邢紅軍 童大振 龔文慧

摘 ? 要?在中學(xué)物理教學(xué)中，物理描述范式主要包括運(yùn)動的描述范式、場的描述范式以及電磁系統(tǒng)的描述范式。中學(xué)物理描述范式作為中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容，對于建構(gòu)學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)、發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)以及中學(xué)物理教科書編寫都具有重要的啟示意義與研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞?物理描述范式 ?認(rèn)知結(jié)構(gòu) ?核心素養(yǎng) ?教科書

物理描述范式的建立借用了庫恩的范式概念。所謂物理描述范式，是指從某一理論或視角出發(fā)所發(fā)展出的對一類物理現(xiàn)象的描述方式。這種描述范式，既不是物理知識，也不是物理方法，亦不是物理思想與觀念。它高于具體的物理理論，通過設(shè)定系列化的物理符號，從而達(dá)成對物理學(xué)本質(zhì)的描述，同時(shí)建立起不同描述范式的聯(lián)系。

由于物理描述范式不僅對學(xué)生學(xué)好物理學(xué)具有重要的作用，而且對于完善學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)同樣具有重要的價(jià)值。因此，不同的描述范式相互配合與補(bǔ)充，就構(gòu)成了人們對物理學(xué)的整體認(rèn)識。有鑒于此，我們嘗試對中學(xué)物理的描述范式進(jìn)行研究，希望能夠?qū)χ袑W(xué)物理教學(xué)提供有益的啟示。

一、中學(xué)物理描述范式

中學(xué)物理的描述范式主要包括運(yùn)動的兩類描述、場的兩類描述以及電磁系統(tǒng)的兩類描述。對這些描述范式的內(nèi)涵與應(yīng)用展開研究，就在一定程度上為我們深刻地認(rèn)識中學(xué)物理的體系，打開了一扇塵封已久的大門。

1.中學(xué)物理描述范式之“運(yùn)動”描述

在中學(xué)物理范疇內(nèi)，運(yùn)動的描述有兩種范式，即線量描述和角量描述。線量描述是一維的，較易理解。學(xué)生在初中物理的學(xué)習(xí)中就開始學(xué)習(xí)用線量來描述運(yùn)動，這些物理量包括路程、時(shí)間以及速度（準(zhǔn)確地說是速率）;高中教材又借助位移、速度以及加速度等線量進(jìn)一步描述物體的運(yùn)動狀態(tài)。由于線量描述的適用范圍廣、操作簡單，就使其成為人們描述運(yùn)動的首選方式。相比之下，角量描述是二維的，更為抽象。所以直至進(jìn)入高中，學(xué)生在圓周運(yùn)動的學(xué)習(xí)中才開始接觸角位移、角速度等角量。角量描述的出現(xiàn)既是運(yùn)動描述的深化，也是學(xué)生物理描述方式的一個(gè)重大轉(zhuǎn)變。

雖然角量描述較晚進(jìn)入學(xué)生的視野，但在運(yùn)動的描述中，角量描述與線量描述卻具有同等重要的地位，它們都屬于中學(xué)物理描述范式的范疇。以“圓周運(yùn)動”教學(xué)為例，高中教材先介紹圓周運(yùn)動的線速度，再介紹角速度，最后分析二者之間的關(guān)系。誠然，圓周運(yùn)動需要角量和線量共同描述，但教材的呈現(xiàn)順序和方式卻不利于學(xué)生把握本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)，因?yàn)榻滩牡木帉憶]有突出角量作為運(yùn)動描述方式的重要地位，使其處于附屬線量描述的地位，這是對運(yùn)動描述范式認(rèn)識不清的典型表現(xiàn)。

2.中學(xué)物理描述范式之“場”描述

在中學(xué)物理教學(xué)中，對于場的描述也有兩種范式，即“力”的范式和“能量”的范式。從力的角度出發(fā)，最直觀的感受是，場與場之間存在相互作用。比如，在電場中放入一點(diǎn)電荷，該電荷會受到一個(gè)力的作用，這個(gè)力就是電場對其施加的“電場力”;又如，蘋果之所以會下落是因?yàn)樗艿搅酥亓鰧ζ涫┘拥摹爸亓隽Α保ê喎Q“重力”）。電場力、重力等統(tǒng)稱為“場力”。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，試探物所受的場力與試探物的電量或質(zhì)量之比為定值，與試探物無關(guān)，僅與場的位置有關(guān)，這個(gè)比值就是“場強(qiáng)”，它反映了場自身的特性。從能量的角度出發(fā)描述場，物質(zhì)系統(tǒng)因各物體之間存在相互作用而具有能量。該能量是由于處于“場”中的物體因位置變化而具有的，我們稱之為“勢能”。如電勢能、重力勢能等。與從力的角度描述場相似，在能量的視角下勢能與試探物的電量或質(zhì)量之比也為定值，與試探物無關(guān)，僅與場的位置有關(guān)，這個(gè)比值就是“勢”，它同樣反映了場自身的特性。進(jìn)一步，兩個(gè)視角描述場通過“勢差”建立聯(lián)系，從而使場的描述趨于完備。

