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中学物理描述范式及其教学价值

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邢红军童大振龚文慧

摘 ? 要?在中学物理教学中，物理描述范式主要包括运动的描述范式、场的描述范式以及电磁系统的描述范式。中学物理描述范式作为中学物理教学的重要内容，对于建构学生的物理认知结构、发展学生的物理核心素养以及中学物理教科书编写都具有重要的启示意义与研究价值。

关键词?物理描述范式 ?认知结构 ?核心素养 ?教科书

物理描述范式的建立借用了库恩的范式概念。所谓物理描述范式，是指从某一理论或视角出发所发展出的对一类物理现象的描述方式。这种描述范式，既不是物理知识，也不是物理方法，亦不是物理思想与观念。它高于具体的物理理论，通过设定系列化的物理符号，从而达成对物理学本质的描述，同时建立起不同描述范式的联系。

由于物理描述范式不仅对学生学好物理学具有重要的作用，而且对于完善学生的物理认知结构同样具有重要的价值。因此，不同的描述范式相互配合与补充，就构成了人们对物理学的整体认识。有鉴于此，我们尝试对中学物理的描述范式进行研究，希望能够对中学物理教学提供有益的启示。一、中学物理描述范式

中学物理的描述范式主要包括运动的两类描述、场的两类描述以及电磁系统的两类描述。对这些描述范式的内涵与应用展开研究，就在一定程度上为我们深刻地认识中学物理的体系，打开了一扇尘封已久的大门。

1.中学物理描述范式之“运动”描述

在中学物理范畴内，运动的描述有两种范式，即线量描述和角量描述。线量描述是一维的，较易理解。学生在初中物理的学习中就开始学习用线量来描述运动，这些物理量包括路程、时间以及速度（准确地说是速率）;高中教材又借助位移、速度以及加速度等线量进一步描述物体的运动状态。由于线量描述的适用范围广、操作简单，就使其成为人们描述运动的首选方式。相比之下，角量描述是二维的，更为抽象。所以直至进入高中，学生在圆周运动的学习中才开始接触角位移、角速度等角量。角量描述的出现既是运动描述的深化，也是学生物理描述方式的一个重大转变。

虽然角量描述较晚进入学生的视野，但在运动的描述中，角量描述与线量描述却具有同等重要的地位，它们都属于中学物理描述范式的范畴。以“圆周运动”教学为例，高中教材先介绍圆周运动的线速度，再介绍角速度，最后分析二者之间的关系。诚然，圆周运动需要角量和线量共同描述，但教材的呈现顺序和方式却不利于学生把握本节课的教学重难点，因为教材的编写没有突出角量作为运动描述方式的重要地位，使其处于附属线量描述的地位，这是对运动描述范式认识不清的典型表现。

2.中学物理描述范式之“场”描述

在中学物理教学中，对于场的描述也有两种范式，即“力”的范式和“能量”的范式。从力的角度出发，最直观的感受是，场与场之间存在相互作用。比如，在电场中放入一点电荷，该电荷会受到一个力的作用，这个力就是电场对其施加的“电场力”;又如，苹果之所以会下落是因为它受到了重力场对其施加的“重力场力”（简称“重力”）。电场力、重力等统称为“场力”。进一步研究发现，试探物所受的场力与试探物的电量或质量之比为定值，与试探物无关，仅与场的位置有关，这个比值就是“场强”，它反映了场自身的特性。从能量的角度出发描述场，物质系统因各物体之间存在相互作用而具有能量。该能量是由于处于“场”中的物体因位置变化而具有的，我们称之为“势能”。如电势能、重力势能等。与从力的角度描述場相似，在能量的视角下势能与试探物的电量或质量之比也为定值，与试探物无关，仅与场的位置有关，这个比值就是“势”，它同样反映了场自身的特性。进一步，两个视角描述场通过“势差”建立联系，从而使场的描述趋于完备。

通过力和能量两个角度共同搭建了场描述的完整框架，这对于完善学生场的认知结构具有重要作用。通过梳理高中物理教材中重力场和静电场的描述可知，教材从力和能量两个角度对静电场进行了全面的描述，但重力场的描述则存在以下问题：第一，从力的角度描述缺少重力场强的引入;第二，从能量的角度描述缺失重力势;第三，由于重力场强与重力势的缺失，就不可能建立起两种描述范式的联系[2]。因此，我们认为，高中物理教材关于重力场的描述是不完备的，这就会反过来影响学生对于静电场的完整理解。这一问题的本质在于，高中物理教材的编写没有从中学物理描述范式的角度处理重力场与静电场的关系，从而导致长期以来静电场教学成为教学难点。

3.中学物理描述范式之“电磁系统”描述

在中学物理教学内容中，描述电磁系统同样有两种范式，即“场”的范式和“路”的范式，反映在物理知识层面就是电磁场理论与电路理论。在场的范式下，主要是研究电场和磁场的性质、关系与变化规律，它是用场量来描述场中各点的特性和能量分布的情况。因此，我们既可以从力的角度也可以通过能量的角度描述电磁系统，这在“场”的描述范式中已做了详尽论述，此处不再赘述。而在路的范式下，研究者关注的是一段电路或整个电路的特性和能量转换情况。所以，人们往往只是关心与能量输送有直接关系的物理量，而不必具体研究横截面上不同点的物理情况[3]。

