本站小編為你精心準(zhǔn)備了物理概念教學(xué)方法研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第2期

摘要:

物理概念作為物理學(xué)知識體系的支柱，對其理解和掌握的程度直接影響到教學(xué)質(zhì)量。對物理概念教學(xué)的實(shí)施原則和方式進(jìn)行了探討:實(shí)施要求在知識傳授過程中不僅僅停留在概念本身，更需要從物理概念的需求背景、本質(zhì)內(nèi)涵和外延、適用范圍、缺陷和改進(jìn)等諸多方面進(jìn)行講解，使學(xué)生形成一個完整清晰的物理圖像。實(shí)施方式要求創(chuàng)造好的學(xué)習(xí)環(huán)境來激發(fā)學(xué)生的興趣以及調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力。通過有效啟發(fā)學(xué)生的思考，并使其受到科學(xué)精神的感染，達(dá)到有效理解和掌握物理概念的目的。

關(guān)鍵詞:

物理學(xué)概念;科學(xué)素質(zhì);科學(xué)精神;教學(xué)方法;教學(xué)效果

物理學(xué)是研究宇宙中存在的各種基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動和相互作用規(guī)律的學(xué)科，是人類認(rèn)識自然和改造自然的工具。大學(xué)開設(shè)的物理基礎(chǔ)課，可培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和品質(zhì)，也為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)［1］。物理基本概念用于概括、歸納、表述事物變化的基本規(guī)律，是學(xué)科基礎(chǔ)，對其深入學(xué)習(xí)可培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)的研究方法和思維［2］。

1物理概念教學(xué)的意義

大學(xué)物理通過向?qū)W生傳授基礎(chǔ)物理知識，培養(yǎng)學(xué)生基本的物理思維能力、科學(xué)品質(zhì)以及物理學(xué)研究方法［3］。物理學(xué)概念(包括原理、定理、定律)是針對學(xué)科發(fā)展需要，在實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，通過反復(fù)的概括、抽象和歸納得到的，體現(xiàn)了學(xué)科的思維和發(fā)展方向，相應(yīng)的學(xué)習(xí)和掌握至關(guān)重要［2］。

1．1培養(yǎng)解決和分析問題的能力

物理概念是物理學(xué)發(fā)展的支柱，任何一門物理學(xué)分支的發(fā)展都離不開特有物理概念的引入。如力學(xué)的發(fā)展，離不開力、力矩、動量、能量等基本物理概念的支撐。為了描述阻止物體的力，引入摩擦力，根據(jù)物體運(yùn)動方式不同，又分為滾動和滑動摩擦力;為了研究物體的形變特性，引入了壓力、剪切力等概念［4］。

1．2培養(yǎng)物理學(xué)的辯證和統(tǒng)一研究思維

有些物理概念是矛盾的結(jié)合體，如光的本質(zhì)，即“波粒二象性”，對其認(rèn)識一波三折。最早笛卡爾、牛頓的微粒學(xué)說，成功解釋了光的直線傳播現(xiàn)象。波動學(xué)說起源于胡克，認(rèn)為光是類似水波振動，惠更斯提出光是縱波?！芭ｎD環(huán)”體現(xiàn)了光的波動性，卻以微粒和以太進(jìn)行解釋。隨著托馬斯•楊干涉、菲涅耳衍射、麥克斯韋電磁場理論研究，以及赫茲(Hertz)對光的電磁波本質(zhì)實(shí)驗(yàn)證明，人們逐步接受了光的波動性。直到19世紀(jì)末，在光電效應(yīng)研究基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出了光的“波粒二象性”［5］，為新學(xué)說奠定了基礎(chǔ)，如康普頓效應(yīng)，德布羅意物質(zhì)波、測不準(zhǔn)原理、薛定諤波動方程等。

1．3培養(yǎng)融會貫通、觸類旁通能力

很多物理概念會經(jīng)歷提出、實(shí)驗(yàn)或理論證實(shí)，逐步推廣和深化，甚至擴(kuò)展到其他領(lǐng)域的過程。這說明該概念的思維反映事物本質(zhì)，精確描述了對象特征。如熱學(xué)里“熵”概念，最先由克勞修斯(Clausius)基于描述熱機(jī)循環(huán)狀態(tài)的需要而提出，后來分子運(yùn)動論將其解釋為不可逆熱力學(xué)過程是趨向于概論增加的態(tài)變化(波耳茲曼熵)。經(jīng)過多年沉淀，又被控制論、數(shù)論、概率論、生命科學(xué)、天體物理等領(lǐng)域引入并應(yīng)用，說明其思維方式被認(rèn)同［6］。教學(xué)中可以把熵作為專題進(jìn)行講解，從不同學(xué)科集中闡述物理思維。

