高中物理教材蕴含的物理思想及其应用

[摘 要]物理思想方法和物理知识是物理学科素养的两个方面，大物理教育观认为物理教学不仅仅是物理知识的教学，更是深层次的物理思想方法的教育。文章列举了12种常见物理思想，并简述这些思想在高中物理及日常生活中的应用。

[关鍵词]物理教材;物理思想;建模思想;守恒思想;对称思想;等效思想

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2022）14-0048-03

思想是客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果，物理思想方法和物理知识是物理学科素养的两个方面，它们在内容和形成源流上有一定的关联，物理知识的建立，离不开物理思想方法的规范使用，物理思想方法的形成是以一定的物理知识为基础的。物理思想方法是中学物理教学的重要内容，它和物理知识同等重要且处于最有价值的地位。

物理思想和方法为物理教学提供了广阔的空间，为了更好地把握这些物理思想和方法，笔者以新人教版高中物理教材为蓝本，挖掘其中蕴含的物理思想并简述其应用。

一、建模思想

我们在研究客观存在问题的时候，舍弃次要因素，抓住主要因素，透过问题的表象澄清事物的本质，构建理想化的模型处理和解决实际问题，这种思维体系的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是建模思想。

物理学发展史就是建模史，高中物理教材蕴含的在建模思想指导下构建的物理模型有：（1）理想化模型（包括质点、点电荷、电流元、黑体、光子等）;（2）实物模型（包括滑块、小球、长木板、斜面、轻杆、轻绳、轻弹簧、圆弧槽、滑轮、传送带等）;（3） 状态模型（包括静止状态、平衡状态、临界状态等）;（4）过程模型（包括自由落体运动、匀变速直线运动、渡河模型、抛体运动、匀速圆周运动、碰撞、理想气体状态变化等）;（5）功能模型（包括通电螺线管相当于条形磁体、安培分子电流假说中的分子电流相当于小磁体）;（6）原子结构模型（包括汤姆孙“枣糕”原子模型、卢瑟福核式结构模型、玻尔氢原子模型等）;（7）场模型（包括重力场、静电场、匀强电场、匀强磁场、等效重力场等）。

在日常生活中，把相同性质的问题进行提升归类，找到解决此类问题的最佳方法，此过程就是建模，解决此类问题的方式就是建模思想的应用。

二、守恒思想

自然界的各种事物都在发展变化，在这些变化的背后往往有一个恒定不变的东西在无形地支配着它，这种恒定不变的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是守恒思想。守恒思想就是要在事物变化的表象中寻求守恒、抓住守恒、运用守恒，揭露事物变化的本质背后的本质。物理学中的守恒指的是事物在变化过程或物质在转化迁移过程中某一物理量或状态在数量、性质上保持不变。

高中物理教材中蕴含的守恒思想主要体现为：（1） 能量守恒;（2） 电荷守恒;（3） 动量守恒;（4） 质量数守恒。

生活哲理“付出才有回报”“坐吃山空”“多劳多得”“爱拼才会赢”等就是守恒思想在日常生活中的应用，楞次定律就是能量守恒在电磁感应现象中的应用。

三、对称思想

人的美学是从欣赏人的体形开始的，人体是一个对称体，所以对称也是一种美。在研究物理问题中有一些物理过程或物理图形具有对称性，这种对称的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是对称思想。

高中物理教材蕴含的对称思想主要体现为：超重与失重，动能与动量，动能定理与动量定理;奥斯特发现电能生磁，法拉第根据对称思想认为磁一定能生电，最终导致发电机的发明;麦克斯韦提出“变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场”的设想，最终导致电磁波的发现;德布罗意提出物质波理论;机械振动、机械波图形的对称，等等。

四、等效思想

在自然界中，我们研究一些复杂物理现象的作用效果时，为了使问题简化，常用一个物理量替代其他物理量，但在替代过程中效果相同，这种处理问题方法的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是等效思想。

等效思想的基本特征是等效，高中物理教材中蕴含的等效思想主要体现为：（1）单个矢量的合成与分解;（2）运动的合成与分解;（3）等效替代，如匀变速直线运动的平均速度替代瞬时速度，总电阻替代串并联电路电阻，等效电源，交流电的有效值，等效重力场，等等;（4）等效转换，如微观的电荷转换为通过验电器的锡箔片的开合来判断是否带电等。

