摘 要 在中學(xué)物理教學(xué)中，物理描述范式主要包括運動的描述范式、場的描述范式以及電磁系統(tǒng)的描述范式。中學(xué)物理描述范式作為中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容，對于建構(gòu)學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)、發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)以及中學(xué)物理教科書編寫都具有重要的啟示意義與研究價值。

　　關(guān)鍵詞 物理描述范式 認(rèn)知結(jié)構(gòu) 核心素養(yǎng) 教科書

　　物理描述范式的建立借用了庫恩的范式概念。所謂物理描述范式，是指從某一理論或視角出發(fā)所發(fā)展出的對一類物理現(xiàn)象的描述方式。這種描述范式，既不是物理知識，也不是物理方法，亦不是物理思想與觀念。它高于具體的物理理論，通過設(shè)定系列化的物理符號，從而達(dá)成對物理學(xué)本質(zhì)的描述，同時建立起不同描述范式的聯(lián)系。由于物理描述范式不僅對學(xué)生學(xué)好物理學(xué)具有重要的作用，而且對于完善學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)同樣具有重要的價值。因此，不同的描述范式相互配合與補充，就構(gòu)成了人們對物理學(xué)的整體認(rèn)識。有鑒于此，我們嘗試對中學(xué)物理的描述范式進(jìn)行研究，希望能夠?qū)χ袑W(xué)物理教學(xué)提供有益的啟示。

　　一、中學(xué)物理描述范式

　　中學(xué)物理的描述范式主要包括運動的兩類描述、場的兩類描述以及電磁系統(tǒng)的兩類描述。對這些描述范式的內(nèi)涵與應(yīng)用展開研究，就在一定程度上為我們深刻地認(rèn)識中學(xué)物理的體系，打開了一扇塵封已久的大門。

　　1.中學(xué)物理描述范式之“運動”描述在中學(xué)物理范疇內(nèi)，運動的描述有兩種范式，即線量描述和角量描述。線量描述是一維的，較易理解。學(xué)生在初中物理的學(xué)習(xí)中就開始學(xué)習(xí)用線量來描述運動，這些物理量包括路程、時間以及速度(準(zhǔn)確地說是速率);高中教材又借助位移、速度以及加速度等線量進(jìn)一步描述物體的運動狀態(tài)。由于線量描述的適用范圍廣、操作簡單，就使其成為人們描述運動的首選方式。相比之下，角量描述是二維的，更為抽象。所以直至進(jìn)入高中，學(xué)生在圓周運動的學(xué)習(xí)中才開始接觸角位移、角速度等角量。角量描述的出現(xiàn)既是運動描述的深化，也是學(xué)生物理描述方式的一個重大轉(zhuǎn)變。

　　有鑒于此，我們基于運動的描述范式對“圓周運動”教學(xué)進(jìn)行了重新設(shè)計。教學(xué)伊始就需要告訴學(xué)生，描述運動有兩類物理量，即角量和線量，本節(jié)課最重要的內(nèi)容就是要學(xué)會用“角量”描述圓周運動，并且學(xué)會理解兩種運動描述范式的聯(lián)系，這是運動描述認(rèn)知方式的“分水嶺”。接下來，教學(xué)設(shè)計第一步應(yīng)為：類比直線運動中用“線量”定義的方法來定義圓周運動的物理量。具體而言，即類比直線運動中描述運動的“線位移”△x，可知圓周運動中描述運動的“角位移”即為△θ;類比直線運動中描述運動快慢的“速度”v= △x △t ，可知圓周運動中描述運動快慢的“角速度”ω= △θ △t ;類比直線運動中描述速度變化快慢的“加速度”α= △v △t ，可知圓周運動中描述角速度變化快慢的“角加速度”β= △ω △t 。第二步，尋找圓周運動“線速度”與“角速度”的關(guān)系。

　　2.中學(xué)物理描述范式之“場”描述在中學(xué)物理教學(xué)中，對于場的描述也有兩種范式，即“力”的范式和“能量”的范式。從力的角度出發(fā)，最直觀的感受是，場與場之間存在相互作用。比如，在電場中放入一點電荷，該電荷會受到一個力的作用，這個力就是電場對其施加的“電場力”;又如，蘋果之所以會下落是因為它受到了重力場對其施加的“重力場力”(簡稱“重力”)。電場力、重力等統(tǒng)稱為“場力”。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，試探物所受的場力與試探物的電量或質(zhì)量之比為定值，與試探物無關(guān)，僅與場的位置有關(guān)，這個比值就是“場強”，它反映了場自身的特性。從能量的角度出發(fā)描述場，物質(zhì)系統(tǒng)因各物體之間存在相互作用而具有能量。該能量是由于處于“場”中的物體因位置變化而具有的，我們稱之為“勢能”。如電勢能、重力勢能等。與從力的角度描述場相似，在能量的視角下勢能與試探物的電量或質(zhì)量之比也為定值，與試探物無關(guān)，僅與場的位置有關(guān)，這個比值就是“勢”，它同樣反映了場自身的特性。進(jìn)一步，兩個視角描述場通過 “勢差”建立聯(lián)系，從而使場的描述趨于完備。通過力和能量兩個角度共同搭建了場描述的完整框架，這對于完善學(xué)生場的認(rèn)知結(jié)構(gòu)具有重要作用。通過梳理高中物理教材中重力場和靜電場的描述可知，教材從力和能量兩個角度對靜電場進(jìn)行了全面的描述，但重力場的描述則存在以下問題：第一，從力的角度描述缺少重力場強的引入;第二，從能量的角度描述缺失重力勢;第三，由于重力場強與重力勢的缺失，就不可能建立起兩種描述范式的聯(lián)系[2]。因此，我們認(rèn)為，高中物理教材關(guān)于重力場的描述是不完備的，這就會反過來影響學(xué)生對于靜電場的完整理解。這一問題的本質(zhì)在于，高中物理教材的編寫沒有從中學(xué)物理描述范式的角度處理重力場與靜電場的關(guān)系，從而導(dǎo)致長期以來靜電場教學(xué)成為教學(xué)難點。

