陳林橋 吉文忠

（1.江蘇省揚中市教研室，江蘇 揚中 212200；2.揚中市聯(lián)合中學，江蘇 揚中 212200）

高中物理教材中蘊含了豐富的物理思想和方法，這為我們進行物理思想和方法教育、教學提供了廣闊的空間.為了更好地把握這些思想和方法，筆者以人民教育出版社的物理教材為藍本進行了一些挖掘、梳理和研究，以供大家參考.

1 合成和分解思想

合成是由部分組成整體，而分解則是由整體分成部分.合成和分解是一種處理分析問題的重要手段，它們互為逆運算，一般是以等效性為前提，以解決問題為目的.

高中物理教材中的合成與分解：（1）矢量的合成與分解，如力、速度、電場強度等矢量的合成與分解，它們遵守平行四邊形定則；（2）運動的合成與分解，如平拋運動可以看成水平方向上的勻速直線運動和豎直方向上的自由落體運動合成等；（3）光的合成與分解，如光的的色散與合成；（4）波的合成與分解，如電磁波的發(fā)射與接收中的調制與解調；（5）原子核的合成與分解，如核裂變和聚變.

2 極限思想

極限思想是指用極限的概念去分析和解決問題的一種方法.極限思想揭示了變量與常量、無限與有限的對立統(tǒng)一關系，借助極限思想，人們可以從有限認識無限，從“不變”認識“變”，從直線形認識曲線形，從量變認識質變，從近似認識精確.

我們物理教材常常通過以下幾種方法來幫助學生建構極限思想：（1）利用人們思維想象來建構極限思想，例如課本上通過平均速度來建立瞬時速度的概念，其間就運用了的極限思想；（2）通過直觀圖像來建構極限思想，例如課本上借助v－t圖像，運用極限思想導出勻變速直線運動的位移公式；（3）通過形象的圖示變化來建構極限思想，例如必修2教材中，在探究向心加速度大小的表達式時，給出了甲、乙、丙、丁4幅質點從A運動到B的速度變化量示意圖，通過這連續(xù)的變化展示，進而得到向心加速度大小的表達式；（4）通過一些數(shù)據(jù)的陳列來建構極限思想，例如教材3－3上通過列出了一些數(shù)據(jù)來幫助學生建立絕對零度概念；（5）通過實驗觀察來建構極限思想，例如教材3－4中通過讓學生觀察一組漸進的反射現(xiàn)象實驗來幫助學生建立全反射的概念.

3 控制變量思想

控制變量思想就是采用控制因素的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題.每次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，最后再綜合解決.例如必修1教材中“探究加速度與力、質量的關系”實驗的基本思想就體現(xiàn)了控制變量思想.

4 類比法

類比法是指由一類事物所具有的某種屬性，進而推測與其類似的事物也應具有這種屬性的推理方法.

高中物理教材中有：（1）將未見與可見進行類比，例如教材中把頭發(fā)屑懸浮在蓖麻油里，加上電場來模擬電場線的形狀；（2）將未知與已知進行類比，例如教材中講了電場之后，在引入磁場時，課本進行了這樣的類比“正負電荷之間的相互作用是通過電場發(fā)生的，磁體與磁體、磁體與通電導體之間以及通電導體與通電導體之間的相互作用，是通過磁場發(fā)生的”；（3）將抽象與形象進行類比，例如將分子勢能隨分子間的距離的變化，與彈簧連接著的兩個小球，彈簧的彈性勢能的變化趨勢進行類比；（4）將微觀與宏觀進行類比，例如“從微觀的角度看，氣體對容器的壓強是大量氣體分子對容器的碰撞引起的，這就好像密集的雨點打到傘上一樣，雨點雖然是一滴一滴地打到傘上，大量密集的雨點的撞擊，使傘受到持續(xù)的作用力”；（5）從時間的前后進行類比，例如教材中所述，德布羅意在博士學位論文中寫道：“整個世紀以來，在光學上，與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究；而在實物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子方面的圖像想太多，而忽視了波的現(xiàn)象？”于是，他提出假設：實物粒子也具有波動性.