2物理概念教學(xué)的方法

大學(xué)物理學(xué)的教學(xué)目的如下:

1)通過掌握基礎(chǔ)物理知識，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)知識打好基礎(chǔ);

2)全面了解物理學(xué)研究方法、基本概念、物理圖像以及歷史淵源、發(fā)展等;

3)培養(yǎng)和提高大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、思想、品質(zhì)、精神等，通過了解科學(xué)發(fā)展的曲折和艱辛，科學(xué)研究的合作和樂趣等，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)品格，使其初步具備科學(xué)研究能力［1，7］。下面結(jié)合物理學(xué)特點(diǎn)以及教育理論和實(shí)踐，對物理概念教學(xué)方法進(jìn)行探討。

2．1引入物理概念背景的教育需求

介紹物理學(xué)概念背景幫助學(xué)生充分理解概念引入的意義和作用。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我思考，如:若你們在此背景下引入新概念，應(yīng)該采用什么概念來描述物質(zhì)特性或規(guī)律，它與現(xiàn)有概念相比有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?通過學(xué)生的深入思考和討論，使其充分認(rèn)識和理解所引物理學(xué)概念的意義和重要性。這也是啟發(fā)式教學(xué)的常用方式［8］。如講解微粒比表面時，根據(jù)背景提問:對于一個物體而言，表面原子存在大量斷鍵而很不穩(wěn)定，表現(xiàn)為較強(qiáng)活性，是不是體積越大活性越強(qiáng)?通過討論發(fā)現(xiàn)單純的體積特征不合理，體積越大，內(nèi)部包含原子數(shù)越多。進(jìn)一步提問:如何描述微?；钚?，并進(jìn)行相應(yīng)對比?這會激發(fā)學(xué)生的興趣，出現(xiàn)類似單位質(zhì)量的物質(zhì)表面等答案。最后，指出微觀粒子的尺寸效應(yīng)最為重要，引出單位體積的表面積概念，即比表面積。

2．2講清物理概念的本質(zhì)內(nèi)涵和外延物理概念的發(fā)展

體現(xiàn)在內(nèi)涵不斷豐富和外延在不同領(lǐng)域的擴(kuò)展。溫度概念的發(fā)展就體現(xiàn)了內(nèi)涵的豐富，從表征“環(huán)境的冷熱程度”到“分子平均平動動能的量度”，再到“物體內(nèi)部分子的無規(guī)則熱運(yùn)動劇烈程度”，最后推廣到“粒子集居數(shù)的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象”，也就是“系統(tǒng)處于總能量高于平均能量的狀態(tài)”，并提出負(fù)溫度的概念。折射率的概念則體現(xiàn)了其外延的擴(kuò)展，最初表征不同材料之間的偏折，后表征傳播速度。其實(shí)光傳輸?shù)乃俣葲Q定于材料原子之間電場的大小，也體現(xiàn)了原子結(jié)合力的高低，所以所承載的外延信息很多，包括光學(xué)、原子物理以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)等不同學(xué)科。一些物理學(xué)概念是聯(lián)系不同領(lǐng)域的紐帶，如阿伏伽德羅常數(shù)是聯(lián)系宏觀與微觀的橋梁，對其內(nèi)涵的理解比單純數(shù)值更有意義。

2．3循序漸進(jìn)和系統(tǒng)性的教學(xué)

有些概念貫穿于整個物理學(xué)體系中，需要多學(xué)科的共同學(xué)習(xí)才能深入和系統(tǒng)地認(rèn)識。以物理學(xué)中極其重要的“場”的概念為例，最先由法拉第(Faraday)基于電磁相互作用的超距觀點(diǎn)提出并進(jìn)行直觀描述;隨后麥克斯韋從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了電場和磁場強(qiáng)度的波動方程，深刻地闡述了電磁場能量的分布［9］;列別捷夫(Lebedev)通過對光壓的觀測證明了電磁場動量特性;愛因斯坦狹義相對論的創(chuàng)立，證明場是物質(zhì)存在的一種形式，具有能量、動量和質(zhì)量;量子力學(xué)體現(xiàn)了場的“波粒二象性”;電磁場量子理論證明光子是電磁場的基本微粒，可與正負(fù)電子對相互轉(zhuǎn)化，具有實(shí)物轉(zhuǎn)化性，豐富了場的物理本質(zhì)和內(nèi)涵［10］?！皥觥痹陔姶艑W(xué)、力學(xué)、相對論、量子力學(xué)等領(lǐng)域都有體現(xiàn)。教學(xué)中要從“場”的基本特性、規(guī)律和共性出發(fā)，逐步深入:最初通過力學(xué)中重力(萬有引力)引入重力場強(qiáng)、重力勢能(引力場強(qiáng)、引力勢函數(shù))，初步建立場的概念;電磁學(xué)或電動力學(xué)則通過電荷庫侖力場引入庫侖場強(qiáng)和庫侖勢，通過場矢量的通量分析和環(huán)流分析分別得到高斯定理和安培環(huán)路定理;相對論和量子力學(xué)通過波函數(shù)分析進(jìn)一步加深對場的理解。