应用：在保证效果相同的前提下，将复杂的电场情景变换为简单或熟悉的情景。

五、转化思想

在解决物理问题的过程中，可以将某一物理问题通过一定的方法或途径转化为我们熟悉的另一个物理问题来解决，这一解决问题的思维客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是转化思想。转化思想的特征就是将陌生转化为熟悉，将未知转化为已知，将繁杂转化为简易，从而达到降低思维难度、减少计算量的目的。

高中物理教材中蕴含的转化思想主要有：（1）能量之间的转化，如通过某种力做功实现一种能量转化为另一种能量;（2）质能之间的转化，如重核裂变和轻核聚变都有质量亏损，就实现了质量与能量之间的转化;（3）化无形为有形，如用电场线与磁感线显示电场和磁场等;（4）晶体与非晶体之间的转化，如一定条件下有些晶体与非晶体可以实现相互转化;（5）电场与磁场间的转化;（6）化曲为直;（7）物理量的显示转化，如各种传感器就是物理量转化的产物等。

应用：马路上司机手机信息的密集程度经过大数据分析转化为塞车信号等。

六、整体与隔离思想

整体思想是指人们在处理比较复杂的物理问题时把握好多个物理过程或物理量之间的关联，从问题的整体性质出发，着眼全局，把握系统和过程的整体特征以及总体走向的思想方法;隔离思想就是把物理问题中的单个物体或单个过程从相关的物体系中隔离出来，作为研究对象，进行分析、研究的方法，这些解决问题方法的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是整体与隔离思想。两种思想认识的角度不同，整体思想是从大局出发，宏观上揭示事物的本质和规律;隔离思想是从局部出发，通过各个问题的关联来联系，从而揭示事物的内在规律。

高中物理教材中蕴含的整体与隔离思想主要体现为：（1）力学中的整体求加速度，隔离求内力;（2）电学中的整体与隔离;（3）热学中整体求内能变化，隔离求变化原因;（4）机械振动、机械波中整体展示波形图，隔离求波的相关物理量;（5）原子物理中整体展示原子核式结构，隔离展示原子跃迁、光谱等，整体显示核能，隔离求核力、结合能等。

应用：班级管理中整体法构建班规，隔离法奖罚个体学生等。

七、微元累加思想

在处理一些变化的物理问题时把物理量无限细分，分割成无限小，然后对所有局部求和，从而达到解决问题的目的，这种把变化的物理量转化为便于计算的恒量的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是微元累加思想，这种思想的关键是先微元后累加。

高中物理教材中蕴含的微元累加思想主要体现为：匀变速直线运动的位移公式的推导，弹力做功与弹性势能，变力做功的计算，气体膨胀对外做功，等等。

应用：求运动员拖着汽车轮胎绕操场匀速绕行一周所做的功;“曹冲称象”。

八、类比思想

根据两个（类）具有某些相同或相似特征的事物的对比，从某一事物的某些已知特征推测另一事物的相应特征，这种思维的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是类比思想。类比思想是在两个特殊事物之间进行分析比较，它不需要对大量特殊事物进行分析研究。类比思想是连接新旧知识的纽带，是猜想的前提，是发现的前兆，同时也是培养学生探究能力和创新能力的有力工具。

高中物理教材中蕴含的类比思想主要体现为：（1）场物质类比;（2）运动形式类比，如平抛运动与类平抛运动;（3）定律类比，如万有引力定律与库仑定律，机械能守恒定律与只有电场力做功电势能和动能之和守恒;（4）做功类比，如重力做功与重力势能的变化，弹力做功与弹性势能的变化，电场力做功与电势能的变化，分子力做功与分子势能的变化;（5）形态性质类比，如电流与水流，电容器与水容器，电量与水量，电势差与高度差，螺线管与条形磁铁;（6）微观宏观类比，如波尔的原子模型中的跃迁与飞船绕行变轨，气体压强与雨滴打击伞面，等等。

应用：学生管理中的性格类比，同层次班级管理中的班风建设类比，单位管理中的人员类型类比，等等。

九、极限思想

人们在解决一些连续变化的物理问题时，着眼变化过程中的变化趋势及一般规律，忽略过程将问题推向极端状态，得出结果。这种对问题的分析和推理方法的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是极限思想。

极限思想揭示了恒量与变量、有限与无限、已知与未知的对立统一。借助极限思想，人们可以从有限认识无限，从“恒”认识“变”，从已知到未知，从直线认识曲线，从量变认识质变，从近似认识精确。