5 整體性思想

整體是指由事物的各內在要素相互聯(lián)系構成的有機統(tǒng)一體及其發(fā)展的全過程.所謂整體性思想，就是從整體出發(fā)，著眼全局，把握系統(tǒng)和過程的整體特征以及總體走向的思想方法.

高中物理教材中的整體性思想主要體現(xiàn)：（1）將多體視為一整體來處理，例如人教版選修3－1教材，在求串聯(lián)和并聯(lián)電路的電阻時，采取了整體處理的手法；（2）整體綜合列式，例如選修3－1第64頁例題1的解答中，在求電動勢和內阻時，就是對整個電路，根據(jù)閉合電路的歐姆定律和題述的2種情況整體列出2個方程式來求解的；（3）整體結構展示，例如人教版選修3－1教材中給出密立根實驗示意圖，多量程多用電表示意圖、原子核式結構模型的α粒子散射圖景等，都是給出整體結構來說明問題的；（4）整個體系呈現(xiàn)，教材中在呈現(xiàn)有關知識體系時也注意到體系的整體性，例如牛頓運動第一定律，牛頓運動第二定律，牛頓運動第三定律的安排；（5）整個過程說明，例如人教版選修3－4教材中，把橫波的形成整個過程以及繩中質點的運動和波的傳播的關系，通過多幅圖片揭示得一覽無遺；（6）整體性論述，例如教材中說：“從古代光的微粒說，到托馬斯·楊，菲涅爾、馬呂斯光的波動說，從麥克斯韋的電磁波理論，到愛因斯坦的光子理論，人類對光的認識構成了一部科學史詩.如果現(xiàn)在要問光的本性是什么，我們的回答是：光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”；（7）整體思路分析，例如選修3－2教材中，運用楞次定律判定感應電流方向的思路方框圖，其實就是一個整體思路分析圖.

6 轉化思想

轉化就是將一事物通過某種方法或途徑轉變?yōu)榱硪皇挛锏囊环N解決問題的手段.轉化有多種多樣，就解決問題方面的轉化則是將未知向已知轉化，將繁向簡轉化，將難向易轉化等.

高中物理教材中轉化方式有：（1）隱現(xiàn)之間轉化，例如人教版必修1教材中關于兩個不易被觀察的形變的演示實驗，就是通過與其他事物之間的轉化使其成為“可觀察的”；（2）控量之間的轉化，例如傳感器一類的元件；（3）單位之間的轉化，例如攝氏溫標t與熱力學溫度T的關系：T＝t＋273.15K；（4）物態(tài)之間的轉化，例如天然水晶是晶體，熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是非晶體，有些非晶體在一定的條件下也可以轉化為晶體；（5）場之間的轉化，例如“麥克斯韋關于電磁場的一些觀點：變化的磁場產生電場；變化的電場產生磁場”；“電磁波的傳播的過程其實也就是電場與磁場之間相互轉化的過程”；（6）能量之間的轉化，例如“能量守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變”；（7）質能之間的轉化，例如教材中所述，“……核子將發(fā)生新的質量虧損，釋放新的結合能”；（8）圖線之間的轉化，例如人教版必修1教材中實驗探究a與m的關系時，得到的圖線是一條曲線，通過坐標轉化，用圖像處理a與m的關系時得到的卻是一條直線.

7 分類思想

分類是從種到屬的，一般按照種類、等級或性質進行的分別歸類.按照不同的特點、特征、特性對事物進行分類，有助于人們更好地認清事物之間的關系和把握事物的特征和個性.

高中物理教材中分類：（1）按性質進行分類，例如在建立單位制時，根據(jù)性質將單位分為基本單位和導出單位等；（2）按等級進行分類，例如力學中將運動分為直線運動和曲線運動，直線運動分為勻速直線運動和非勻速直線運動，非勻速直線運動又分為勻變速直線運動和非勻變速直線運動，而曲線運動又分為勻變速曲線運動和非勻變速曲線運動；（3）按種類進行分類，例如教材中將碰撞分為彈性碰撞和非彈性碰撞，對心碰撞和非對心碰撞，以及電動勢分為動生電動勢和感應電動勢等.

