4]。例如,压强概念的内涵是单位面积上所受的压力,它能反映压力的作用效果;压强概念的外延包括固体的压强,液体内部的压强,气体的压强等。物理概念按其“质”和“量”可分为定性概念和物理量两类。定性概念主要是从“质"的规定性来反映客观事物,如质点、理想气体、机械运动、惯性等;物理量是从“质”和“量”两个方面的规定性来反映客观事物,如温度、加速度、电场强度、动量等。

  物理概念具有如下特点:(1)物理概念是通过对物理现象的观察、分析、抽象得到的,因此物理概念客观地反映了物理事物的本质属性,具有客观性;(2)大多数的物理概念都可以直接或间接测量,具有可测性;(3)物理概念是一定条件下的产物,只能适用于一定的条件和范围,具有一定的相对性(如重力势能、电势、电势能的值是相对的)和局限性(如质量与物体的运动状态无关,只适用于低速宏观范围)。

  物理概念是物理学研究的基础和关键:物理学研究的是物质运动的形式以及它们所遵循的一般规律和物质的基本结构,而规律反映的是相互联系的概念之间的关系,因此物理概念是物理科学知识的基本元素,是物理知识结构的基础;物理概念既能反映物理现象的本质特征,又是研究物理规律的基础,因此物理概念起着承上启下的关键作用;用概念反映同类事物或现象的共同属性和本质特征的方法,以及通过寻找在一定条件下不同概念之间定性或定量的关系来总结规律的方法,是自然科学研究的基本方法。

  物理概念教学是中学物理教学的中心任务之一:形成物理概念是深刻认识物理现象本质特征的标志,也是领会物理规律的基础,因此物理概念教学是中学物理教学的关键;要形成和领会物理概念,必须通过实验和实例,建立正确的物理表象,并通过分析、抽象等思维活动,概括出同类事物的共同属性和本质特征,进而形成物理概念,领会概念的内涵和外延,这一过程可以培养学生的观察实验能力和思维能力,体会和认识物理学的研究方法和思维方法;在运用物理概念解决实际问题的过程中,可以培养学生的分析与解决问题的能力,认识物理知识的科学价值。因此物理概念教学是中学物理落实科学素质教育的关键。

  23 物理规律

  物理规律客观反映了物质运动变化的本质属性之间定性或定量的联系,或者说物理规律是物理概念在一定条件下的相互制约关系。物理规律可以分为物理定律、物理原理(理论)、物理法则(定则)、物理公式(包括定义式、定理式、定律式)等几类。

  物理规律具有如下特点:(1)物理规律都是通过观察、实验、分析、推理得到的。或者说,物理规律是在一定的可靠事实基础上归纳、推理的结果,因此物理规律客观地反映了事物间的联系,具有客观性;(2)物理规律总是反映物理概念之间定性和定量的联系,具有联系性,把握物理规律所反映的概念与概念之间定性或定量的逻辑联系是掌握物理规律的标志;(3)物理规律总是在一定范围内得到验证,因此物理规律总有它的适用范围和条件,即物理规律具有一定的局限性;(4)由于物理学所研究的对象或过程都不是实际物体或实际过程,而是采用科学抽象的方法,或多或少地作了一定程度的简化之后,建立起的理想化模型或过程,同时,由于物理学是实验科学,在观察和实验中,限于仪器的精密程度等原因,不可避免地出现误差,因此反映各物理量之间关系的物理规律,只能近似地反映客观世界,具有一定的近似性[5]

  物理规律是物理学研究的核心:物理学是研究物理过程中内在的、本质的联系和物理现象发展变化的必然趋势的科学,这种物理过程的本质联系和物理现象发展变化的必然趋势常用物理定律、定理、原理、法则等物理规律来表述,因此物理规律是物理学知识的核心,是物理知识结构的骨架;中学物理知识是以物理概念和物理规律为主线而逐步加深的,如力学是以力的概念和牛顿运动定律为核心,逐步扩展到功、能、冲量、动量、动量定理、动量守恒定律、动能定理、机械能守恒定律等,形成了完整的力学体系,并以力学知识为基础,拓宽到光学、热学、电磁学、原子物理学,因此物理概念和规律是物理科学知识的精髓。

