物理學是研究宇宙中存在的各種基本物質結構及其運動和相互作用規律的學科，下面是小編蒐集整理的一篇探究物理概念教學方法的論文範文，供大家閱讀查看。
摘要:物理概念作爲物理學知識體系的支柱，對其理解和掌握的程度直接影響到教學質量。對物理概念教學的實施原則和方式進行了探討:實施要求在知識傳授過程中不僅僅停留在概念本身，更需要從物理概念的需求背景、本質內涵和外延、適用範圍、缺陷和改進等諸多方面進行講解，使學生形成一個完整清晰的物理圖像。實施方式要求創造好的學習環境來激發學生的興趣以及調動學生的主觀能動性和創造力。通過有效啓發學生的思考，並使其受到科學精神的感染，達到有效理解和掌握物理概念的目的。
關鍵詞:物理學概念;科學素質;科學精神;教學方法;教學效果
物理學是研究宇宙中存在的各種基本物質結構及其運動和相互作用規律的學科，是人類認識自然和改造自然的工具。大學開設的物理基礎課，可培養學生的科學素質和品質，也爲後續專業課程學習奠定基礎[1]。物理基本概念用於概括、歸納、表述事物變化的基本規律，是學科基礎，對其深入學習可培養學生物理學的研究方法和思維[2]。
1物理概念教學的意義
大學物理通過向學生傳授基礎物理知識，培養學生基本的物理思維能力、科學品質以及物理學研究方法[3]。物理學概念(包括原理、定理、定律)是針對學科發展需要，在實驗和理論基礎上，通過反覆的概括、抽象和歸納得到的，體現了學科的思維和發展方向，相應的學習和掌握至關重要[2]。
1.1培養解決和分析問題的能力
物理概念是物理學發展的支柱，任何一門物理學分支的發展都離不開特有物理概念的引入。如力學的發展，離不開力、力矩、動量、能量等基本物理概念的支撐。爲了描述阻止物體的力，引入摩擦力，根據物體運動方式不同，又分爲滾動和滑動摩擦力;爲了研究物體的形變特性，引入了壓力、剪切力等概念[4]。
1.2培養物理學的辯證和統一研究思維
有些物理概念是矛盾的結合體，如光的本質，即“波粒二象性”，對其認識一波三折。最早笛卡爾、牛頓的微粒學說，成功解釋了光的直線傳播現象。波動學說起源於胡克，認爲光是類似水波振動，惠更斯提出光是縱波。“牛頓環”體現了光的波動性，卻以微粒和以太進行解釋。隨着托馬斯•楊干涉、菲涅耳衍射、麥克斯韋電磁場理論研究，以及赫茲(Hertz)對光的電磁波本質實驗證明，人們逐步接受了光的波動性。直到19世紀末，在光電效應研究基礎上，愛因斯坦提出了光的“波粒二象性”[5]，爲新學說奠定了基礎，如康普頓效應，德布羅意物質波、測不準原理、薛定諤波動方程等。
1.3培養融會貫通、觸類旁通能力
很多物理概念會經歷提出、實驗或理論證實，逐步推廣和深化，甚至擴展到其他領域的過程。這說明該概念的思維反映事物本質，精確描述了對象特徵。如熱學裏“熵”概念，最先由克勞修斯(Clausius)基於描述熱機循環狀態的需要而提出，後來分子運動論將其解釋爲不可逆熱力學過程是趨向於概論增加的態變化(波耳茲曼熵)。經過多年沉澱，又被控制論、數論、概率論、生命科學、天體物理等領域引入並應用，說明其思維方式被認同[6]。教學中可以把熵作爲專題進行講解，從不同學科集中闡述物理思維。
2物理概念教學的方法
大學物理學的教學目的如下:
1)通過掌握基礎物理知識，爲學習後續專業知識打好基礎;
2)全面瞭解物理學研究方法、基本概念、物理圖像以及歷史淵源、發展等;
