物理本质论文

物理本质论文（精选6篇）

物理本质论文 篇1

《初中物理新课标》要求物理课程不仅应该注重科学知识的传授和技能的训练, 注重将物理科学的新成就及其对人类文明的影响等纳入课程, 而且还应重视对学生终身学习愿望、科学探究能力、创新意识以及科学精神的培养。因此物理课程的构建应注重让学生经历从自然到物理、从生活到物理的认识过程, 经历基本的科学探究实践, 注重物理学科与其他学科的融合, 使学生得到全面发展。

新课标将“从生活走向物理, 从物理走向社会”定位于课程理念, 理论联系实际不仅可以使学生深刻地理解物理规律, 同时也可以引起学生兴趣, 扩大学生的知识面.所以, 我便利用学生现有的知识经验和他们所熟悉的事物组织教学, 使学生能较好的感知和理解所学的内容。

一、创设生活化情境, 激发学生学习兴趣

“兴趣是最好的老师”。在我们的生活中, 到处都充满着物理现象, 教师在教学中要善于从学生的生活中抽象物理问题。我在教学活动中经常根据学生的已有知识经验, 设计学生感兴趣的物理教学素材以多元化的形式展现给学生, 让学生充分在情景教学中把握好新旧知识间的联系, 激发学生的求知欲望。

例如:我们在教学“压强”这节内容时, 可以用媒体放映以下两个惊险场面让学生观察。 (1) 场景是气功表演者躺在钉有密密麻麻钉子的木板上, 腹部上面再放上一块大石板, 旁边的另一个表演者挥舞着大锤子向肚子上面的石板砸去, 石板被砸成碎块, 可是石板下面的人却自己站立起来而安然无恙、毫发无损, 并向大家笑着招手致意! (2) 场景是取一袋牛奶, 上面放上一块玻璃, 让学生去砸。结果玻璃碎了, 而那袋牛奶完好无损!这种惊险场景, 把学生的注意力一下子就抓过来了, 使学生感到惊讶而热情高涨, 课堂气氛热情洋溢, 有巨大的感召力!学生急切地想知道其中的道理是为什么?课堂的效果可想而知了。

二、寻找生活中的物理问题, 坚定学生学习物理的决心

在教学中引导学生寻找生活中的物理问题, 既可积累物理知识, 更是培养学生学习物理兴趣的最佳途径。所以, 物理教学中, 教师应多从生活中“找”物理素材和多让学生到生活中去“找”物理, 真切感受“生活中处处有物理”。这样“身临其境”的学物理, 学生不会有陌生感, 反而具备了一种似曾相识的接纳心理。

例如:2008年春节前后我国南方发生了建国以来罕见的雪灾, 在那场雪灾后, 正赶上初三总复习。我搜集了一些抗寒救灾的图片和视频资料, 播放给学生观看, 让他们指出其中的一些现象和做法里包含的物理学原理。像雪、雾凇、冰柱等的形成属于什么物态变化, 解放军为什么要在结冰的路面上撒盐, 而除了在结冰的路面上撒沙子外, 各种车辆的轮子上又为什么要缠有铁链等等。这样, 学生们既领略了雪灾的无情, 也学会了抗寒救灾的一些科学常识。使学生在周围熟悉的事物中学习物理和理解物理, 体会到物理就在身边, 感受到物理学对生活的作用, 就更加坚定了学习物理的决心。

三、设计练习生活化, 提高学生解决生活实际问题的能力

学生学习物理的目的是“运用所学的物理知识和方法解决一些简单的实际问题的”。教师要引导学生把所学知识和生活实际联系起来, 促进学生在实际生活中的探索意识和创新意识, 培养学生初步的社会实践能力。

例如:在学习了“蒸发”这节内容后, 我就提出了几个这样的生活实例让学生解释:⑴在医生给你打针之前, 要在你打针的部位用酒精棉擦一擦, 你的这个部位有什么感觉?为什么?⑵去河里游泳之后上岸, 你有什么感觉?为什么?⑶洗完的衣服是团在一起干得快, 还是打开干得快呢?为什么?⑷夏天我们用风扇扇风为什么会感觉凉爽?可以使空气温度降低吗?……通过这些生活实例使学生锻炼了如何运用所学知识解决生活中遇到的实际问题的能力。所以说物理教学如能在具体的生活情境中加以演练, 会有利于学生实实在在的提高能力, 而且能调动学生学习物理的积极性。

四、运用物理知识, 帮助学生解决实际问题

《新课标》强调:物理教学的成功与否不能单纯的以学生考试成绩、解答物理题的正确率来衡量, 重点应放在学生能否应用所学的知识解决生活中的实际问题, 是否通过物理教学促进了学生的发展来衡量。物理学具有丰富的内涵, 它具体表现在灵活运用之中, 它作为一门基础性学科, 有着其特殊的运用价值。能活学还不够, 还应在此基础上学会活用, 使物理知识真正为我们的学习、生活服务。