2．4引入必要的物理學(xué)史教育

物理學(xué)的發(fā)展過程是科學(xué)家為了解決自然界遇到的新問題而不斷探索的過程，所提物理概念是對所描述對象的高度概括［11］。新概念的提出、完善和修正需要科學(xué)檢驗(yàn)和論證，錯誤的被推翻或修正，正確的被采用或推廣，這體現(xiàn)了物理學(xué)思維方式。結(jié)合物理學(xué)史，對成功或失敗的物理概念進(jìn)行分析和對比，有助于培養(yǎng)學(xué)生理性思維。成功實(shí)例:原子物理中“紫外災(zāi)難”催生了普朗克(planck)的量子概念，后來愛因斯坦的光量子說，成功地解釋了光電效應(yīng)，開啟了量子力學(xué)新篇章;描述基本粒子單元的夸克(quark)概念，被逐漸證實(shí)。失敗實(shí)例:描述光傳輸?shù)摹耙蕴备拍畋粚?shí)驗(yàn)否定。當(dāng)前還有很多概念亟待進(jìn)一步論證，波爾(Bohr)與愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的著名論戰(zhàn)就是一個很好的證明。這可以培養(yǎng)學(xué)生思辨的習(xí)慣、求實(shí)的精神和相互包容的優(yōu)良品質(zhì)。

2．5構(gòu)建清晰物理圖像

很多概念的提出都基于不同的研究思路和思維，需要建立完整清晰的物理圖像再現(xiàn)其物理思維和描述意義［12］。以麥克斯韋方程組為例，它體現(xiàn)了電磁學(xué)基本研究思路:對電場和磁場進(jìn)行曲面和曲線積分，得到相應(yīng)的源。學(xué)科適用范圍體現(xiàn)了不同思維，如電磁學(xué)規(guī)律是基于宏觀的分析，量子力學(xué)是處理微觀世界的規(guī)律，具有完全不同的研究思路和適用范圍。以電磁波發(fā)射為例，電動力學(xué)基于LC振蕩，量子力學(xué)電子躍遷。對比講解對構(gòu)建知識體系和正確應(yīng)用很有益。形象化表述是構(gòu)建物理圖像的主要方法之一，如在光學(xué)中講述菲尼爾圓孔衍射的光強(qiáng)空間分布規(guī)律時，可以采用半波帶法、矢量圖解法等進(jìn)行分解，達(dá)到獲得清晰物理圖像的目的［13］。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于構(gòu)建物理圖像，可分為重建性和探究性，通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)物理知識或根據(jù)預(yù)設(shè)要求通過實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果。