通過力和能量兩個(gè)角度共同搭建了場描述的完整框架，這對于完善學(xué)生場的認(rèn)知結(jié)構(gòu)具有重要作用。通過梳理高中物理教材中重力場和靜電場的描述可知，教材從力和能量兩個(gè)角度對靜電場進(jìn)行了全面的描述，但重力場的描述則存在以下問題：第一，從力的角度描述缺少重力場強(qiáng)的引入;第二，從能量的角度描述缺失重力勢;第三，由于重力場強(qiáng)與重力勢的缺失，就不可能建立起兩種描述范式的聯(lián)系[2]。因此，我們認(rèn)為，高中物理教材關(guān)于重力場的描述是不完備的，這就會反過來影響學(xué)生對于靜電場的完整理解。這一問題的本質(zhì)在于，高中物理教材的編寫沒有從中學(xué)物理描述范式的角度處理重力場與靜電場的關(guān)系，從而導(dǎo)致長期以來靜電場教學(xué)成為教學(xué)難點(diǎn)。

3.中學(xué)物理描述范式之“電磁系統(tǒng)”描述

在中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容中，描述電磁系統(tǒng)同樣有兩種范式，即“場”的范式和“路”的范式，反映在物理知識層面就是電磁場理論與電路理論。在場的范式下，主要是研究電場和磁場的性質(zhì)、關(guān)系與變化規(guī)律，它是用場量來描述場中各點(diǎn)的特性和能量分布的情況。因此，我們既可以從力的角度也可以通過能量的角度描述電磁系統(tǒng)，這在“場”的描述范式中已做了詳盡論述，此處不再贅述。而在路的范式下，研究者關(guān)注的是一段電路或整個(gè)電路的特性和能量轉(zhuǎn)換情況。所以，人們往往只是關(guān)心與能量輸送有直接關(guān)系的物理量，而不必具體研究橫截面上不同點(diǎn)的物理情況[3]。

例如，高中焦耳定律的推導(dǎo)就涉及了兩種不同的描述范式，但許多人卻渾然不覺，其原因就在于不清楚中學(xué)物理的描述范式。人教版教材“焦耳定律”開篇指出，“所謂電流做功，實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。自由電荷在靜電力作用下沿靜電力的方向做定向移動，結(jié)果電荷的電勢能減小，其他形式的能增加?！盵4]這其中就包含了路量和場量。接著，教材給出了靜電力做功的表達(dá)式W=qU，把q=It代入，得到W=IUt。最后，根據(jù)歐姆定律U=IR，得到焦耳定律Q=W=I2Rt，其中Q為電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量。教材利用公式代換就“輕巧”得出了焦耳定律的表達(dá)式，但是以上推導(dǎo)方式存在的幾個(gè)問題卻值得深思。第一，為什么從靜電力做功的表達(dá)式W=qU入手，即從場的描述范式出發(fā)？第二，公式推導(dǎo)過程僅僅是數(shù)學(xué)表達(dá)式的代換嗎？背后的物理本質(zhì)是什么？這些問題的模糊化往往會導(dǎo)致教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)均處于“知其然，而不知其所以然”的狀態(tài)。

基于此，我們認(rèn)為，教學(xué)伊始教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)靜電力做功與電勢差的關(guān)系，即W=QU。這樣安排能夠很好地起到承上啟下的作用，使整個(gè)教學(xué)邏輯井然有序。通過場描述范式下相關(guān)內(nèi)容的回顧，就自然選擇從場的視角出發(fā)。因此，靜電力做的功與電勢差的關(guān)系就可以寫成（1）：W（場）=qU（場），式中的W（場）為靜電力在電場中所做的功，U（場）為電場中的電勢差;然后，借助電荷量與電流的關(guān)系式（2）：q=I（路）t，代入（1）式得到電流在電路中做功的表達(dá)式（3）：W（路）=I（路）U（路）t，式中W（路）為電流在一段電路中所做的功，U（路）為電路兩端的電壓;最后，利用歐姆定律（4）：U（路）=I（路）R（路），代入（3）式得出焦耳定律的表達(dá)式（5）：Q（路）=W（路）=I2（路）R（路）t，式中Q（路）為電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量。