例如:在学习了液体的压强后, 组织学生讨论了现实生活中的好多问题:⑴为什么我们见到的带鱼都是死的?⑵为什么潜水艇都用抗压能力很强的厚钢板制成?⑶当池水深至你的胸口以上时, 你为什么会有呼吸困难的感觉?⑷工程师们为什么要把拦河坝设计成下宽上窄的形状?……在这样的教学活动中, 既提高了学生学习的兴趣, 又让学生深刻感受和理解物理学不是空中楼阁, 只有服务于生活才能体现出无与伦比的学科价值。

教学实践使我深深体会到:物理即生活, 物理教学要紧密联系学生的生活实际, 让学生了解物理学的用处, 明确“物理就在我们的身边, 生活中处处有物理”;让学生乐于去学、善于去学、精于去学, 使学生更清晰的认识到我们生活的世界是一个充满物理学的世界, 从而更加热爱生活, 热爱物理学;让学生深刻感受和理解物理学不是空中楼阁, 只有服务于生活才能体现它无与伦比的学科价值, 才能激发起学生积极主动地学习物理的兴趣, 从而促进物理学教学改革走向成功。

物理本质论文 篇2

教学目的：了解磁现象的电本质；了解磁性材料的应用.教学过程： 引入课题：比较条形磁铁的磁场和通电螺线管的磁场两幅图，可以看出它们的磁感线十分相似，那么磁体的磁场和电流的磁场是不是同一种场呢？它们产生的原因是否相同呢？下面我们就来研究这个问题。

讲授新课：

一：磁现象的电本质：

设问：磁铁和电流都能够产生磁场,电流的磁场是怎样产生的呢? 罗兰实验:（如图3-1-2）

现象：当圆盘静止不动时,小磁针沿南北方向静止不动；当圆盘绕轴转动时，圆盘上电荷随之运动，小磁针发生了偏转，当改变圆盘旋转方向，小磁针的偏转方向也随之改变。表明：当电荷静止时，它在周围空间不产生磁场；当电荷运动时，它在周围空间产生了磁场。

电流的磁场是由电荷的运动形成的。

设问：磁铁的磁场是怎样产生的呢？

法国学者安培提出的分子电流假说： 在原子，分子等物质微 粒内部存在着一种环形电流----分子电流，分子电流使每个物 质微粒都成为一个微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极（如 图3-8）这两个磁极跟分子电流不可分割地联系在一起。

利用安培分子电流假说解释磁化现象和去磁现象：（图3-1-3）

一根软铁棒，在末被磁化的时候，内部各分子电流的取向

是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性。当软铁 棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，软 铁棒就被磁化了，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁场。

磁体受到高温或受到猛烈的敲击会失去磁性，这是因为在激 烈的热运动或机械运动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了。

说明：在安培所处的时代，人们对原子结构还毫无所知，因此 对物质微粒内部为什么会有电流是不清楚的，直到20世纪初

期，人类了解了原子内部的结构，才知道分子电流是由原子内 部的电子运动形成的。

结论：磁现象的电本质----磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的。注意：不能说成是一切磁场都是由电荷的运动产生的。

二：磁性材料：P72 学生阅读

浅谈物理教学中的“教”的本质 篇3

关键字 教学创新；探究能力；科学素养

一、引言

随着现代科学技术的迅猛发展，基础教育受到了空前未有的重视。基础教育特别是物理教育面临着难得的发展机遇，也面临着严峻挑战。《基础教育课程改革纲要（试行）》的颁布，标志着我国基础教育进入课程改革时代。例如《高中物理新课程标准》在课程目标上的基本理念之一就是：“高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。”为了更好的适应物理教学的要求，物理教师必须及时进行教育理念和教学方式的转变，以促进教育理念的创新，教学内容的创新，教学手段的创新，师生关系的创新。现代的教学应该突出引导学生认知发展、生活学习、人格建构等对学生素质的培养，突出教学的个性化。在教学中，学生不是必须完全接受的教材的知识和内容，而是引导学生认知、分析、理解事物并进行反思的过程，在教学的方法上，更强调科学探究。

二、“教”的本质

过去的教学观：教学是权威——教师向受者——学生单向传递知识的过程，学生是容器，只需接纳、记忆、模仿。这就是一个完整的教学过程。现代物理教学的本质是交流与知识建构的活动，教师与学生要建立一种新型的关系，应从“独唱者”逐步过渡到“伴奏者”，不再以传授知识为主，而是要帮助学生发展、积淀和充分运用知识，引导他们持续发展，充分发挥教师的专业引领作用。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。

在物理教学过程中，教师应该起到三个方面的引导作用：

第一，引导学生的科学素养。通过物理科技史的发展历程、培养学生的知识、技能，引导学生的科学素养的提高。例如，电磁学中的库仑定律适用的条件之一：该定律只适用于点电荷。教师可以列举物质世界中的氢原子中电子和质子，因为它们之间的距离与它们自身的线度相比非常大，所有可看作点电荷，以此，我们可以给学生介绍微观世界中物质的结构，物质由原子分子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核又由质子中子组成，而它们又是由更小的粒子夸克组成，间接地引导学生对粒子物理学科知识的认识。

