陳林橋 吉文忠

（1.江蘇省揚(yáng)中市教研室，江蘇 揚(yáng)中 212200；2.揚(yáng)中市聯(lián)合中學(xué)，江蘇 揚(yáng)中 212200）

高中物理教材中蘊(yùn)含了豐富的物理思想和方法，這為我們進(jìn)行物理思想和方法教育、教學(xué)提供了廣闊的空間.為了更好地把握這些思想和方法，筆者以人民教育出版社的物理教材為藍(lán)本進(jìn)行了一些挖掘、梳理和研究，以供大家參考.

1 合成和分解思想

合成是由部分組成整體，而分解則是由整體分成部分.合成和分解是一種處理分析問題的重要手段，它們互為逆運(yùn)算，一般是以等效性為前提，以解決問題為目的.

高中物理教材中的合成與分解：（1）矢量的合成與分解，如力、速度、電場強(qiáng)度等矢量的合成與分解，它們遵守平行四邊形定則；（2）運(yùn)動的合成與分解，如平拋運(yùn)動可以看成水平方向上的勻速直線運(yùn)動和豎直方向上的自由落體運(yùn)動合成等；（3）光的合成與分解，如光的的色散與合成；（4）波的合成與分解，如電磁波的發(fā)射與接收中的調(diào)制與解調(diào)；（5）原子核的合成與分解，如核裂變和聚變.

2 極限思想

極限思想是指用極限的概念去分析和解決問題的一種方法.極限思想揭示了變量與常量、無限與有限的對立統(tǒng)一關(guān)系，借助極限思想，人們可以從有限認(rèn)識無限，從“不變”認(rèn)識“變”，從直線形認(rèn)識曲線形，從量變認(rèn)識質(zhì)變，從近似認(rèn)識精確.

我們物理教材常常通過以下幾種方法來幫助學(xué)生建構(gòu)極限思想：（1）利用人們思維想象來建構(gòu)極限思想，例如課本上通過平均速度來建立瞬時速度的概念，其間就運(yùn)用了的極限思想；（2）通過直觀圖像來建構(gòu)極限思想，例如課本上借助v－t圖像，運(yùn)用極限思想導(dǎo)出勻變速直線運(yùn)動的位移公式；（3）通過形象的圖示變化來建構(gòu)極限思想，例如必修2教材中，在探究向心加速度大小的表達(dá)式時，給出了甲、乙、丙、丁4幅質(zhì)點(diǎn)從A運(yùn)動到B的速度變化量示意圖，通過這連續(xù)的變化展示，進(jìn)而得到向心加速度大小的表達(dá)式；（4）通過一些數(shù)據(jù)的陳列來建構(gòu)極限思想，例如教材3－3上通過列出了一些數(shù)據(jù)來幫助學(xué)生建立絕對零度概念；（5）通過實(shí)驗(yàn)觀察來建構(gòu)極限思想，例如教材3－4中通過讓學(xué)生觀察一組漸進(jìn)的反射現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生建立全反射的概念.

3 控制變量思想

控制變量思想就是采用控制因素的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題.每次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，最后再綜合解決.例如必修1教材中“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的基本思想就體現(xiàn)了控制變量思想.

4 類比法

類比法是指由一類事物所具有的某種屬性，進(jìn)而推測與其類似的事物也應(yīng)具有這種屬性的推理方法.

