大学物理概念教学方法的探析

摘要：物理概念作为物理学知识体系的支柱，对其理解和掌握的程度直接影响到教学质量。对物理概念教学的实施原则和方式进行了探讨：实施要求在知识传授过程中不仅仅停留在概念本身，更需要从物理概念的需求背景、本质内涵和外延、适用范围、缺陷和改进等诸多方面进行讲解，使学生形成一个完整清晰的物理图像。实施方式要求创造好的学习环境来激发学生的兴趣以及调动学生的主观能动性和创造力。通过有效启发学生的思考，并使其受到科学精神的感染，达到有效理解和掌握物理概念的目的。

关键词：物理学概念；科学素质；科学精神；教学方法；教学效果

中图分类号：G642.1

文献标志码：A 文章编号：2095-5383（2016）02-0106-03

Abstract：Physical concepts are the support of the total physics knowledge system， so understanding and grasping of them are the key to improve the teaching quality. In this paper， the teaching principles and methods about physical concepts are investigated. For teaching principles， except for the analysis of essential meaning， it should give a clear and complete physical picture for students by explaining the concepts from the requirement background， essential connotation and extension， application scope， developing prospect and limitations. For teaching methods， good studying environment should be created to stimulate the interest in learning， initiate students" subjective motive and creation. The methods above can effectively inspire the student"s thinking， strengthen the scientific quality and spirit， and by which the purpose to understand and master the physical concept can be achieved.

Key words：Physical concept；scientific quality；scientific spirit；teaching method；teaching effect

物理学是研究宇宙中存在的各种基本物质结构及其运动和相互作用规律的学科，是人类认识自然和改造自然的工具。大学开设的物理基础课，可培养学生的科学素质和品质，也为后续专业课程学习奠定基础[1]。物理基本概念用于概括、归纳、表述事物变化的基本规律，是学科基础，对其深入学习可培养学生物理学的研究方法和思维[2]。

1 物理概念教学的意义

大学物理通过向学生传授基础物理知识，培养学生基本的物理思维能力、科学品质以及物理学研究方法[3]。物理学概念（包括原理、定理、定律）是针对学科发展需要，在实验和理论基础上，通过反复的概括、抽象和归纳得到的，体现了学科的思维和发展方向，相应的学习和掌握至关重要[2]。

1.1 培养解决和分析问题的能力

物理概念是物理学发展的支柱，任何一门物理学分支的发展都离不开特有物理概念的引入。如力学的发展，离不开力、力矩、动量、能量等基本物理概念的支撑。为了描述阻止物体的力，引入摩擦力，根据物体运动方式不同，又分为滚动和滑动摩擦力；为了研究物体的形变特性，引入了压力、剪切力等概念[4]。

1.2 培养物理学的辩证和统一研究思维

有些物理概念是矛盾的结合体，如光的本质，即“波粒二象性”，对其认识一波三折。最早笛卡尔（Descartes）、牛顿（Newton）的微粒学说，成功解释了光的直线传播现象。波动学说起源于胡克（Hooke），认为光是类似水波振动，惠更斯（Huyghens）提出光是纵波。“牛顿环”体现了光的波动性，却以微粒和以太进行解释。随着托马斯·杨（Thomas Yang）干涉、菲涅耳（Fresnel）衍射、麦克斯韦（Maxwell）电磁场理论研究，以及赫兹（Hertz）对光的电磁波本质实验证明，人们逐步接受了光的波动性。直到19世纪末，在光电效应研究基础上，爱因斯坦（Einstein）提出了光的“波粒二象性”[5]，为新学说奠定了基础，如康普顿效应， 德布罗意物质波、测不准原理、薛定谔波动方程等。

1.3 培养融会贯通、触类旁通能力

很多物理概念会经历提出、实验或理论证实，逐步推广和深化，甚至扩展到其他领域的过程。这说明该概念的思维反映事物本质，精确描述了对象特征。如热学里“熵”概念，最先由克劳修斯（Clausius）基于描述热机循环状态的需要而提出，后来分子运动论将其解释为不可逆热力学过程是趋向于概论增加的态变化（波耳兹曼熵）。经过多年沉淀，又被控制论、数论、概率论、生命科学、天体物理等领域引入并应用，说明其思维方式被认同[6]。教学中可以把熵作为专题进行讲解，从不同学科集中阐述物理思维。