第二，教师应理解学生的学习心理，激发学生的主动思考，引导学生科学探索的精神、意识。例如在讲电磁波时，首先，介绍电磁波的形成，其次，介绍电磁波在工程领域的应用。本人先给学生介绍怎样利用学校图书馆数据库查找论文资料，然后让学生课外查找资料，写一篇关于电磁学在工程领域中的应用的论文。这样即激发学生的主动思考，又培养了学生的探索研究的精神，属于很好的探究式教学方式。

第三，课堂应具有生动形象、活泼多样的表现形式，引导和促进学生的学习。教学是以对话、交流、合作等为基础的知识建构过程，因此，没有沟通就没有教学。教学的过程不只是传授知识的过程，而是师生之间直接的对话和实现双方主体性的建构与发展的过程。在物理教学过程中，教师要由主宰者变为交流者，教师要培养学生的问题意识。教师要努力创设良好的学习氛围，给学生带来心理上和精神上的愉悦感。这样，学生才能更加主动地去思维和探究，课堂才会异彩纷呈，生机勃勃。

基金项目：重庆市高等教育教学改革研究项目（09-3-091：103154）。

参考文献：

[1]吴娜，高中物理探究式教学的实践研究，天津师范大学.

[2]顾建新，高中物理教学创新的五个基点[J].教育探索，2010（2）.

[3]张军朋，高中物理教材的国际比较研究[J].物理教师，2003（11）.

物理本质论文 篇4

人们对科学本质的认识经历了由科学的“真理观”向科学的“建构观”的转变, 或是由科学的“客观性”向科学的“二重性 (客观性和建构性) ”的转变。人们一般将“真理观”称为传统科学本质观, 将“建构观”称为当代科学本质观。当代科学本质观的基本内涵可以概括为:科学认识的对象是客观的;科学认识活动的过程不是一个简单的“拷贝”或“反映”, 而是一个认识主体对客体的作用过程。在这个作用过程中, 认识主体的已有经验或背景起着重要作用;科学认识活动是以事实为基础的, 但事实本身并不是科学。

传统科学本质观点在强调绝对客观与理性的存在, 观察是先于理论的, 认为科学知识的发展是以一种动态的、单一理论传承的线性方式逐渐累积而成, 并强调应以科学实验检验的方法验证科学理论, 使其成为绝对的真理, 而个人在整个科学的过程中是可以被忽略的。当代的科学本质观点在强调观察是理论蕴涵的, 会受个人主观意识的影响, 客观与理性的方法是不存在的。认为科学知识的追求是过程取向, 是动态的、进行的活动, 而不是静态的累积咨询。且认为科学的核心在于不断地研究与批判, 不是在于被接受的知识。同时并无一种单一、固定的科学方法与评价标准。科学家类似艺术家, 具有创造力与想象力, 科学知识仅是科学家的世界观, 并非真理。而科学社群在科学知识取舍的过程中具有相当重要的地位, 其所接受的典范或信念, 是指导科学活动的准则。

美国科学促进会从三个方面来看科学的本质:

1. 科学所看到的世界。

他们认为世界是可以被认识的;科学是一个产生知识的过程, 这个过程依赖于对现象的细致观察以及由此提出的理论, 但科学知识不是绝对真理;科学观点的变化通常不是彻底抛弃, 而是修正, 科学知识是有生命力的并会越来越接近事实真相;科学并不能对所有问题提供完全的答案。

2. 科学探究。

科学重视证据;科学揉合了逻辑与想象;科学进行解释并预测;科学尽量避免偏见;科学拒绝专制。

3. 科学事业。

具有个人、社会和公共机构三个维度, 科学是复杂的社会活动;科学具有不同的研究领域;科学研究中具有普遍接受的道德原则;科学家既作为专家也作为公民参与公共事务。

科学本质观是科学的认识论, 是对科学知识发展所特有的价值观或信念。个人的科学本质观是指个人对科学知识发展的内隐价值观和假设。它是个人在日常生活经验、学校教育和社会文化中潜移默化而形成的, 是科学学习和经验的一种素朴的直觉, 具有无意识性和零散性的特点。这种个人零散而素朴的科学本质观是可以通过有意的科学本质观教育而得到改造和完善的。

Lederman等认为, 掌握了科学本质的7个方面就代表掌握了当代的科学本质观。1.当发现新的证据和对已有事实有新的解释时, 科学知识将会改变;2.科学知识最终是建立在经验证据基础之上, 那就是对自然世界的观察;3.人类的想象和创造性参与了科学知识发展的所有阶段, 包括假设的提出、实验的设计和数据的解释;4.科学观察受到个体科学价值观和先前知识等主观性的影响;5.科学受到文化和社会价值观念的影响;6.科学知识是建立在观察和推论基础之上, 观察是通过人的感官或这些感官的扩展收集的, 推论是对这些观察的解释;7.科学定律和理论是不同的科学知识。