高中物理教材中有：（1）將未見與可見進(jìn)行類比，例如教材中把頭發(fā)屑懸浮在蓖麻油里，加上電場來模擬電場線的形狀；（2）將未知與已知進(jìn)行類比，例如教材中講了電場之后，在引入磁場時，課本進(jìn)行了這樣的類比“正負(fù)電荷之間的相互作用是通過電場發(fā)生的，磁體與磁體、磁體與通電導(dǎo)體之間以及通電導(dǎo)體與通電導(dǎo)體之間的相互作用，是通過磁場發(fā)生的”；（3）將抽象與形象進(jìn)行類比，例如將分子勢能隨分子間的距離的變化，與彈簧連接著的兩個小球，彈簧的彈性勢能的變化趨勢進(jìn)行類比；（4）將微觀與宏觀進(jìn)行類比，例如“從微觀的角度看，氣體對容器的壓強(qiáng)是大量氣體分子對容器的碰撞引起的，這就好像密集的雨點(diǎn)打到傘上一樣，雨點(diǎn)雖然是一滴一滴地打到傘上，大量密集的雨點(diǎn)的撞擊，使傘受到持續(xù)的作用力”；（5）從時間的前后進(jìn)行類比，例如教材中所述，德布羅意在博士學(xué)位論文中寫道：“整個世紀(jì)以來，在光學(xué)上，與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究；而在實(shí)物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子方面的圖像想太多，而忽視了波的現(xiàn)象？”于是，他提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動性.

5 整體性思想

整體是指由事物的各內(nèi)在要素相互聯(lián)系構(gòu)成的有機(jī)統(tǒng)一體及其發(fā)展的全過程.所謂整體性思想，就是從整體出發(fā)，著眼全局，把握系統(tǒng)和過程的整體特征以及總體走向的思想方法.

高中物理教材中的整體性思想主要體現(xiàn)：（1）將多體視為一整體來處理，例如人教版選修3－1教材，在求串聯(lián)和并聯(lián)電路的電阻時，采取了整體處理的手法；（2）整體綜合列式，例如選修3－1第64頁例題1的解答中，在求電動勢和內(nèi)阻時，就是對整個電路，根據(jù)閉合電路的歐姆定律和題述的2種情況整體列出2個方程式來求解的；（3）整體結(jié)構(gòu)展示，例如人教版選修3－1教材中給出密立根實(shí)驗(yàn)示意圖，多量程多用電表示意圖、原子核式結(jié)構(gòu)模型的α粒子散射圖景等，都是給出整體結(jié)構(gòu)來說明問題的；（4）整個體系呈現(xiàn)，教材中在呈現(xiàn)有關(guān)知識體系時也注意到體系的整體性，例如牛頓運(yùn)動第一定律，牛頓運(yùn)動第二定律，牛頓運(yùn)動第三定律的安排；（5）整個過程說明，例如人教版選修3－4教材中，把橫波的形成整個過程以及繩中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動和波的傳播的關(guān)系，通過多幅圖片揭示得一覽無遺；（6）整體性論述，例如教材中說：“從古代光的微粒說，到托馬斯·楊，菲涅爾、馬呂斯光的波動說，從麥克斯韋的電磁波理論，到愛因斯坦的光子理論，人類對光的認(rèn)識構(gòu)成了一部科學(xué)史詩.如果現(xiàn)在要問光的本性是什么，我們的回答是：光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”；（7）整體思路分析，例如選修3－2教材中，運(yùn)用楞次定律判定感應(yīng)電流方向的思路方框圖，其實(shí)就是一個整體思路分析圖.

6 轉(zhuǎn)化思想

轉(zhuǎn)化就是將一事物通過某種方法或途徑轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪皇挛锏囊环N解決問題的手段.轉(zhuǎn)化有多種多樣，就解決問題方面的轉(zhuǎn)化則是將未知向已知轉(zhuǎn)化，將繁向簡轉(zhuǎn)化，將難向易轉(zhuǎn)化等.