2 物理概念教学的方法

大学物理学的教学目的如下：1）通过掌握基础物理知识，为学习后续专业知识打好基础；2）全面了解物理学研究方法、基本概念、物理图像以及历史渊源、发展等；3）培养和提高大学生科学素质、思想、品质、精神等，通过了解科学发展的曲折和艰辛，科学研究的合作和乐趣等，培养学生科学思维方法、求真务实的科学品格，使其初步具备科学研究能力[1，7]。下面结合物理学特点以及教育理论和实践，对物理概念教学方法进行探讨。

2.1 引入物理概念背景的教育需求

介绍物理学概念背景帮助学生充分理解概念引入的意义和作用。在此基础上，设计问题引导学生进行自我思考，如：若你们在此背景下引入新概念，应该采用什么

概念来描述物质特性或规律，它与现有概念相比有哪些优缺点？ 通过学生的深入思考和讨论，使其充分认识和理解所引物理学概念的意义和重要性。这也是启发式教学的常用方式[8]。如讲解微粒比表面时，根据背景提问：对于一个物体而言，表面原子存在大量断键而很不稳定，表现为较强活性，是不是体积越大活性越强？通过讨论发现单纯的体积特征不合理，体积越大，内部包含原子数越多。进一步提问：如何描述微粒活性，并进行相应对比？这会激发学生的兴趣，出现类似单位质量的物质表面等答案。最后，指出微观粒子的尺寸效应最为重要，引出单位体积的表面积概念，即比表面积。

2.2 讲清物理概念的本质内涵和外延

物理概念的发展体现在内涵不断丰富和外延在不同领域的扩展。温度概念的发展就体现了内涵的丰富，从表征“环境的冷热程度”到“分子平均平动动能的量度”，再到“物体内部分子的无规则热运动剧烈程度”，最后推广到“粒子集居数的反转现象”，也就是 “系统处于总能量高于平均能量的状态”，并提出负温度的概念。折射率的概念则体现了其外延的扩展，最初表征不同材料之间的偏折，后表征传播速度。其实光传输的速度决定于材料原子之间电场的大小，也体现了原子结合力的高低，所以所承载的外延信息很多，包括光学、原子物理以及物质结构等不同学科。一些物理学概念是联系不同领域的纽带，如阿伏伽德罗常数是联系宏观与微观的桥梁，对其内涵的理解比单纯数值更有意义。

2.3 循序渐进和系统性的教学

有些概念贯穿于整个物理学体系中，需要多学科的共同学习才能深入和系统地认识。以物理学中极其重要的“场”的概念为例，最先由法拉第（Faraday）基于电磁相互作用的超距观点提出并进行直观描述；随后麦克斯韦从数学上推导了电场和磁场强度的波动方程，深刻地阐述了电磁场能量的分布[9]；列别捷夫（Lebedev）通过对光压的观测证明了电磁场动量特性；爱因斯坦狭义相对论的创立，证明场是物质存在的一种形式，具有能量、动量和质量；量子力学体现了场的“波粒二象性”；电磁场量子理论证明光子是电磁场的基本微粒，可与正负电子对相互转化，具有实物转化性，丰富了场的物理本质和内涵[10]。“场”在电磁学、力学、相对论、量子力学等领域都有体现。教学中要从“场”的基本特性、规律和共性出发，逐步深入：最初通过力学中重力（万有引力）引入重力场强、重力势能（引力场强、引力势函数），初步建立场的概念；电磁学或电动力学则通过电荷库仑力场引入库仑场强和库仑势，通过场矢量的通量分析和环流分析分别得到高斯定理和安培环路定理；相对论和量子力学通过波函数分析进一步加深对场的理解。