3)培養和提高大學生科學素質、思想、品質、精神等，通過了解科學發展的曲折和艱辛，科學研究的合作和樂趣等，培養學生科學思維方法、求真務實的科學品格，使其初步具備科學研究能力[1，7]。下面結合物理學特點以及教育理論和實踐，對物理概念教學方法進行探討。
2.1引入物理概念背景的教育需求
介紹物理學概念背景幫助學生充分理解概念引入的意義和作用。在此基礎上，設計問題引導學生進行自我思考，如:若你們在此背景下引入新概念，應該採用什麼概念來描述物質特性或規律，它與現有概念相比有哪些優缺點?通過學生的深入思考和討論，使其充分認識和理解所引物理學概念的意義和重要性。這也是啓發式教學的常用方式[8]。如講解微粒比表面時，根據背景提問:對於一個物體而言，表面原子存在大量斷鍵而很不穩定，表現爲較強活性，是不是體積越大活性越強?通過討論發現單純的體積特徵不合理，體積越大，內部包含原子數越多。進一步提問:如何描述微粒活性，並進行相應對比?這會激發學生的興趣，出現類似單位質量的物質表面等答案。最後，指出微觀粒子的尺寸效應最爲重要，引出單位體積的表面積概念，即比表面積。
2.2講清物理概念的本質內涵和外延物理概念的發展
體現在內涵不斷豐富和外延在不同領域的擴展。溫度概念的發展就體現了內涵的豐富，從表徵“環境的冷熱程度”到“分子平均平動動能的量度”，再到“物體內部分子的無規則熱運動劇烈程度”，最後推廣到“粒子集居數的反轉現象”，也就是“系統處於總能量高於平均能量的狀態”，並提出負溫度的概念。折射率的概念則體現了其外延的擴展，最初表徵不同材料之間的偏折，後表徵傳播速度。其實光傳輸的速度決定於材料原子之間電場的大小，也體現了原子結合力的高低，所以所承載的外延信息很多，包括光學、原子物理以及物質結構等不同學科。一些物理學概念是聯繫不同領域的紐帶，如阿伏伽德羅常數是聯繫宏觀與微觀的橋樑，對其內涵的理解比單純數值更有意義。
2.3循序漸進和系統性的教學
有些概念貫穿於整個物理學體系中，需要多學科的共同學習才能深入和系統地認識。以物理學中極其重要的“場”的概念爲例，最先由法拉第(Faraday)基於電磁相互作用的超距觀點提出並進行直觀描述;隨後麥克斯韋從數學上推導了電場和磁場強度的波動方程，深刻地闡述了電磁場能量的分佈[9];列別捷夫(Lebedev)通過對光壓的觀測證明了電磁場動量特性;愛因斯坦狹義相對論的創立，證明場是物質存在的一種形式，具有能量、動量和質量;量子力學體現了場的“波粒二象性”;電磁場量子理論證明光子是電磁場的基本微粒，可與正負電子對相互轉化，具有實物轉化性，豐富了場的物理本質和內涵[10]。“場”在電磁學、力學、相對論、量子力學等領域都有體現。教學中要從“場”的基本特性、規律和共性出發，逐步深入:最初通過力學中重力(萬有引力)引入重力場強、重力勢能(引力場強、引力勢函數)，初步建立場的概念;電磁學或電動力學則通過電荷庫侖力場引入庫侖場強和庫侖勢，通過場矢量的通量分析和環流分析分別得到高斯定理和安培環路定理;相對論和量子力學通過波函數分析進一步加深對場的理解。
2.4引入必要的物理學史教育
物理學的發展過程是科學家爲了解決自然界遇到的新問題而不斷探索的過程，所提物理概念是對所描述對象的高度概括[11]。新概念的提出、完善和修正需要科學檢驗和論證，錯誤的被推翻或修正，正確的被採用或推廣，這體現了物理學思維方式。結合物理學史，對成功或失敗的物理概念進行分析和對比，有助於培養學生理性思維。成功實例:原子物理中“紫外災難”催生了普朗克(planck)的量子概念，後來愛因斯坦的光量子說，成功地解釋了光電效應，開啓了量子力學新篇章;描述基本粒子單元的夸克(quark)概念，被逐漸證實。失敗實例:描述光傳輸的“以太”概念被實驗否定。當前還有很多概念亟待進一步論證，波爾(Bohr)與愛因斯坦關於量子力學的著名論戰就是一個很好的證明。這可以培養學生思辨的習慣、求實的精神和相互包容的優良品質。