  物理规律教学是中学物理教学的中心任务之一:形成物理规律是深刻认识物理过程中内在的、本质的联系的标志,也是深入领会物理概念、建立物理知识网络结构的基础,因此物理规律教学是中学物理教学的核心;要形成物理规律,必须通过实验或数学推理,揭示物理量之间定性或定量的联系,并通过分析、概括、推理等思维活动,归纳出物理规律,这一过程可以培养学生的观察实验能力和思维能力,体会和认识物理学的研究方法和思维方法;在运用物理规律解决实际问题的过程中,可以培养学生的分析与解决问题的能力,认识物理知识的科学价值。因此物理规律教学同样也是中学物理落实科学素质教育的关键。

  24 物理知识结构

  综上所述,物理学各分支所包含的物理现象、物理概念、物理规律组成了物理学的科学知识结构,其中物理概念是物理知识网络结构中的关节点,而物理规律则是物理知识网络结构中的骨架[6]

  使学生学会把自己所学的知识由点到面组织成有体系的知识,这是一种总结、概括的能力,是培养思维能力的重要方面,是学生综合运用知识的基础,也是学生记忆和理解知识的重要过程和环节。在平时的学习过程中,学生头脑中常常是一个一个孤立的概念和物理量,一个一个孤立的定律和定理,不能形成体系,不能从整体上把握知识,因而很难综合运用知识去解决实际问题。因此必须指导学生及时总结整理所学知识,掌握知识的内在联系使自己头脑中的知识成为有体系的知识。例如稳定电流这一章,我们可以引导学生抓住欧姆定律这个中心,来整理这一章的基础知识,包括的基本概念有电流、电压、电阻和电动势,基础知识是如何用欧姆定律进行电路分析──电路中电压变化、电路结构,能量转化等,这样就把电路中的各个知识点便组织成了一个知识网络。

  3 中学物理知识的构建

  根据物理学的特点和高考《考试大纲》要求,抓住现象、概念、规律和应用四条主线,突出思想方法,把相关中学物理知识归纳成为一图一表,帮助学生构建知识体系,掌握知识要点,明确物理学建立的现象基础及研究对象、内容、方法。做到泾渭分明、点面结合、体现思想、突出应用、一目了然,对于指导学生理解记忆和掌握运用所学知识起到一定的作用。

  31 知识架构

  物理学是建立在自然(实验)现象基础上的一门科学。主要研究揭示物质运动变化现象的本质,从力和能的角度研究发现物质结构、状态、运动变化的过程和规律。学科的分支主要包括力学、热学、电学、光学和原子物理学五大部分[7]

  学生学习物理往往觉得知识庞杂,千变万化,不得要领,感到困难。为了帮助学生构建知识架构,理清思想,抓住共性,看清看透。我把物理学归结成为体现思想方法的一盆枝叶分明的物理之花[8],如图1所示。

1 中学物理知识结构图

  物理之花展示了物理学的结构之美。通过这一归结,物理学的结构简洁对称分支明了,从现象到对象,从宏观到微观,从物体到质点,从机械运动到热运动、电磁感应、光电效应和核反应,知识共性跃然图中,来龙去脉一目了然。研究的现象和对象清晰了,研究的方法(力和能)和方向(结构、状态和过程)明确了。

  32 知识要点

  物理知识既形象具体又抽象模糊,学习和应用时既需要感性又需要理性,需要培养观察、联系、设想、推理、动手能力,强调思想方法、技巧,现象多、概念多、公式多、研究对象和问题千变万化是它的特点。

  中学物理的知识的学习主要体现在现象、概念、规律和应用四个环节上,所以对基本知识要点应理解,物理思想方法要掌握,应用方法技巧训练显得很重要。

1 中学物理知识总表[9]