当然, Lederman讲的只是理论, 我们物理教师需要做的就是把这些理论融合到自身的知识理论体系当中, 对它进行适当合理的整合, 并且联系、实践到具体的教学环节中, 根据具体的实践, 找到一个适合自身情况的现代科学本质观, 不能好高骛远, 但也不能止步不前, 努力使自己处在一个最近发展区内, 这样对每个教师的发展无疑是最为有利的。

(二) 物理教师的科学本质观对其自身的影响

目前国内有很多中学物理老师对于科学知识的相对性、科学探索的创造性和科学事业的本质等有一定错误之处, 这在教学活动中会产生一些不好影响。

1. 教师的科学本质观对教材知识的影响。

由于传统的科学本质观认为科学方法是唯一合理的认识世界的方法, 科学知识是与经验事实相符合的, 科学的理论模型是正确无误的, 科学发展是事实的积累和永恒真理的积累, 科学是公正无私的。因此, 在这种科学本质观之下, 社会上产生的科学万能论, 专家掌握了绝对的话语权。于是, 很多老师奉教材为金科玉律, 是绝对的正确, 因为这些都是专家编的。现在, 具有当代科学本质观的物理教师常常质疑自己在教材中见到的感觉有不妥的内容, 也充分意识到在物理世界中, 有很多问题的答案并不唯一, 不能象过去那样要有标准答案。

2. 教师的科学本质观对知识讲授的影响。

持传统科学本质观的教师往往是只教授考试的内容, 觉得只要教好那些知识, 就完成了自己神圣的使命。而持现代科学本质观的教师并不仅仅只是教授某个知识点的内容, 还会结合其物理历史, 讲授相关科学家是在什么样的社会和文化背景下建构新知识、新理论的, 甚至结合其他学科进行跨学科思维, 让学生深刻体会到科学家是如何思考问题, 又慢慢培养学生从不同的角度来考虑问题。

3. 教师的科学本质观对教学模式的影响。

教学模式从不同的基点出发有不同的分类。例如, 美国学者乔伊斯和韦尔把众多教学模式归纳为四种基本类型: (1) 信息加工教学模式; (2) 个性教学模式; (3) 合作教学模式; (4) 行为控制教学模式。在之前, 我国大部分教师实行的直接讲授式 (即填鸭式教学) , 一味的传授, 教完就做练习, 之后就是测试。持当代科学本质观的教师根据不同的教学内容或教学目标尝试适当运用以上四种教学模式之一或者结合使用, 调动学生的积极性, 使他们学习如何去协作学习, 尽量使课堂焕发出生机。

4. 教师的科学本质观对教学用语的影响。

我国长久以来实行的是教师是权威, 学生只要听、思、做就可以了。教师的教学用语比较严肃和认真, 还略微带点命令式语气在里面, 巴不得学生马上就能掌握其所教的内容, 用词一般是那种肯定的话语, 如:“确定的”, “就是这样”, “必然性”, “规律性”等。持现代科学本质观的物理老师认为学生和老师处在平等位置上, 对学生的语气要人性化、科学化、委婉化, 避免用肯定的话语削减学生的创新性思维, 在课堂上是通常是:“假如”, “个人认为”, “设想”, “可能性”等。在做实验时, 通常用到:“通过这个想象, 我们观察到了什么?我们能够联想到什么?”, “通过这个实验, 我们能够得出什么结论?我们又可以在哪些地方进行改进?”等。

(三) 物理教师的科学本质观对学生的影响

由于教师的工作是教书育人, 那么在与学生长期的接触当中, 学生会潜移默化的受到他们的影响。

1. 教师的科学本质观对学生科学本质观的影响。

人们对学生科学本质观所做的大量调查表明, 多数学生对科学的本质持有错误的认识, 或者缺乏认识。学生普遍认为科学知识是绝对的和确定的, 对科学假设和理论表现出盲从而轻信的观点。例如, 许多学生认为:假设都可以完全被证实;科学研究所揭示的是无可争议的、必然的绝对真理;科学理论经过不断的检验和证明终会成为规律。而在持现代科学本质观的教师的日常教学的影响之下, 学生有可能意识到科学知识不一定是完全对的, 历史上曾经有许多在当时认为是真理的知识, 到后来都被历史无情的淘汰掉啦, 慢慢的形成一种较为正确的科学本质观。