高中物理教材中轉(zhuǎn)化方式有：（1）隱現(xiàn)之間轉(zhuǎn)化，例如人教版必修1教材中關(guān)于兩個不易被觀察的形變的演示實(shí)驗(yàn)，就是通過與其他事物之間的轉(zhuǎn)化使其成為“可觀察的”；（2）控量之間的轉(zhuǎn)化，例如傳感器一類的元件；（3）單位之間的轉(zhuǎn)化，例如攝氏溫標(biāo)t與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系：T＝t＋273.15K；（4）物態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，例如天然水晶是晶體，熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是非晶體，有些非晶體在一定的條件下也可以轉(zhuǎn)化為晶體；（5）場之間的轉(zhuǎn)化，例如“麥克斯韋關(guān)于電磁場的一些觀點(diǎn)：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場”；“電磁波的傳播的過程其實(shí)也就是電場與磁場之間相互轉(zhuǎn)化的過程”；（6）能量之間的轉(zhuǎn)化，例如“能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變”；（7）質(zhì)能之間的轉(zhuǎn)化，例如教材中所述，“……核子將發(fā)生新的質(zhì)量虧損，釋放新的結(jié)合能”；（8）圖線之間的轉(zhuǎn)化，例如人教版必修1教材中實(shí)驗(yàn)探究a與m的關(guān)系時，得到的圖線是一條曲線，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，用圖像處理a與m的關(guān)系時得到的卻是一條直線.

7 分類思想

分類是從種到屬的，一般按照種類、等級或性質(zhì)進(jìn)行的分別歸類.按照不同的特點(diǎn)、特征、特性對事物進(jìn)行分類，有助于人們更好地認(rèn)清事物之間的關(guān)系和把握事物的特征和個性.

高中物理教材中分類：（1）按性質(zhì)進(jìn)行分類，例如在建立單位制時，根據(jù)性質(zhì)將單位分為基本單位和導(dǎo)出單位等；（2）按等級進(jìn)行分類，例如力學(xué)中將運(yùn)動分為直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動，直線運(yùn)動分為勻速直線運(yùn)動和非勻速直線運(yùn)動，非勻速直線運(yùn)動又分為勻變速直線運(yùn)動和非勻變速直線運(yùn)動，而曲線運(yùn)動又分為勻變速曲線運(yùn)動和非勻變速曲線運(yùn)動；（3）按種類進(jìn)行分類，例如教材中將碰撞分為彈性碰撞和非彈性碰撞，對心碰撞和非對心碰撞，以及電動勢分為動生電動勢和感應(yīng)電動勢等.

8 疊加思想

疊加原理是指幾種不同原因的綜合所產(chǎn)生的效果，等于這些不同原因單獨(dú)產(chǎn)生效果的累加.給人們帶來的啟示是，復(fù)雜與簡單、綜合與獨(dú)自之間存在一種內(nèi)在的聯(lián)系和機(jī)制，正因?yàn)檫@種特殊的關(guān)系，也為我們研究和解決一些復(fù)雜的現(xiàn)象提供了一種行之有效的方法.

高中物理教材中的疊加：（1）標(biāo)量的疊加，例如教材必修2在求路徑是曲線的重力做功時，運(yùn)用了標(biāo)量的疊加；（2）矢量的疊加，例如加速度的疊加，電場和磁場的疊加；（3）波的疊加，例如教材中提到波的疊加原理.（4）思想的疊加，例如教材中所述：“從古代光的微粒說，到托馬斯·楊，菲涅爾、馬呂斯光的波動說，從麥克斯韋的電磁波理論，到愛因斯坦的光子理論，直到目前，人們認(rèn)為，光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”.可以說光的波粒二象性這是人類關(guān)于光本質(zhì)認(rèn)識思想上一次疊加的結(jié)果.

9 簡潔性思想

科學(xué)追求的是其簡潔美，正如教材中所述：“科學(xué)概念的力量在于它具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力”，物理定律和原理言約義豐，深刻至簡.（1）用文字來簡潔表述，例如楞次定律的表述：“感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”；（2）用字母或字母表達(dá)式來簡潔表示，例如教材中所述，由第谷的行星的觀測的大量記錄，到開普勒三定律，再到牛頓萬有引力定律由紛繁的數(shù)據(jù)到幾句話，又到一個公式，形式越來越簡潔，但意義越來越深刻.”