綜上所述，焦耳定律是在經(jīng)歷“場”→“路”→“路”轉(zhuǎn)變之后才得出的。需要說明的是，雖然W=qU與W=IUt中都含有物理量W和U，但在不同表達(dá)式中，相同的物理量卻具有截然不同的物理意義，因?yàn)樗鼈兎謱俨煌奈锢砻枋龇妒?。顯而易見，唯有顯化這樣的推導(dǎo)過程，才能凸顯物理教學(xué)過程中內(nèi)在的思維變換，才能咀嚼出物理教學(xué)的“味道”。

二、中學(xué)物理描述范式對教學(xué)的作用

1.中學(xué)物理描述范式的教育價(jià)值

在當(dāng)前發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的背景下，《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》推出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度。

在物理教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，還可以做更深入的思考。對于物理學(xué)的研究，楊振寧先生曾經(jīng)說道：“研究物理學(xué)好象看一幅很大的畫，看這一幅畫可以有幾種看法。一是必須在近距離仔細(xì)研究。二是應(yīng)當(dāng)在遠(yuǎn)距離去看它，三是還有中距離的看法，物理學(xué)需要近、中、遠(yuǎn)三種看法。”[5]受楊振寧先生這個(gè)觀點(diǎn)的啟發(fā)，我們認(rèn)為，在中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程中，對物理知識的學(xué)習(xí)是從近距離看物理，對物理方法的掌握是從中距離看物理，而對物理描述范式的把握就屬于從遠(yuǎn)距離看物理。顯然，物理教學(xué)需要教會學(xué)生從近、中、遠(yuǎn)三個(gè)不同距離看物理。因此，中學(xué)物理描述范式的教育價(jià)值就在于，它能夠教會學(xué)生學(xué)會從遠(yuǎn)距離看物理，這就使我們對物理教育的認(rèn)識產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。

2.中學(xué)物理描述范式的教學(xué)功能

我們目前的物理教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容往往是按照教材呈現(xiàn)知識點(diǎn)的先后順序進(jìn)行的。因此，教師往往采用傳授知識的方法幫助學(xué)生形成物理知識結(jié)構(gòu)。然而，這種教學(xué)方法僅僅是在搭建知識結(jié)構(gòu)，與運(yùn)用物理描述范式搭建的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。為了避免將物理描述范式誤解為是對物理知識的總結(jié)，就需要對物理描述范式的意義有深刻理解。

雖然物理描述范式是以物理知識為依托的，但它并不囿于知識的呈現(xiàn)順序，也不受單元、章節(jié)的限制。以電磁系統(tǒng)的描述范式為例，電路、磁場是初中物理的知識，其中既有路的視角也有場的視角;進(jìn)入高中后，電勢差、磁感應(yīng)強(qiáng)度等知識的學(xué)習(xí)又進(jìn)一步豐富了學(xué)生既有的路和場的視角。由此可見，物理描述范式的教學(xué)是不受時(shí)間限制且不斷進(jìn)階的。

3.中學(xué)物理描述范式對教科書編寫的啟示

現(xiàn)行物理教科書的編寫依據(jù)主要源于社會結(jié)構(gòu)、學(xué)生心理結(jié)構(gòu)和學(xué)科結(jié)構(gòu)三者的結(jié)合，最終以單元“知識塊”的形式呈現(xiàn)，但單元與單元之間的內(nèi)在聯(lián)系欠佳，不利于學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成。而物理描述范式是對知識、技能、方法等之外更加上位的教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)規(guī)則，是物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的頂層部分。運(yùn)用物理描述范式，能夠?qū)⑽锢斫滩牡牟煌瑔卧酥敛煌鹿?jié)揉合在一起。如前所述，場的描述包括“力”的描述范式和“能量”的描述范式，這兩種描述范式既可以描述重力場，又可以描述靜電場，這就把不同章節(jié)、不同知識聯(lián)系在了一起，并且能夠從一個(gè)全新的角度來詮釋不同物理知識形成的來龍去脈，揭示物理知識的本質(zhì)，使學(xué)生對物理學(xué)的認(rèn)識發(fā)生深刻的變革，這就為物理教科書的編寫提供了有益的啟示。

參考文獻(xiàn)

[1] 張婷玉，陳清梅，邢紅軍.圓周運(yùn)動的高端備課[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，36（03）.

[2] 趙曉蕊，邢紅軍.高中物理教學(xué)中兩類場描述的方式對比研究[J].湖南中學(xué)物理，2018，33（09）.

[3] 黃永修.基礎(chǔ)物理專題分析[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[4] 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理：選修（3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[5] 楊振寧.楊振寧演講集[M].天津：南開大學(xué)出版社，1989.

【責(zé)任編輯 ? 孫曉雯】