2. 教师的科学本质观对学生学习课程内容过程的影响。

传统的教学, 老师是一味的传授, 要求学生迅速掌握, 再通过做练习巩固、运用。这种过程缺乏学生对知识的观察、理解、获得和反思的过程, 非常强调学生的死记硬背能力, 从而使学生的学习过程僵化, 久而久之, 容易造成学生对学习的厌恶情绪, 导致学生成绩下降, 严重者会对家长与学生、老师与学生之间的关系恶化。当代科学本质观的教师善于对教学内容进行观察、推敲, 结合学生的学习兴趣, 设置不同教学模式, 让学生对学习充满好奇心和满足感, 并有一种强烈的学习欲, 使学生在课后自己想去学, 去探究世界的奥秘。

3. 教师的科学本质观对学生思维方式的影响。

以前我们过分强调标准答案的重要性, 甚至明明我们认为不可能有标准答案的题目, 老师也硬要按标准答案来给分。长期这样很容易使学生产生一种固定思维, 遇到问题不能很好的灵活变通, 对学生以后的不利影响可想而知, 会有多么可怕。现代的教师注重多角度解决问题, 并且跨学科性思维, 这使学生能认识到不同背景和经历的人对于同一问题的解释会有差异性, 促使他们逐渐养成发散思维的良好习惯。

4. 教师的科学本质观对学生评价的影响。

以往对学生的评价主要采取以期末一次考试成绩和一份学生成绩单等终结性为主的评价方式, 过分地强调了“甄别与选拔”功能, 忽视了对学生的改进与激励功能。过分注重结果而忽视过程, 不利于帮助学生自我认识和健康成长。持现代科学本质观的物理教师是适当的把学生的平时学习情况考虑到期末总评中, 还积极开展学生自评、学生互评、家长评价等方式, 并把这些方式与自己的评价结合起来。有条件的教师还会建立成长记录袋, 随时记录、激励、评价学生, 让评价更趋于操作性和合理性。这样评价指标、标准是多元的、开放的和具有差异性的, 对信息的收集是多样、全面和丰富的, 评价内容更体现了人文关怀。

(四) 结语

总之, 物理教师的科学本质观对其教学能够产生较为重要的影响, 教育部门或者学校在平时要注意对教师进行这方面的培训和考察, 这样对老师和学生的成长、发展都有非常重要的意义。当然, 对科学本质的理解因人而已, 因为每个人都有不同社会和文化背景。同样, 对物理教师的科学本质观要求也并不是都是一样的, 而且, 科学本质观对物理教师教学的影响更是千姿百态。本文所陈述的对其教学的影响也不一定很完整, 还有不足之处, 有待进一步研究。

摘要：随着科学知识的日益发展, 对科学本质的认识越来越受到人们的注意。作为物理教师, 如果没有一种符合时代的科学本质观指导自己的教学, 可能会在教学中出现一些错误。文章较为详细的论述了物理教师的科学本质观对教材知识、知识讲授、教学模式、教学用语, 以及对学生的科学本质观、学习课程内容过程、思维方式和评价等方面的影响。

关键词：科学本质观,建构观,成长记录袋,跨学科性思维

参考文献

[1]梁永平.理科教师的科学本质观对科学教育的影响[D].兰州:西北师范大学, 2006.

[2]http://www.zjtxedu.org/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=4220, 更新日期:2006-6-21.

[3]刘儒德, 倪男奇.论学生的科学本质观[J].比较教育研究, 2002, 8:7-11.

[4]刘振中, 熊召弟.国小教师的科学本质观及其教学实践个案研究[J].国立台北师范学院学报, 2002, 9:285-314.

物理本质论文 篇5

物理学是一门测量科学.［1］物理学家们首先创造出合适的物理量作为研究工具,然后通过对物理量的测量去找出规律或与事先假定的物理理论所预测的值去比较.这是物理学最核心的内容,也是物理学的本质.［2］

2015 年浙江省高考理科综合卷第22 题(以下简称浙江卷第22 题) 的图2 给学生展示了四只电表所显示的通过调节滑动变阻器所得到的两组电流表与电压表的示数(见图1),要求学生根据这四个示数来计算小灯泡在滑动变阻器调节前后的电阻值.这题贴近实际(表的示数是根据实际拍摄的),考查学生在测量中所表现出来的操作能力(读数和计算),更为重要的是,它强调了测量在物理学中的重要性.可是,在所给出的权威性参考答案中,［3］笔者认为其在测量和误差理论方面存在问题.如果以此答案为评分标准,势必会导致阅卷中的差错和不公平,更为重要的是,它会使人们对测量原理和物理学的本质产生误解.

为此,本文将从信息、测量和误差的基本理论着手,通过对浙江卷第22 题的参考答案的分析,来阐述物理学作为一门测量科学的本质,从而引起物理课程标准的制订者、物理教材编写者和广大物理教师对测量教学在物理教育中的重要性的关注.