10 模型法

模型是指所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達(dá)形式，它可以是根據(jù)實(shí)驗(yàn)、圖樣放大或縮小而制作的樣品，也可以是人們抽象出來的反映事物本質(zhì)特征的研究對象.建立科學(xué)的模型，不僅有助于人們科學(xué)研究和把握事物、過程的特征以及事物的本質(zhì)，而且也有利于人們有效地解決理論問題和指導(dǎo)實(shí)際工作.

高中物理教材中典型的物理模型有：（1）點(diǎn)模型，例如質(zhì)點(diǎn)和點(diǎn)電荷；（2）體模型，例如彈簧振子和單擺以及理想變壓器；（3）狀態(tài)模型，例如理想氣體等；（4）過程模型，力學(xué)中有勻速直線運(yùn)動、自由落體運(yùn)動、平拋運(yùn)動、圓周運(yùn)動等等；熱學(xué)中有氣體的等溫過程、等容過程、等壓過程等等，這些都是理想過程模型；（5）功能模型，例如安培分子電流假說，物質(zhì)微粒內(nèi)的分子電流使它們相當(dāng)于一個個的小磁體；（6）結(jié)構(gòu)模型，例如原子結(jié)構(gòu)模型有湯姆孫原子模型、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾原子模型.

11 守恒思想

守恒主要是指某一物理量或狀態(tài)在數(shù)量、性質(zhì)上保持不變這一特征.世界是豐富多彩，千變?nèi)f化的，但萬變不離其宗，其背后往往總有一個不變的東西在無形地支配著，所以說變與恒是對立的統(tǒng)一.守恒思想就是要在變化中尋求不變、抓住不變、把握不變、運(yùn)用不變的思想.

高中物理教材中守恒思想表現(xiàn)在：（1）狀態(tài)守恒，例如靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)；（2）電荷守恒；（3）動量守恒；（4）能量守恒；（5）質(zhì)量數(shù)守恒，等等.

12 相對性思想

相對是指一個物質(zhì)、物體和另一個物質(zhì)、物體的相互比較.相對和絕對是一對哲學(xué)范疇，絕對是無條件的、永恒的、無限的、普遍的，而相對則是有條件的、暫時的、有限的、特殊的，相對性思想就是突出“相比較”的特征，突出事物的“條件性”.

高中物理教材中相對性思想主要體現(xiàn)在：（1）運(yùn)動的相對性.① 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的相對性，例如教材在講參考系時就涉及到運(yùn)動的相對性，“選擇不同的參考系來觀察同一個物體的運(yùn)動，其結(jié)果會有所不同.”② 定律的相對性，例如教材所述：“……以加速運(yùn)動的火車為參考系，牛頓第一定律并不成立，這樣的參考系叫做非慣性系”；（2）相對論，例如教材中的狹義相對論和廣義相對論.

13 宏微觀統(tǒng)一思想

宏觀是用肉眼直接能夠觀察到的，而微觀則是肉眼直接觀察不到的，它涉及分子、原子、電子等內(nèi)部結(jié)構(gòu)或機(jī)制.宏微觀統(tǒng)一思想就是既要從宏觀（大的方面、整體方面）去研究把握事物，又要從微觀（小的方面、局部方面）去研究把握事物，其實(shí)微觀和宏觀是從不同角度對同一實(shí)物的反映，所以我們必須堅持全面、宏微觀統(tǒng)一的觀點(diǎn)觀察和分析問題.

高中物理教材關(guān)于宏微觀統(tǒng)一的思想：（1）由微觀解釋宏觀，例如氣體壓強(qiáng)的微觀意義，“從微觀的角度看，氣體對容器的壓強(qiáng)是大量分子對容器碰撞引起的.”（2）由宏觀導(dǎo)出微觀，例如教材中“由安培力的表達(dá)式F＝ILB導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式F＝qvB”.

