例谈物理教学的科学性问题

陈卫春

(江苏凤凰科学技术出版社，江苏　南京　210009)

例谈物理教学的科学性问题

陈卫春

(江苏凤凰科学技术出版社，江苏南京210009)

摘要：科学性是物理教学的基本要求．如果教师对知识的理解不够准确或深入，教学中就容易出现科学性错误．本文结合一些案例进行探讨，期待能引起广大老师对科学性问题的关注．

关键词：物理教学；科学性；响度；压强；力的作用效果；电能表电流参数

在新知识的学习时，学生往往会受到已有知识、经验的影响．换句话说，正确的知识、经验会促进新知识的学习，而错误的知识、经验则会干扰甚至阻碍新知识的学习．并且错误概念一旦形成，往往很难纠正．

教学中出现科学性错误的原因很多．有教师学科知识不足的原因，也有教材表述不够严谨的原因．教材的价值和功能决定了它必须符合学生的认知特点，能引导学生从“现象到本质、从特殊到一般”地学习物理知识，需做到语言简洁、精炼，结构清晰、重点突出，不可能面面俱到地把教师在课堂上讲授的内容都呈现出来．因此，需要教师结合自己的认知，对教材的内容进行再加工，乃至“重构”．在此过程中，如果仅仅从字面上去理解教材，就很容易出现科学性错误．

1关于响度的单位

苏科版初中物理教材在“生活·物理·社会”中介绍了声强级与人的听觉．为适合初中学生学习，避免过于专业化，2007年版的教材采用“声音的级别和人的感觉”作为标题，指出：“人们用分贝(decibel,符号：dB)为单位来表示声音的强弱”．调查发现，许多教师根据这一表述进行了“再加工”：声音的强弱叫作响度，而声音强弱的单位是分贝，所以响度的单位就是分贝．

这种理解是错误的．响度是一个主观物理量，是依靠人的主观感觉判断得出的声音的相对强弱．根据它可以把声音排成由弱到强的序列．那么客观反映声音强弱的物理量及其单位究竟是什么呢？响度与这个物理量之间存在怎样的关系？

从上面的公式可以看出，振幅越大、圆频率越高，声强越大．但是，从实验得知，人耳对声音强弱的主观感觉并不是与声强成正比，而是近似与声强的对数成正比．为了计量和表达方便，人们引入“声强级”来量度声音的客观强弱．声强I与标准声强I0之比的对数叫作声强I的声强级，其单位是贝尔(B)．这个单位较大，所以实际中常采用贝尔的十分之一作为单位，叫作分贝(dB)．标准声强I0是指对于频率为1000Hz的声波，人耳能听到的最低声强(大小为1×10-12W/m2)，与之对应的声强级是0dB．一般人正常交谈时的声强约为1×10-6W/m2，对应的声强级为60dB．

那么，教材中介绍的响度与声强级之间有什么关系？人们规定，频率为1000Hz、声强级为40dB的声音，其响度为1宋，相当于人耳语时的声音强弱．两个以上非相干声音叠加的响度等于各个声音的响度之和．声音的响度如果判断为1宋的n倍，那么这个声音就为n宋．在经过慎重考虑后，2011年版的苏科版物理教材将该处“生活·物理·社会”的标题改成“不同声强级的声音对人的影响”，不再采用以前模糊的说法．

2压强的物理意义

每一个物理概念，必定有其特定的物理意义．那么，压强的物理意义是什么？听到这个问题时，许多教师会脱口而出：“描述压力的作用效果”；还有的教师指出“它是关于形变的物理量”．真是这样吗？

由此可见，垂直作用在直杆顶端的压力的作用效果(即应变)与正压力F成正比，与受力面积S、直杆材料的杨氏模量E成反比．

由此可见，压力的作用效果与压强不能混为一谈．压强并不是描述压力作用效果的物理量，但是，对于同一种材料来说，即杨氏模量一定的条件下，压力的作用效果与压强成正比，因此压力的作用效果反映了物体所受压强的大小．

那么压强到底是描述什么的物理量？让我们通过类比的方法来帮助理解，如下表所示：

物理量定义方法实质意义声强 单位时间内通过与声波传播方向垂直的面的声能量与面积之比 是指单位时间内、单位面积上所接收的可听声的能量 描述接收处声音的强弱照度(光照强度) 物体表面所得到的光通量与被照面积之比 是指单位时间内、单位面积上所接收的可见光的能量 描述物体被照明的程度压强 物理所受的压力与受力面积之比 单位面积上承受的压力 描述压力作用的强度

由上表可见，压强描述的是作用于受压物体的压力强度，它是施力物体提供的.而压力的作用效果，则是受压物体在压强的作用下被动反映出来的.