二、测量是获取信息的过程

根据信息学的原理,人们通过一定的方式向信息源获取一定量的信息. 信息源所含的符号越多,人们每得到一个符号所获取的信息量就越多.因此,在信息学中,信息量的单位1 比特是这样定义的:一个具有两种不同符号的信息源每发射一个符号所传递的信息量为1 比特. 比如,交通信号灯(红-绿灯) 是一个含有两种不同符号的信息源.当我们接收到其中一个符号时,比如绿灯亮时,我们就获得了1 比特的信息量.同理,一个具有4 种不同符号的信息源每发射一个符号所传递的信息量为2 比特.以此类推,一个具有Z种不同符号的信息源每发射一个符号所传递的信息量H为:

比如,常用汉字有近2000 个,每个汉字所携带的信息量为:

当我们测量某个物理量时,我们就从测量工具那里得到了一定量的信息.比如,一台厨房用的台秤最多可称2 千克的质量,它的最小读数是10 克.因而,关于“物体的质量有多大”的问题,这台台秤可以做出200 种不同的回答.那么,相应的符号数为200,与答案相应的信息量约为8 比特.再比如,一般的温度计的精确度为1℃. 如果它的测量范围是-30℃到90℃,则相应的符号数为120 个.当我们测得一个温度值时,我们就接收到了7 比特的信息.测量仪器的精确度越高,测得一个值时所接收的信息量就越多.粗略地说,一个测量值所对应的信息量大约为10 比特.［4］

现行中学物理课程标准和教材中没有涉及信息学的知识,这就导致教师无法向学生讲清测量的这一信息学本质.在普通高中物理课程标准［5］和现行普通高中物理教材［6］中,教师和学生只能笼统地知道物理学是一门实验科学,他们不会关注到物理实验的本质是测量,而测量是获取信息的过程.有些师生甚至对物理学形成这样的印象:物理定律是数学推导的结果,物理学家们所做的工作仅仅是像做习题一样的一种数学演算.为此,我们强烈建议,在高中物理课程标准和教材中,应适当引入信息学的基本知识,从而使教师和学生加深对物理学本质的理解.

三、测量值总是一个区间

在解释为什么需要测量时,我们通常抱有这样的观念:在测量前这个值是未知的,在测量后这个值是已知的.实际上,这是一个错误的观念.首先,在测量前我们对物理量的值并不是一点也不知道.其次,在测量后我们并不知道物理量的真实值.测量值总是一个区间(图2).在用仪器测量前,我们知道这个值是某一较大的区间. 在用仪器测量后,我们仍只知道这个值是某一区间,但这个区间比用仪器测量前的要小了.如果用仪器测量后这个区间明显地缩小了,我们说这是一个好的测量;如果这个区间只缩小了一点点,我们说这是一个不好的测量,或不精密的测量.

人本身也是一个测量工具,人通过感官来“估计”也是一种测量,也能获得信息.物理学虽然是一门定量科学,但它并不是一门精确的科学.物理学家并不能确定某个物理量的真实值,而只能借用精密的测量仪器和根据他们的判断能力来缩小物理量的测量值的区间,从而获取更多的信息.

根据这一考虑,我们可以来定义一个表征对量X测量的好坏的数,这个数就是测量前后的两个区间的比值,即

式中b表示测量前(before),a表示测量后(after).我们把上式的二进制对数(binary logarithm)定义为一个量H:［7］

由于H表示在测量中所获得的信息量,所以它的单位为信息量的单位.这个量告诉我们,在测量中,物理量的值的信息量增加了多少比特(bit).比如,在测量一支铅笔的长度时,假定在用仪器测量前我们用肉眼测出这支笔的长度不会小于10cm,也不会大于20cm.用尺子测量后我们知道这支笔的长度在10.5cm和10.6cm之间. 我们来计算在用尺子测量这支铅笔的长度中所获得的信息量:

在这次测量中,这个测量工具提供了6.6bit的信息.

根据浙江卷第22 题所给出的电表示数和它们的最小刻度值(电流表为0.01A,电压表为0.05V),我们可以分别读出相应的测量值的区间为:

或写成:

而在权威发布的参考答案中所给出的不是一个区间,而是四个值:0.10A、0.24A、0.27V和2.00V.显然,如果学生的答案落在上述区间内,我们应认为其答案是对的.尤其是对于第4 只表的读数(即U1的测量值),参考答案给出了“0.27V”.如果学生读出0.25V、0.26V或0.28V是否会被认为是错的呢?

四、误差传播是有规律的

在现行教材中,普遍把测量值跟被测物理量的真实值之间的差异叫作误差(error).［6］根据前面所述,真实值是不存在的,我们所能测得的总是一个区间.误差包括系统误差(systematic error)和偶然误差(random error),而系统误差又包括仪器误差、理论(方法)误差和个人误差.在某次直接测量中,我们可以根据测量仪器的精确度知道此仪器所导致的仪器误差.比如,在用上面所提到的四只表测量时,仅由这些表所产生的绝对误差分别为 δI1=δI2=0.01A,δU1=δU2=0.05V.