学科

研究

对象

结构

状态

过程

图像

方法

实验

力学

机械运动

物体质点

系统

参照

方位

表面

条件

合成

叠加

平衡

变速

直线

曲线

超重

失重

匀速直线运动

匀变速直运动

运动合成

机械振动

重力

弹力

摩擦力

万有引力

力的示意图

质点化

理想化

模型化

隔离法

整体法

归段法

逆索法

公式法

图象法

分析法

综合法

临界法

平均法

累积法

合成法

分解法

等效法

几何法

比例法

取定正向法

正交分解法

特定状态法

近似法

平移法

1.长度测量

2.研究虎克定律

3.验证力的平行四边形定则

4.研究匀变速直线运动5.验证机械能守恒定律

6.研究平抛运动

热学

热现象

分子

球体

模型

一般

理想

平衡

不平衡

热传递

(分子)运动

布朗运动

内能的改变

分子力

(引力和斥力)

势能曲线图

微观与宏观

物质观

能量观

公式法

图象法

8.用油膜法估测分子的

大小

电学

电荷

电场

磁场

电路

电场线谱

磁感线谱

地磁场

分子电流

串联电路

并联电路

混联电路

匀强

非匀强

恒流

交流

串联

并联

混联

通路

断路

短路

电场的产生

磁场的产生

电磁感应

电容的充、放电

电荷在电、磁

场中的运动

安培力,

洛伦兹力

电场图

电路图

磁场图

B-t

Φ-t

i-t

u-t

公式法

图象法

比例法

局部法

整体法

分流法

分压法

分析法

综合法

类比法

等效电路法

极端分析法

等值替代法

故障分析法

等位分析法

有效长度法

9.描绘小灯泡的伏安曲线

10.测定电池的电动势和内电阻

11.练习使用多用电表

12.练习使用示波器

光学

介质

光路

光束

光子

光源镜面匀质非匀质

电磁波谱

真空

发散

会聚

影、斑镜、像

反射

折射

干涉

衍射

电磁波

光电效应

——

光路图

作图法

公式法

几何法

比例法

逆索法

13.测定玻璃的折射率

原子

物理

核式模型

玻尔理论

电子云

稳定

衰变

激发

转变

α粒子散射实验、放射、衰变、人工转变、裂变、聚变

核力(结合力)

能级图

黑箱法

公式法

排列法

组合法

配平法

  表中围绕现象、概念问题,主要划分为现象、结构、状态、过程四个方面。通过这一梳理罗列,物理学的现象、概念、规律和应用的要点及纵横关系得到了概括,所谓力学和电学是重点也一目了然。

  中学物理问题千变万化但却不出所学。我们通过分析,去伪存真,抓住共性,正确归类,从而归纳出了中学物理的知识体系。物理现象是中学物理的基础和起点,物理概念和规律是中学物理的关键和核心[10]。在一定的科学方法(研究方法和思维方法)作用下,完成由现象到概念和规律,并运用概念和规律解决实际问题的过程,构成了中学物理的知识结构。

  参考文献:

  [1]BrunerEducation process[M]BeijingCulture and education publishing house198243

  [2]汪世清.学生实验和教学方法改革[J].物理教学1984124):67

  [3]斯卡特金.中学教学论[M].北京:人民教育出版社,199624

  [4]田世昆,阎金铎等.中学物理教学概论[M].北京:高等教育出版社,1999180-181

  [5]阎金铎.中学物理教学[M].北京:光明日报出版社,1987210-213

  [6]许国梁.中学物理教学法[M].北京:人民教育出版社,1980151

  [7]田俊恒.中学物理教学论[M].哈尔滨:黑龙江人民出版社,198845

  [8]章剑和.物理教学的艺术[M].武汉:湖北教育出版社,200496

  [9]谢璞.论物理教学方法[Z].北京:电子工业出版社,200657

  [10]胡保祥.科学·技术·社会与物理教学[M]. 武汉:湖北教育出版社200485

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