8 疊加思想

疊加原理是指幾種不同原因的綜合所產生的效果，等于這些不同原因單獨產生效果的累加.給人們帶來的啟示是，復雜與簡單、綜合與獨自之間存在一種內在的聯(lián)系和機制，正因為這種特殊的關系，也為我們研究和解決一些復雜的現(xiàn)象提供了一種行之有效的方法.

高中物理教材中的疊加：（1）標量的疊加，例如教材必修2在求路徑是曲線的重力做功時，運用了標量的疊加；（2）矢量的疊加，例如加速度的疊加，電場和磁場的疊加；（3）波的疊加，例如教材中提到波的疊加原理.（4）思想的疊加，例如教材中所述：“從古代光的微粒說，到托馬斯·楊，菲涅爾、馬呂斯光的波動說，從麥克斯韋的電磁波理論，到愛因斯坦的光子理論，直到目前，人們認為，光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”.可以說光的波粒二象性這是人類關于光本質認識思想上一次疊加的結果.

9 簡潔性思想

科學追求的是其簡潔美，正如教材中所述：“科學概念的力量在于它具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力”，物理定律和原理言約義豐，深刻至簡.（1）用文字來簡潔表述，例如楞次定律的表述：“感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總阻礙引起感應電流的磁通量的變化”；（2）用字母或字母表達式來簡潔表示，例如教材中所述，由第谷的行星的觀測的大量記錄，到開普勒三定律，再到牛頓萬有引力定律由紛繁的數(shù)據(jù)到幾句話，又到一個公式，形式越來越簡潔，但意義越來越深刻.”

10 模型法

模型是指所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達形式，它可以是根據(jù)實驗、圖樣放大或縮小而制作的樣品，也可以是人們抽象出來的反映事物本質特征的研究對象.建立科學的模型，不僅有助于人們科學研究和把握事物、過程的特征以及事物的本質，而且也有利于人們有效地解決理論問題和指導實際工作.

高中物理教材中典型的物理模型有：（1）點模型，例如質點和點電荷；（2）體模型，例如彈簧振子和單擺以及理想變壓器；（3）狀態(tài)模型，例如理想氣體等；（4）過程模型，力學中有勻速直線運動、自由落體運動、平拋運動、圓周運動等等；熱學中有氣體的等溫過程、等容過程、等壓過程等等，這些都是理想過程模型；（5）功能模型，例如安培分子電流假說，物質微粒內的分子電流使它們相當于一個個的小磁體；（6）結構模型，例如原子結構模型有湯姆孫原子模型、盧瑟福核式結構模型、玻爾原子模型.

11 守恒思想

守恒主要是指某一物理量或狀態(tài)在數(shù)量、性質上保持不變這一特征.世界是豐富多彩，千變萬化的，但萬變不離其宗，其背后往往總有一個不變的東西在無形地支配著，所以說變與恒是對立的統(tǒng)一.守恒思想就是要在變化中尋求不變、抓住不變、把握不變、運用不變的思想.

高中物理教材中守恒思想表現(xiàn)在：（1）狀態(tài)守恒，例如靜止或勻速直線運動狀態(tài)；（2）電荷守恒；（3）動量守恒；（4）能量守恒；（5）質量數(shù)守恒，等等.

12 相對性思想

相對是指一個物質、物體和另一個物質、物體的相互比較.相對和絕對是一對哲學范疇，絕對是無條件的、永恒的、無限的、普遍的，而相對則是有條件的、暫時的、有限的、特殊的，相對性思想就是突出“相比較”的特征，突出事物的“條件性”.

高中物理教材中相對性思想主要體現(xiàn)在：（1）運動的相對性.① 質點運動的相對性，例如教材在講參考系時就涉及到運動的相對性，“選擇不同的參考系來觀察同一個物體的運動，其結果會有所不同.”② 定律的相對性，例如教材所述：“……以加速運動的火車為參考系，牛頓第一定律并不成立，這樣的參考系叫做非慣性系”；（2）相對論，例如教材中的狹義相對論和廣義相對論.