这里所指的绝对误差,其实就是某一测量值的不确定范围的一半(uncertainty).它不同于对同一物理量的两个测量值之间的差异(discrepancy)(图3).因此,对某个量多次测量后,可以用其平均值来代表所有测量值.测量次数越多,这个平均值与任何一次测量值之间的差异会越小.然而,不管测量次数有多少,最后只能用一个值(平均值)来代表这个量的测量值.

根据相应的公式通过对直接测量值的计算得到某一物理量的值,这一过程叫作间接测量.直接测量值的误差会在计算过程中进一步传播,并产生新的误差,这一过程叫作误差传播(error propagation).对于不同的计算公式,误差传播的规律是不同的.下面是几个常用的误差传播公式:

式中,x和y是直接测量值,xe和ye分别表示x和y的最佳估计值(best estimate),δx、δy和 δz分别表示x、y和z的绝对误差.

在浙江卷第22 题中,在计算由两组数据得到的电阻值时,必定会导致误差传播.下面我们根据上面的误差传播公式来计算这两个值.

即R1的测量值为区间[1.75Ω,3.25Ω].

即R2的测量值为区间[7.77Ω,8.89Ω].

而参考答案中所给出的R1和R2的值分别为(2.7±0.1)Ω 和(8.3±0.1)Ω.显然,参考答案的作者没有用误差传播公式来计算这两个间接测量值,而随意地在±号后面定了0.1 这个数.这将给考生带来一定的不公正性.尽管在高中物理教学中我们并不要求给学生讲误差传播知识,但作为参考答案中的间接测量值,还是要根据误差传播公式来计算的.

五、结束语

物理本质论文 篇6

在现行高中物理教学体系中,电场强度是学生学习电磁场过程中接触的第一个物理量。可以说,“场”概念的形成是困难的,而教学中的一些盲点则是造成这一困难的重要原因。现行教材普遍在介绍电场强度之前直接铺陈“电荷周围都存在电场,电荷与电荷之间的相互作用力就是通过它们的电场发生的”。然而,由于教材无法对电场的物质性做更多的确证,因此就造成了引入的生硬与学生接受的困难。近年来的研究探讨了用比值定义法合理架构电磁场中相关概念的方式,然而仍然忽视了比值定义法前的“试探”环节。

值得说明的是,由于库仑定律知识造成的负迁移,学生往往会十分“便捷”地得出电场强度的表达式,而未能充分理解建立这一概念的必要性和经历过程。可以说,理解电场、建立电场概念的契机是稍纵即逝的,学生往往会熟练地运用电场公式解题,而对场的内涵与意义颇为“无感”。事实上,电场的理解需要足够的体验和感知,也即需要学生建立起一个理解电场的思维框架。而建立这一框架的必要性和原始动机就是“试探法”。传统教材体系将试探的思想与方法隐性处理,使其淹没在细节之中。

二、试探法的内涵与意义

同样以电场强度为例,电场作为一种物质,具有多方面的属性,而电场强度仅反映其力的性质。再如电势,则反映了电场电势能分布的特征。在这一基础上,应该明确的是试探要有对象性,即要分清试探的对象是什么。

在更普遍的意义上,试探本是物理研究的基本思想和基本路线,是研究者把握研究对象物理特性的基本方法。正如曹则贤先生所言:“物理学研究的关键对象是各种自然现象之所以发生的原因,即因果关系(causality)。因此,物理学在许多场合下表现为描述一个存在的体系对外加激励(excitation)的响应(response),关于这个体系的物理学就浓缩在相应的响应函数中。”[1]物理学家这种“激励—响应”的研究模式与用语习惯已被广泛迁移,如生理学、心理学中称“刺激(干预)—反馈”。

若以科学哲学的视角,“试探”的背后反映的正是近代以来“求力科学”的本质特征。如科学史家吴国盛教授所言:“近代科学是一个攻击型的、进取型的……把自然物抓起来关到实验室里去,让它处在一个非自然的状态之中,考察它们在不同的非自然条件下必然会有什么样的反应,这就是实验。实验就是在一个极端条件下让自然界把自己的规律给显示出来……自然条件下不大容易显示那些由于人工干预而必然会产生的规律,怎么办呢?只有到实验室里面来,让它处在高温、高压、高浓度、高密度、高磁场或者是特别低的低温、低压、低浓度,总而言之在一种非自然状态下,自然的因果规律就能够显露出来。这个所谓因果规律,其实就是一个刺激和反应规律,本质上是一种服务于控制的规律。这就跟驯马一样,你捅它一下看它有什么反应,如果你掌握了这个马的所有的刺激反应规律,那么这个马你就驯服了,因为你知道如何控制这个马,知道它会有什么样的反应,所以这个马你就不怕了、就不陌生了,你就可以驾驭这个马了。近代科学的理想就是驾驭自然界。通过在实验室里不断地、反复地对自然界进行各式各样的刺激,我们掌握了自然界的刺激 - 反应模式。”[2]