3教學(xué)措施和效果

為了有效開展物理概念教學(xué)，我們對教學(xué)方法進(jìn)行了改革，主要涉及到:分組討論式教學(xué)、改革考試方式、推行非標(biāo)準(zhǔn)化答案、重建基本概念、推薦內(nèi)容豐富的教材和參考書、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。分組討論式教學(xué)是創(chuàng)造機(jī)會使學(xué)生對物理概念的提出背景、必要性、可以解決的問題進(jìn)行深入討論，在爭論中增強(qiáng)對概念本質(zhì)的認(rèn)識。典型問題有:物理概念需求背景、自我設(shè)想和構(gòu)建、解決問題程度和預(yù)期目標(biāo)、現(xiàn)有物理概念對比等。通過以上教學(xué)，學(xué)生在考試中對基本概念的描述正確率大大增加，平均得分率由72%提高到83%。非標(biāo)準(zhǔn)化答案旨在鍛煉學(xué)生想象力和發(fā)散性思維，圍繞物理概念進(jìn)行問題設(shè)計(jì)，采用多種表述方式進(jìn)行分析。采用撰寫論文形式進(jìn)行考試，要求學(xué)生通過文獻(xiàn)查詢、收集信息等方式來闡述物理概念的內(nèi)涵和外延等，全面鍛煉學(xué)生能力:信息查詢、歸納總結(jié)以及寫作表述能力等。考試成績比重由原來的15%增加到30%，更能體現(xiàn)學(xué)生能力水平。隨著學(xué)習(xí)不斷深入，需要通過擴(kuò)展物理概念的內(nèi)涵或外延對新事物及其特性規(guī)律進(jìn)行描述。如隨著激光光強(qiáng)的增加，對材料的光電離會由單光子電離擴(kuò)展到多光子電離，由線性光學(xué)擴(kuò)展到非線性光學(xué)以及激光等離子體物理［14］。推薦內(nèi)容豐富的教材和參考書也是一種很好的方式。如原子物理教學(xué)中可推薦楊福家的《原子物理學(xué)》［15］，該書圖文并茂，有很多經(jīng)典故事，同時設(shè)計(jì)了很多啟發(fā)式問題，使用者反映良好。光學(xué)教學(xué)中可推薦馮國英、周壽桓編寫的《波動光學(xué)》［16］，該書內(nèi)容豐富，主要物理概念和定律后面附有Matlab應(yīng)用實(shí)例，有利于學(xué)生學(xué)以致用和形象化理解物理概念。另外，美國學(xué)者ArtHobson編寫的《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》等，都能為物理學(xué)概念的學(xué)習(xí)提供很好的參考。

4結(jié)語

物理學(xué)概念是物理學(xué)發(fā)展和前進(jìn)的基石，體現(xiàn)了研究過程中遇到的新問題，反映了為了解決問題提出的新思維和方法，表征了物理學(xué)發(fā)展的趨勢和方向。物理學(xué)概念學(xué)習(xí)主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)知識的掌握、科學(xué)品質(zhì)和精神的培養(yǎng)、科學(xué)素質(zhì)的鍛煉等方面。從教學(xué)方法上需要從構(gòu)建物理圖像出發(fā)，結(jié)合物理學(xué)史的引入，激發(fā)學(xué)生主動性，達(dá)到全面掌握物理概念內(nèi)涵和外延的目的。具體實(shí)施方式上，可以結(jié)合考試改革、非標(biāo)準(zhǔn)化答案、推薦優(yōu)秀教材等來實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

［1］包景東．理論物理教學(xué)應(yīng)在培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力上發(fā)揮作用［J］．大學(xué)物理，2014，33(1):1－5．

［2］張玉峰，郭玉英．圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)物理概念的若干思考［J］．課程•教材•教法，2015，5(35):99－102．

［3］秦吉紅，梁穎．在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)的案例剖析:紀(jì)念黃祖洽先生［J］．大學(xué)物理，2015，34(2):15－18．

［4］喬通．科學(xué)教育中重要概念教學(xué)的國際比較研究:以“力學(xué)”概念教學(xué)為例［J］．全球教育展望，2015，5(44):118－124.

［5］甘永超．波粒二象性研究中的歷史學(xué)與方法論思考［J］．湖北大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2002，29(3):90－95．

［6］孫會娟．熵原理及其在生命和社會發(fā)展中的應(yīng)用［J］．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，21(3):1－4．

［7］濮春英，周大偉．大學(xué)物理教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)［J］．南陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，13(3):47－48．

［8］吳波．物理概念教學(xué)的改革與發(fā)展研究［J］．上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23(6):23－28．

［9］楊振寧，汪忠．麥克斯韋方程和規(guī)范理論的觀念起源［J］．物理，2014，43(12):780－786．

［10］雷蒙德•塞爾維，克萊門特•摩西．近代物理學(xué)［M］．3版．北京:清華大學(xué)出版社，2008:65－106．

［11］申先甲，李艷平，劉樹勇，等．談?wù)勎锢韺W(xué)史在素質(zhì)教育中的作用［J］．大學(xué)物理，2000，19(11):36－40．

［12］李明．對加強(qiáng)和改進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)中多媒體技術(shù)的探討［J］．大學(xué)物理，2005，24(12):48－50．

［13］吳穎，徐恩生，羅宏超．振幅矢量法與半波帶法分析光柵衍射的比較［J］．沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22(1):70－73．

［15］楊福家．原子物理學(xué)［M］．2版．北京:高等教育出版社，1985:218－219．

［16］馮國英，周壽桓．波動光學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，2013:56－67．

作者:韓敬華 張玉波 汪莎 羅莉 馮國英 單位:四川大學(xué)電子信息學(xué)院 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系 成都信息工程大學(xué)光電技術(shù)系