2.5構建清晰物理圖像
很多概念的提出都基於不同的研究思路和思維，需要建立完整清晰的物理圖像再現其物理思維和描述意義[12]。以麥克斯韋方程組爲例，它體現了電磁學基本研究思路:對電場和磁場進行曲面和曲線積分，得到相應的.源。學科適用範圍體現了不同思維，如電磁學規律是基於宏觀的分析，量子力學是處理微觀世界的規律，具有完全不同的研究思路和適用範圍。以電磁波發射爲例，電動力學基於LC振盪，量子力學電子躍遷。對比講解對構建知識體系和正確應用很有益。形象化表述是構建物理圖像的主要方法之一，如在光學中講述菲尼爾圓孔衍射的光強空間分佈規律時，可以採用半波帶法、矢量圖解法等進行分解，達到獲得清晰物理圖像的目的[13]。加強實驗教學有助於構建物理圖像，可分爲重建性和探究性，通過實驗再現物理知識或根據預設要求通過實驗得到結果。
3教學措施和效果
爲了有效開展物理概念教學，我們對教學方法進行了改革，主要涉及到:分組討論式教學、改革考試方式、推行非標準化答案、重建基本概念、推薦內容豐富的教材和參考書、加強實驗教學等。分組討論式教學是創造機會使學生對物理概念的提出背景、必要性、可以解決的問題進行深入討論，在爭論中增強對概念本質的認識。典型問題有:物理概念需求背景、自我設想和構建、解決問題程度和預期目標、現有物理概念對比等。通過以上教學，學生在考試中對基本概念的描述正確率大大增加，平均得分率由72%提高到83%。非標準化答案旨在鍛鍊學生想象力和發散性思維，圍繞物理概念進行問題設計，採用多種表述方式進行分析。採用撰寫論文形式進行考試，要求學生通過文獻查詢、收集信息等方式來闡述物理概念的內涵和外延等，全面鍛鍊學生能力:信息查詢、歸納總結以及寫作表述能力等。考試成績比重由原來的15%增加到30%，更能體現學生能力水平。隨着學習不斷深入，需要通過擴展物理概念的內涵或外延對新事物及其特性規律進行描述。如隨着激光光強的增加，對材料的光電離會由單光子電離擴展到多光子電離，由線性光學擴展到非線性光學以及激光等離子體物理[14]。推薦內容豐富的教材和參考書也是一種很好的方式。如原子物理教學中可推薦楊福家的《原子物理學》[15]，該書圖文並茂，有很多經典故事，同時設計了很多啓發式問題，使用者反映良好。光學教學中可推薦馮國英、周壽桓編寫的《波動光學》[16]，該書內容豐富，主要物理概念和定律後面附有Matlab應用實例，有利於學生學以致用和形象化理解物理概念。另外，美國學者ArtHobson編寫的《物理學的概念與文化素養》等，都能爲物理學概念的學習提供很好的參考。
4結語
物理學概念是物理學發展和前進的基石，體現了研究過程中遇到的新問題，反映了爲了解決問題提出的新思維和方法，表徵了物理學發展的趨勢和方向。物理學概念學習主要體現在基礎知識的掌握、科學品質和精神的培養、科學素質的鍛鍊等方面。從教學方法上需要從構建物理圖像出發，結合物理學史的引入，激發學生主動性，達到全面掌握物理概念內涵和外延的目的。具體實施方式上，可以結合考試改革、非標準化答案、推薦優秀教材等來實現。
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