例如，高中焦耳定律的推导就涉及了两种不同的描述范式，但许多人却浑然不觉，其原因就在于不清楚中学物理的描述范式。人教版教材“焦耳定律”开篇指出，“所谓电流做功，实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。自由电荷在静电力作用下沿静电力的方向做定向移动，结果电荷的电势能减小，其他形式的能增加。”[4]这其中就包含了路量和场量。接着，教材给出了静电力做功的表达式W=qU，把q=It代入，得到W=IUt。最后，根据欧姆定律U=IR，得到焦耳定律Q=W=I2Rt，其中Q为电流通过导体产生的热量。教材利用公式代换就“轻巧”得出了焦耳定律的表达式，但是以上推导方式存在的几个问题却值得深思。第一，为什么从静电力做功的表达式W=qU入手，即从场的描述范式出发？第二，公式推导过程仅仅是数学表达式的代换吗？背后的物理本质是什么？这些问题的模糊化往往会导致教师的教学和学生的学习均处于“知其然，而不知其所以然”的状态。

基于此，我们认为，教学伊始教师应带领学生复习静电力做功与电势差的关系，即W=QU。这样安排能够很好地起到承上启下的作用，使整个教学逻辑井然有序。通过场描述范式下相关内容的回顾，就自然选择从场的视角出发。因此，静电力做的功与电势差的关系就可以写成（1）：W（场）=qU（场），式中的W（场）为静电力在电场中所做的功，U（场）为电场中的电势差;然后，借助电荷量与电流的关系式（2）：q=I（路）t，代入（1）式得到电流在电路中做功的表达式（3）：W（路）=I（路）U（路）t，式中W（路）为电流在一段电路中所做的功，U（路）为电路两端的电压;最后，利用欧姆定律（4）：U（路）=I（路）R（路），代入（3）式得出焦耳定律的表达式（5）：Q（路）=W（路）=I2（路）R（路）t，式中Q（路）为电流通过导体产生的热量。

综上所述，焦耳定律是在经历“场”→“路”→“路”转变之后才得出的。需要说明的是，虽然W=qU与W=IUt中都含有物理量W和U，但在不同表达式中，相同的物理量却具有截然不同的物理意义，因为它们分属不同的物理描述范式。显而易见，唯有显化这样的推导过程，才能凸显物理教学过程中内在的思维变换，才能咀嚼出物理教学的“味道”。二、中学物理描述范式对教学的作用

1.中学物理描述范式的教育价值

在当前发展学生核心素养的背景下，《物理课程标准》推出了物理学科核心素养，包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任四个维度。

在物理教学中发展学生的科学思维，还可以做更深入的思考。对于物理学的研究，杨振宁先生曾经说道：“研究物理学好象看一幅很大的画，看这一幅画可以有几种看法。一是必须在近距离仔细研究。二是应当在远距离去看它，三是还有中距离的看法，物理学需要近、中、远三种看法。”[5]受杨振宁先生这个观点的启发，我们认为，在中学生学习物理的过程中，对物理知识的学习是从近距离看物理，对物理方法的掌握是从中距离看物理，而对物理描述范式的把握就属于从远距离看物理。显然，物理教学需要教会学生从近、中、远三个不同距离看物理。因此，中学物理描述范式的教育价值就在于，它能够教会学生学会从远距离看物理，这就使我们对物理教育的认识产生了一个飞跃。

2.中学物理描述范式的教学功能

我们目前的物理教学，教学内容往往是按照教材呈现知识点的先后顺序进行的。因此，教师往往采用传授知识的方法帮助学生形成物理知识结构。然而，这种教学方法仅仅是在搭建知识结构，与运用物理描述范式搭建的物理认知结构相去甚远。为了避免将物理描述范式误解为是对物理知识的总结，就需要对物理描述范式的意义有深刻理解。

虽然物理描述范式是以物理知识为依托的，但它并不囿于知识的呈现顺序，也不受单元、章节的限制。以电磁系统的描述范式为例，电路、磁场是初中物理的知识，其中既有路的视角也有场的视角;进入高中后，电势差、磁感应强度等知识的学习又进一步丰富了学生既有的路和场的视角。由此可见，物理描述范式的教学是不受时间限制且不断进阶的。

3.中学物理描述范式对教科书编写的启示

现行物理教科书的编写依据主要源于社会结构、学生心理结构和学科结构三者的结合，最终以单元“知识块”的形式呈现，但单元与单元之间的内在联系欠佳，不利于学生认知结构的形成。而物理描述范式是对知识、技能、方法等之外更加上位的教学内容的呈现规则，是物理認知结构的顶层部分。运用物理描述范式，能够将物理教材的不同单元乃至不同章节揉合在一起。如前所述，场的描述包括“力”的描述范式和“能量”的描述范式，这两种描述范式既可以描述重力场，又可以描述静电场，这就把不同章节、不同知识联系在了一起，并且能够从一个全新的角度来诠释不同物理知识形成的来龙去脉，揭示物理知识的本质，使学生对物理学的认识发生深刻的变革，这就为物理教科书的编写提供了有益的启示。

参考文献

[1] 张婷玉，陈清梅，邢红军.圆周运动的高端备课[J].首都师范大学学报：自然科学版，2015，36（03）.

[2] 赵晓蕊，邢红军.高中物理教学中两类场描述的方式对比研究[J].湖南中学物理，2018，33（09）.

[3] 黄永修.基础物理专题分析[M].郑州：河南科学技术出版社，1993.

[4] 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理：选修（3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[5] 杨振宁.杨振宁演讲集[M].天津：南开大学出版社，1989.

【责任编辑 ? 孙晓雯】

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