2.4 引入必要的物理学史教育

物理学的发展过程是科学家为了解决自然界遇到的新问题而不断探索的过程，所提物理概念是对所描述对象的高度概括[11]。新概念的提出、完善和修正需要科学检验和论证，错误的被推翻或修正，正确的被采用或推广，这体现了物理学思维方式。结合物理学史，对成功或失败的物理概念进行分析和对比，有助于培养学生理性思维。成功实例：原子物理中 “紫外灾难”催生了普朗克（planck）的量子概念，后来爱因斯坦的光量子说，成功地解释了光电效应，开启了量子力学新篇章；描述基本粒子单元的夸克（quark）概念，被逐渐证实。失败实例：描述光传输的“以太”概念被实验否定。当前还有很多概念亟待进一步论证，波尔（Bohr）与爱因斯坦关于量子力学的著名论战就是一个很好的证明。这可以培养学生思辨的习惯、求实的精神和相互包容的优良品质。

2.5 构建清晰物理图像

很多概念的提出都基于不同的研究思路和思维，需要建立完整清晰的物理图像再现其物理思维和描述意义[12]。以麦克斯韦方程组为例，它体现了电磁学基本研究思路：对电场和磁场进行曲面和曲线积分，得到相应的源。学科适用范围体现了不同思维，如电磁学规律是基于宏观的分析，量子力学是处理微观世界的规律，具有完全不同的研究思路和适用范围。以电磁波发射为例，电动力学基于LC振荡，量子力学电子跃迁。对比讲解对构建知识体系和正确应用很有益。

形象化表述是构建物理图像的主要方法之一，如在光学中讲述菲尼尔圆孔衍射的光强空间分布规律时，可以采用半波带法、矢量图解法等进行分解，达到获得清晰物理图像的目的[13]。加强实验教学有助于构建物理图像，可分为重建性和探究性，通过实验再现物理知识或根据预设要求通过实验得到结果。

3 教学措施和效果

为了有效开展物理概念教学，我们对教学方法进行了改革，主要涉及到：分组讨论式教学、改革考试方式、推行非标准化答案、重建基本概念、推荐内容丰富的教材和参考书、加强实验教学等。

分组讨论式教学是创造机会使学生对物理概念的提出背景、必要性、可以解决的问题进行深入讨论，在争论中增强对概念本质的认识。典型问题有：物理概念需求背景、自我设想和构建、解决问题程度和预期目标、现有物理概念对比等。通过以上教学，学生在考试中对基本概念的描述正确率大大增加，平均得分率由72%提高到83%。

非标准化答案旨在锻炼学生想象力和发散性思维，围绕物理概念进行问题设计，采用多种表述方式进行分析。采用撰写论文形式进行考试，要求学生通过文献查询、收集信息等方式来阐述物理概念的内涵和外延等，全面锻炼学生能力：信息查询、归纳总结以及写作表述能力等。考试成绩比重由原来的15%增加到30%，更能体现学生能力水平。

随着学习不断深入，需要通过扩展物理概念的内涵或外延对新事物及其特性规律进行描述。如随着激光光强的增加，对材料的光电离会由单光子电离扩展到多光子电离，由线性光学扩展到非线性光学以及激光等离子体物理[14]。

推荐内容丰富的教材和参考书也是一种很好的方式。如原子物理教学中可推荐杨福家的《原子物理学》[15]，该书图文并茂，有很多经典故事，同时设计了很多启发式问题，使用者反映良好。光学教学中可推荐冯国英、周寿桓编写的《波动光学》[16]，该书内容丰富，主要物理概念和定律后面附有Matlab应用实例，有利于学生学以致用和形象化理解物理概念。另外，美国学者Art Hobson编写的《物理学的概念与文化素养》等，都能为物理学概念的学习提供很好的参考。

4 结语

物理学概念是物理学发展和前进的基石，体现了研究过程中遇到的新问题，反映了为了解决问题提出的新思维和方法，表征了物理学发展的趋势和方向。物理学概念学习主要体现在基础知识的掌握、科学品质和精神的培养、科学素质的锻炼等方面。从教学方法上需要从构建物理图像出发，结合物理学史的引入，激发学生主动性，达到全面掌握物理概念内涵和外延的目的。具体实施方式上，可以结合考试改革、非标准化答案、推荐优秀教材等来实现。

参考文献：

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