有人不禁要问，这么浅显的问题，拥有“一桶水”的教师怎么都没有“悟”出来呢？

笔者从教材上找到了答案．苏科版初中物理教材“活动10.2探究压力作用的效果”中，通过站在沼泽地中的两个小孩(一个站在木板上，一个直接站在沼泽地)陷入沼泽地的程度不同创设情境，提出问题：“压力的作用效果可能与哪些因素有关？”然后，引导学生“体验与猜想”“实验验证”，最后得出实验结论：当受力面积相同时，压力越大，压力的作用效果越明显；当压力相同时，受力面积越小，压力的作用效果越明显．在上述活动的基础上，教材在正文中直接给出了压强的定义，如图1所示．

教材希望通过“活动10.2探究压力的作用效果”来引入压强的概念，并帮助学生理解影响压强大小的因素．但是，很多教师不了解压力的作用效果与压强两者之间的区别和联系，顺着教材字面的含义，将“压强”和“压力的作用效果”之间画上了等号，这是不正确的．

3关于电能表电流参数的解释

过去许多教材将电能表的电流参数解释为：“括号外面的数值表示电能表持续工作时的最大电流，括号里的数值表示在短时间内允许通过电能表的最大电流”．这一说法是错误的．如图2所示是南京市某房屋《住宅使用说明书》中的部分内容．从图中可以看出，该房屋户额定总容量为4kW．供电公司给该房屋安装的电能表电流参数为“10(40)A”．已知家庭电路的电压为220V，按照过去教材的说法，户额定总容量W=UI=220V×10A=2200W<4kW．即电能表所能接入的最大负载功率小于《住宅使用说明书》所标称的户额定总功率，这与实际用电的总功率不相符．修订后的苏科版教材表述为：“括号内的数字为能使电能表长期正常工作，且误差与温升完全满足规定要求的最大电流值．”据此计算户额定总容量W=UI=220V×40A=8800W，这与实际用电的情况相符．由此亦可说明，《住宅使用说明书》中标称的“户额定总容量”是指家庭电路干路能承受的最大功率，当家庭用电总功率超过标称功率时，需要到供电部门申请“扩容”．

电流参数括号外的数字，即“基本电流”表示什么呢？它是用来计算负载基数的．按照国家标准，要使电能表正常启动，启动电流不得小于基本电流的5%．例如，对于基本电流为10A的电能表，最小负载电流应超过10A×5%=0.5A，否则电能表计量就不准确．为提高低负荷计量的准确性，就要选择基本电流较小的电能表．以供电公司所配的家用电能表为例，由于LED灯等小功率电器的广泛使用，原先电流参数为“10(40)A”的电能表已经无法满足测量精度要求，所以供电公司于2015年3月，将电能表换成了如图3所示的电流参数为“5(60)A”的电能表．

无论是教材编写，还是日常教学，关注科学性都是一个永恒的话题．教学领域的“科学性”具有“学科科学性”和“教学科学性”双重意蕴．学科科学性是指教学内容不能出现科学性错误；而教学科学性则是指知识内容的呈现方式应当符合学生的认知特点，适合学生学习．这两者之间既相互联系，又相互对立．如果过于强调学科的科学性，就会导致教学科学性降低，学生不爱学；如果过多关注学生的认知特点和生活经验，又会导致学科科学性降低．如何恰当处理这对矛盾，这对于教材编写者和教师都是智慧的考验，需要在实践中不断积累和不断优化．

参考文献：

[1]人民教育教育出版社物理室．中等学校适用物理教师手册[M]．北京：人民教育出版社，1998：106-110．

[2]刘炳昇，李容．义务教育教科书物理[M]．南京：江苏科学技术出版社，2013．

[3]刘炳昇，李容．物理教师教学用书九年级下册[M]．南京：江苏科学技术出版社，2013：6．