13 宏微觀統(tǒng)一思想

宏觀是用肉眼直接能夠觀察到的，而微觀則是肉眼直接觀察不到的，它涉及分子、原子、電子等內部結構或機制.宏微觀統(tǒng)一思想就是既要從宏觀（大的方面、整體方面）去研究把握事物，又要從微觀（小的方面、局部方面）去研究把握事物，其實微觀和宏觀是從不同角度對同一實物的反映，所以我們必須堅持全面、宏微觀統(tǒng)一的觀點觀察和分析問題.

高中物理教材關于宏微觀統(tǒng)一的思想：（1）由微觀解釋宏觀，例如氣體壓強的微觀意義，“從微觀的角度看，氣體對容器的壓強是大量分子對容器碰撞引起的.”（2）由宏觀導出微觀，例如教材中“由安培力的表達式F＝ILB導出洛倫茲力的表達式F＝qvB”.

14 表征思想

表征是指信息被記載和表示的方式.我們知道廣義的知識分為陳述性知識和程序性知識，陳述性知識用于回答“是什么”的問題，即符號、事實、有組織的知識，而程序性知識卻用于回答“怎么辦”的問題.一般來講，陳述性知識主要以命題、命題網絡和圖式的形式來表征的，而程序性知識的表征則是通過產生式來實現(xiàn)的.

我們高中物理教材中主要有以下幾種表征.

（1）運動的表征.例如簡諧運動，是從下面3方面描述：① 物理量：振幅、周期和頻率、相位、回復力、能量；② 簡諧運動表達式：；③ 位移－時間圖像；還有如機械波，用波長、頻率、波速、波動圖像來描述.

（2）場的表征.例如電場，① 抽象地描述：a.從力的角度，電場強度；b.從能的角度，電勢、電勢差、電勢能；② 形象直觀描述：電場線、等勢面.

（3）電流的表征.① 對于恒定電流有電流強度、電壓、電阻、電動勢、電功、電功率、電熱等物理量描述；② 對于交變電流還要有周期和頻率、峰值、有效值、相位等物理量加以描述.

（4）現(xiàn)象的表征.這里以熱現(xiàn)象和光現(xiàn)象為例，① 熱現(xiàn)象的表征，描述的物理量有溫度、功、熱、內能；描述的定律有熱平衡定律，熱力學第一定律，熱力學第二定律，熱力學第三定律.② 光現(xiàn)象的表征，由光直進、光反射、光折射、光干涉、光衍射、光偏振、光電效應、光的波粒二象性、光的概率波等現(xiàn)象及其定律、原理來描述.

（5）結構的表征.例如物質結構，用分子動理論這樣來描述的：“物體由分子組成，分子在永不停息地做無規(guī)則運動，分子之間同時存在著引力和斥力.”

（6）規(guī)律原理的表征.規(guī)律有一般規(guī)律和特殊規(guī)律之分，主要用文字來描述以及用字母公式來表達.

15 理想實驗思想

所謂“理想實驗”，又叫做“假想實驗”“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，它是人們在思想中塑造的思想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法.“理想實驗”不同于真實的科學實驗，真實的科學實驗是一種實踐活動，而“理想實驗”是一種思維活動.“理想實驗”并不是脫離實際的主觀臆想，而是以實踐為基礎的.在自然科學的理論研究中，它具有重要的作用，使人們對實際的科學實驗有更為深刻的理解.

教材中愛因斯坦在建立狹義相對論時，也曾經做了關于同時性的相對性的一個“理想實驗”.課本上列舉了一個類似的事例，“假設一列火車在沿平直軌道飛快地勻速行駛.車廂中央的光源發(fā)出了一個閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁，這是兩件事件.”車上的觀察者以車廂為參考系，認為這兩件事是同時的.而車下的觀察者以地面為參考系，所觀測到的卻是閃光先到達后壁，后到達前壁，因此認為這兩件事是不同時的.

總之，以上所列舉的只是中學里較為常用和實用的一些思想和方法，其實我們高中物理教材中所涉及的物理思想和方法還遠遠不止這些，比如從哲學的高度和層面來看，還有因果關系，聯(lián)系發(fā)展的觀點、質變和量變的觀點、否定之否定的觀點等等.筆者在這里僅起一個拋磚引玉的作用，以期大家對教材中物理思想方法給予更多的關注和研究，從而使教材中這些閃光的物理思想方法發(fā)揮更大的作用.