虽然这些论述呈现的主要是科学哲学家的语汇与反思,但是这仍然有助于我们理解“试探法”反映的物理学本质。试探法的教学就是要让学生伸出试探与干预的思维触角,去有意识地、大胆地试探研究对象、干预研究对象。而高水平的试探就是有计划、有步骤地,进而定量地试探,也就是实现对“实验条件”的“操控”。基于以上理解,我们才能对“试探法”产生足够的重视,进而找到教学的正确方向。

三、试探法教学的要点与策略

1.显化试探法的地位

现行教材对“试探”仅在“试探电荷”部分出现了一些隐晦的描述,甚至改“试探电荷”为“检验电荷”,这不足以凸显试探法的地位与价值。因此,教学中应该明示“试探法”的名称,强调其在整个研究中的地位,并且教师应该将这种方法做普遍化的推广。以上做法都意在使学生意识到,试探这种方法是比比值定义法、控制变量法更加普遍的物理学研究方法,甚至是最基本的模式。进一步,教学中应该将试探法与比值定义法做出合理的连接和整合,明确电场强度、磁感应强度教学中“试探 - 比较”的思维主线。

2.列举试探法的实例

单一的例子无法使学生深刻体察试探法的普遍性与灵活性。一般的描述都无法达到“直指人心”的效果。除了上述“驯马”的例子之外,教师可以指出:事实上,对于任何不熟悉的事物,仅有的且最简单的方法就是去试探。即丢过去一个试探物与之相互作用,看看有什么反应。例如我们不知道一个封闭房间里有什么气体,就丢进去一只小白鼠,看看有何反应。再如老虎不知道“黔驴”有什么特性,就不断地去挑逗它,直到“黔驴技穷”。似这类列举的实例要体现丰富性与生动性,要使学生体验到“试探”的研究方法离自己并不遥远。

3.实现试探法的具身化理解

要实现学生对“试探”理解的深刻性,还需进行心理学层面的仔细考量。认知心理学的具身认知转向为物理教学提供了可贵的启示。认知心理学的传统将心智凌驾于身体之上,认为“身体”不过是认知的客体,对认知并没有多少价值。而具身认知观点强调“认知是具身的”:首先,认知是身体的认知,认知和思维方式受制于身体的物理属性。其次,认知的种类和性质是由身体和环境的互动方式所决定的,身体的感知觉运动性与认知的形成有着直接关联。再者,人的心智是大脑、环境和认知共同作用的结果[3]。因此,试探法的教学应实现认知过程的具身化,即应该使学生多动手、亲身体验,并且可通过游戏的形式,让每个学生既扮演试探者,又扮演试探的对象,从而在自我中心化的情境下以及亲身体验、亲身扮演中发展“试探”的意识。要让学生去干预、去控制,去感受到控制感、力量感,面对问题与研究对象不再畏首畏尾、一筹莫展。

四、反思与启示:在物理教学中落实科学本质观教育

在科学教育中落实科学本质观教育已成为近十余年来科学教育改革的重要呼声,然而如何落实则一直存在较大争议。对美国学者李德曼采用量表测量方式确定师生科学本质观的研究,已有诸多学者做出了有力的质疑。对科学本质观的空洞说教也已然遭到了普遍的否定。然而究竟如何落实科学本质观教育?有学者提出,其焦点在于“科学教师是否有意愿在自己的课堂上开启对科学看法的讨论,是否有能力在讨论中引导学生理性思维的深度发展,是否能够包容学生多样化的思考”[4]!然而以上探讨表明,科学本质观教育还有着更为切实的途径。

如前所述,“试探法”的背后是近代科学“求力意志”的鲜明特征,其来源是中世纪的基督教。“到了近代,自由的理念中已经包含了‘意志’这个新的维度。它强调人要行使自己的意志自由,要做点什么。正是这样一个求力意志构成了近代科学的重要特征。近代科学是一个攻击型的、进取型的、你也可以说侵略型的知识策略。侵略谁?自然界。”[2]而以上论述表明,通过科学方法教学的合理、审慎的展开竟然可以通达科学本质的理解。其启示意义在于,最常规的物理教学本身就理当成为科学本质观教育的切实途径,然而其有效性发挥的前提是教育者对科学本质观的深刻理解,这亦是科学本质观教育的真正基础。

进一步说,科学本质观教育需要教育者深入到科学思想史的层面来理解科学,而非热衷于做肤浅的测量与空洞的宣讲。在深入理解科学思想史的基础上,物理教学也定能获得更高水平的发展,科学本质观教育的目的也会自然地达成。由是观之,科学本质观教育还须从基本而具体的科学学科教学做起。

参考文献

[1]曹则贤.物理学咬文嚼字之三万物衍生于母的科学隐喻[J].物理,2007,36(9).

[2]吴国盛.从古典科学到近代科学[J].科技潮,2010(7).

[3]范琪,叶浩生.具身认知与具身隐喻——认知的具身转向及隐喻认知功能探析[J].西北师大学报(社会科学版),2014,51(3).