14 表征思想

表征是指信息被記載和表示的方式.我們知道廣義的知識分為陳述性知識和程序性知識，陳述性知識用于回答“是什么”的問題，即符號、事實(shí)、有組織的知識，而程序性知識卻用于回答“怎么辦”的問題.一般來講，陳述性知識主要以命題、命題網(wǎng)絡(luò)和圖式的形式來表征的，而程序性知識的表征則是通過產(chǎn)生式來實(shí)現(xiàn)的.

我們高中物理教材中主要有以下幾種表征.

（1）運(yùn)動的表征.例如簡諧運(yùn)動，是從下面3方面描述：① 物理量：振幅、周期和頻率、相位、回復(fù)力、能量；② 簡諧運(yùn)動表達(dá)式：；③ 位移－時間圖像；還有如機(jī)械波，用波長、頻率、波速、波動圖像來描述.

（2）場的表征.例如電場，① 抽象地描述：a.從力的角度，電場強(qiáng)度；b.從能的角度，電勢、電勢差、電勢能；② 形象直觀描述：電場線、等勢面.

（3）電流的表征.① 對于恒定電流有電流強(qiáng)度、電壓、電阻、電動勢、電功、電功率、電熱等物理量描述；② 對于交變電流還要有周期和頻率、峰值、有效值、相位等物理量加以描述.

（4）現(xiàn)象的表征.這里以熱現(xiàn)象和光現(xiàn)象為例，① 熱現(xiàn)象的表征，描述的物理量有溫度、功、熱、內(nèi)能；描述的定律有熱平衡定律，熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律，熱力學(xué)第三定律.② 光現(xiàn)象的表征，由光直進(jìn)、光反射、光折射、光干涉、光衍射、光偏振、光電效應(yīng)、光的波粒二象性、光的概率波等現(xiàn)象及其定律、原理來描述.

（5）結(jié)構(gòu)的表征.例如物質(zhì)結(jié)構(gòu)，用分子動理論這樣來描述的：“物體由分子組成，分子在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動，分子之間同時存在著引力和斥力.”

（6）規(guī)律原理的表征.規(guī)律有一般規(guī)律和特殊規(guī)律之分，主要用文字來描述以及用字母公式來表達(dá).

15 理想實(shí)驗(yàn)思想

所謂“理想實(shí)驗(yàn)”，又叫做“假想實(shí)驗(yàn)”“抽象的實(shí)驗(yàn)”或“思想上的實(shí)驗(yàn)”，它是人們在思想中塑造的思想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法.“理想實(shí)驗(yàn)”不同于真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐活動，而“理想實(shí)驗(yàn)”是一種思維活動.“理想實(shí)驗(yàn)”并不是脫離實(shí)際的主觀臆想，而是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的.在自然科學(xué)的理論研究中，它具有重要的作用，使人們對實(shí)際的科學(xué)實(shí)驗(yàn)有更為深刻的理解.

教材中愛因斯坦在建立狹義相對論時，也曾經(jīng)做了關(guān)于同時性的相對性的一個“理想實(shí)驗(yàn)”.課本上列舉了一個類似的事例，“假設(shè)一列火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛.車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁，這是兩件事件.”車上的觀察者以車廂為參考系，認(rèn)為這兩件事是同時的.而車下的觀察者以地面為參考系，所觀測到的卻是閃光先到達(dá)后壁，后到達(dá)前壁，因此認(rèn)為這兩件事是不同時的.

總之，以上所列舉的只是中學(xué)里較為常用和實(shí)用的一些思想和方法，其實(shí)我們高中物理教材中所涉及的物理思想和方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，比如從哲學(xué)的高度和層面來看，還有因果關(guān)系，聯(lián)系發(fā)展的觀點(diǎn)、質(zhì)變和量變的觀點(diǎn)、否定之否定的觀點(diǎn)等等.筆者在這里僅起一個拋磚引玉的作用，以期大家對教材中物理思想方法給予更多的關(guān)注和研究，從而使教材中這些閃光的物理思想方法發(fā)揮更大的作用.