高中物理教材中蕴含的极限思想主要体现为：（1）概念的建立，如平均速度与瞬时速度、感应电动势与瞬时电动势、平均功率与瞬时功率等;（2）公式推导的应用，如匀变速直线运动的位移公式、向心加速度、弹性势能等;（3）场力做功，如重力做功、电场力做功等;（4）物理实验，如伽利略对自由落体运动的研究、光电门测瞬时速度、利用光的反射实验理解全反射等。

应用：物理中的临界问题;学生勤思考与懒惰的结果预判;班级严管与不管情况下，班风建设问题;自然界极端天气的成因;疫情严控与不控之结果;等等。

十、控制变量思想

自然界中万事万物都在不停地发生各种变化，而且每种变化都是相互联系、相互作用的。决定一种变化产生的因素太多，为了弄清问题变化的原因和规律，常常采用把其中的一个或几个物理量人为地控制起来，使它保持不变，然后再研究改变的两个物理量之间的关系及对事物的影响，最后综合解决问题。这种研究问题方法的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是控制变量思想。

高中物理教材中蕴含的控制变量思想主要体现为：（1）探究力学物理量，如力与运动的关系、理想斜面实验、影响摩擦力大小因素、合外力做功与动能变化关系等;（2）探究电学物理量，如验证欧姆定律、电阻的电流与其两端电压的关系、影响电阻大小的因素等;（3）探究磁学物理量，如影响电磁铁磁性强弱的因素、磁场对通电导线的受力方向等;（4）探究热学物理量，如气体体积、压强、温度三者关系等。

应用：班级管理中学生、家长、教师的关系等。

十一、相对性思想

在科学研究上，任何事物都在多方面因素共同作用下不停地发生演变，研究演变的事物时先要选定一个标准，当然这个标准也在不停变化，这使得研究的事物呈相对性，这种在相对变化中研究问题的方法的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是相对性思想。相对性与绝对性对立统一，相对性是有条件的、受制约的、特殊的、可以改变的，而绝对是无条件的、永恒的、无限的、普遍的。

高中物理教材中蕴含的相对性思想主要体现为：（1）速度的相对性：参考系不同，速度不同;（2）位移的相对性，如运动物体系统产生的热量、电磁感应中电荷量的计算等;（3）公式定律适用条件的相对性，如经典力学理论适用于宏观低速，而量子理论适用于微观高速等;（4）相对中的绝对，如光学中的光速、热学中的绝对零度等;（5）湿度的相对性;（6）相对论，狭义相对论和广义相对论。

应用：同一年级学生成绩的统计分析。

十二、微观统计思想

现实生活中许多物理现象都是微观粒子运动的结果，一个或少数粒子的运动是无規律的，但大量粒子的运动却能表现出一定的特性。科学家在解释这些物理现象时先选取含大量微观粒子的样本分析研究统计其性质，从而推测相应总体的性质，其实质就是用样本估计整体，这种研究问题的方法的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的思想就是微观统计思想。

高中物理教材中蕴含的微观统计思想主要体现为：（1）分子的运动;（2）电子的运动;（3）干涉与衍射纹样的形成;（4）半衰期、核能的产生等。

应用：高考考前的试测，疫苗使用前的抽样评估，高考改革的试点，等等。

笔者在教学中坚持渗透物理思想和方法，帮助学生站在更高的层面理解物理概念和规律，提升物理学科核心素养。许多年以后，学生的物理知识可能会遗忘，但物理思想一定会对他们的生产和生活产生深远影响。当然，本文所述物理思想毕竟有限，高中物理教材中蕴含的物理思想还有许多，笔者在这里仅起一个抛砖引玉的作用，期望大家继续挖掘，给予物理思想更多的关注和研究，并渗透到物理教学中，促进大物理教育观的实现。

[   参   考   文   献   ]

[1]  陈林桥，吉文忠.浅谈高中物理教材中的物理思想方法[J].物理教师，2013（2）：10-12.

[2]  王全，母小勇.模型与建模：国际物理教育新观点[J].外国中小学教育，2009（3）：55-58.

[3]  李茜.谈中学物理教学中科学方法的教育[J].物理通报，2011（1）：19-21.

[4]  单文忠.建模教学与另类物理模型的构建[J].物理教学， 2010（7）：20-22.

（责任编辑 易志毅）