2018-12-20 点击:

作者:冯炎尧 陈均朗 汪小刚
  【摘要】物理课程的教学从初中到高中再到大学是环环相扣的,每个阶段的学习都会对后继阶段产生重要影响,学生在中学应建立良好的物理思维方式,为大学物理的学习打下扎实的基础。中学物理思维主要体现在矢量和量纲两个方面,而大学物理则需要结合微积分的运用。
  【关键词】物理思维 矢量 量纲
  【课题项目】浙江农林大学2017年度校级教学改革项目:新高考模式下大学物理与中学物理教学的衔接,编号:JGZD17002。
  【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2018)37-0138-01
  物理学研究的是物质结构和物质运动的基本规律,是其它各自然科学学科的研究基础。在初中,物理并没有作为一门课程,而是科学教育的一部分,只是对特殊物理现象的初步解释和一般应用,往往以定性研究为主;到了高中,物理成为一门独立的课程,随着年段的升高,对物理教学的要求也深入了很多。加上数学能力的提高,物理教学从定性研究为主过渡到定量研究为主。大学物理则是高中物理的再一次提升。由于微积分和矢量代数的应用,主要研究变量物理。这三个阶段的物理教学,环环相扣,难度深度逐渐增加,缺了任一环节都不能很好地掌握整个物理课程,势必会影响后一阶段的物理学习。
  与此同时,高考进行了深度改革,物理教学也发生了重大改变。浙江省作为试点,自2017年始,高考采取了3+3模式,即除了语文、数学、英语外,再在物理、化学、技术、政治、历史、地理和生物七门课程中选考三门,直接的后果就是学生如果没有选择物理作为高考科目的话,他的中学物理基础肯定会明显削弱。与高考模式变革相对应的是中学物理课程的教学大纲和考试大纲也发生了很大的变化。很多在九十年代的重点、难点内容在最新的大纲中都变成选修或者选考内容,如振动、波动,动量守恒等,学生往往会放弃这些内容。可见,中学生的物理知识体系的全面性在下降。
  大学物理是一门面向非物理专业本科生的基础课程,向理工科专业学生介绍物理学的基本理论和研究方法,为后续的技术基础课和专业基础课奠定必要的物理基础。但是由于高考的改革加上自身课程的性质,近年来教学效果非常不理想,从期末成绩来看,呈现出两大趋势:一是及格率逐年降低;二是分数差距不断增大。从卷面答题情况来看,主要反映出学生缺乏基本的物理思维,具体表现在以下三个方面:
  一、矢量概念不清,或者说缺少矢量的意识和思维方式
  矢量是物理学中最重要的一个工具,从初中阶段开始就着重强调,如力的图示和力的示意图就强调力作为矢量包括大小和方向应该如何表达,具体如重力,拉力,压力等等。在高中阶段如力的分解与合成,平行四边形法则(三角形法则)和正交分解法则。在教材中,矢量用黑体字表示 ,如力F。我们在书写中则在字母上方加单向箭头表示,如。但是学生往往没有矢量的习惯,很少会加上单向箭头。更重要的学生不会运用矢量的合成与分解法则,往往跟处理标量一样,直接相加减。如连续带电体的电场分布计算公式,=?蘩r。很多同学忽视单位矢量r的存在,直接当标量进行积分,这种方法显然是错误的。事实上,带电体上各点到场点的方向往往是不一致的,不能直接积分。正确的步骤是:首先写出带电体微元dq在给定场点产生的电场dE=,然后对dE正交分解,再对分解后的各分量进行积分,才能得到正确的结果。
  二、量纲(单位)的思维习惯
  除了无量纲的量(也就是没有单位的量,这类物理量往往是两个物理意义相同的量相除,如相对电容率,相对磁导率等),每一个物理量都有自己的量纲和单位。量纲有三个基本作用:(1)可定出同一物理量不同单位间的换算关系;(2)检验文字和字母描述的正误;(3)从量纲分析中定出方程中比例系数的量纲和单位。对学生来说,最重要的是第2个作用,检验代数式的正误,因为不同的量纲代表不同的物理意义,不同的物理量之间,不能够相加减,只能乘除。学生可以用量纲检查代数式答案的正确与否,例如,某个学生的答案是,显然,这个答案是错的,因为m1与m1m2的量纲不一样,不能相加。另外,需要强调指出的是指数ex和对数lnx也是无量纲的,x同样必须是无量纲的,比如对速率v取对数是没有物理意义的。
  三、从恒定不变量到微分变量的转变
  在多年的教学中我们发现,学生总是习惯用中学的概念和方法来理解和处理大学物理的问题,很难接受新的思维方式。因此在大学物理的教学过程中,老师的一个重要任务就是逐步引导学生将微元思想和物理问题结合起来。以质点的直线运动为例,学生在中学阶段有关这方面的知识,局限于匀速和匀变速直线运动。而这两种运动状态是最理想化的,不需要微积分也可以描述清楚。到了大学阶段,质点的直线运动拓展到任意的变速运动。而变化的状态只能用导数和积分才能正确的表达。例如,由v=过渡v=,s=vt提升到s=?蘩vdt。可以这么说,物理学的研究对象总是在不断变化的,这种变化在更多情况下是非均匀的,只能借助微积分才能正确地表达。这就是物理学需要运用微积分的根本原因。
  尽管导数和积分是大学里才学的,但是量纲和矢量的思想是从初中阶段就开始的,所以我们应该从初中开始就灌输量纲和矢量的思维习惯,在高中阶段进一步强化,这样到了大学阶段才会习惯成自然,让量纲和矢量的思想根深蒂固,结合微积分工具,才能把大学物理学好,更好地为其它专业课奠定坚实的基础。
  参考文献:
  [1]汪小刚,戴朝卿,陈翼翔.大学基础物理学.北京,科学出版社.
  [2]陆金男.从大学物理教学凸现中学物理概念教学的重要性[J].物理教师,2008年第29卷第4期.
  [3]冯炎尧,汪小刚,陈均朗.新高考模式下的大学物理與中学物理有效衔接的研究[J].课程教育研究,2018年第1期.
  [4]马文蔚.物理学.北京,高等教育出版社.
  作者简介:
  冯炎尧(1969.10-),男,汉族,浙江嘉善人,学士,中教一级,研究方向:初中科学。