　　3.中學(xué)物理描述范式之“電磁系統(tǒng)”描述在中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容中，描述電磁系統(tǒng)同樣有兩種范式，即“場”的范式和“路”的范式，反映在物理知識層面就是電磁場理論與電路理論。在場的范式下，主要是研究電場和磁場的性質(zhì)、關(guān)系與變化規(guī)律，它是用場量來描述場中各點的特性和能量分布的情況。因此，我們既可以從力的角度也可以通過能量的角度描述電磁系統(tǒng)，這在“場”的描述范式中已做了詳盡論述，此處不再贅述。而在路的范式下，研究者關(guān)注的是一段電路或整個電路的特性和能量轉(zhuǎn)換情況。所以，人們往往只是關(guān)心與能量輸送有直接關(guān)系的物理量，而不必具體研究橫截面上不同點的物理情況[3]。

　　綜上所述，焦耳定律是在經(jīng)歷“場”→“路”→ “路”轉(zhuǎn)變之后才得出的。需要說明的是，雖然 W=qU 與 W=IUt 中都含有物理量 W 和 U，但在不同表達(dá)式中，相同的物理量卻具有截然不同的物理意義，因為它們分屬不同的物理描述范式。顯而易見，唯有顯化這樣的推導(dǎo)過程，才能凸顯物理教學(xué)過程中內(nèi)在的思維變換，才能咀嚼出物理教學(xué)的“味道”。

　　二、中學(xué)物理描述范式對教學(xué)的作用

　　1.中學(xué)物理描述范式的教育價值在當(dāng)前發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的背景下，《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》推出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個維度。在物理教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，還可以做更深入的思考。對于物理學(xué)的研究，楊振寧先生曾經(jīng)說道：“研究物理學(xué)好象看一幅很大的畫，看這一幅畫可以有幾種看法。一是必須在近距離仔細(xì)研究。二是應(yīng)當(dāng)在遠(yuǎn)距離去看它，三是還有中距離的看法，物理學(xué)需要近、中、遠(yuǎn)三種看法。”[5]受楊振寧先生這個觀點的啟發(fā)，我們認(rèn)為，在中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程中，對物理知識的學(xué)習(xí)是從近距離看物理，對物理方法的掌握是從中距離看物理，而對物理描述范式的把握就屬于從遠(yuǎn)距離看物理。顯然，物理教學(xué)需要教會學(xué)生從近、中、遠(yuǎn)三個不同距離看物理。因此，中學(xué)物理描述范式的教育價值就在于，它能夠教會學(xué)生學(xué)會從遠(yuǎn)距離看物理，這就使我們對物理教育的認(rèn)識產(chǎn)生了一個飛躍。

　　2.中學(xué)物理描述范式的教學(xué)功能我們目前的物理教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容往往是按照教材呈現(xiàn)知識點的先后順序進(jìn)行的。因此，教師往往采用傳授知識的方法幫助學(xué)生形成物理知識結(jié)構(gòu)。然而，這種教學(xué)方法僅僅是在搭建知識結(jié)構(gòu)，與運用物理描述范式搭建的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。為了避免將物理描述范式誤解為是對物理知識的總結(jié)，就需要對物理描述范式的意義有深刻理解。雖然物理描述范式是以物理知識為依托的，但它并不囿于知識的呈現(xiàn)順序，也不受單元、章節(jié)的限制。以電磁系統(tǒng)的描述范式為例，電路、磁場是初中物理的知識，其中既有路的視角也有場的視角;進(jìn)入高中后，電勢差、磁感應(yīng)強度等知識的學(xué)習(xí)又進(jìn)一步豐富了學(xué)生既有的路和場的視角。由此可見，物理描述范式的教學(xué)是不受時間限制且不斷進(jìn)階的。

　　3.中學(xué)物理描述范式對教科書編寫的啟示現(xiàn)行物理教科書的編寫依據(jù)主要源于社會結(jié)構(gòu)、學(xué)生心理結(jié)構(gòu)和學(xué)科結(jié)構(gòu)三者的結(jié)合，最終以單元“知識塊”的形式呈現(xiàn)，但單元與單元之間的內(nèi)在聯(lián)系欠佳，不利于學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成。而物理描述范式是對知識、技能、方法等之外更加上位的教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)規(guī)則，是物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的頂層部分。運用物理描述范式，能夠?qū)⑽锢斫滩牡牟煌瑔卧�乃至不同章�?jié)揉合在一起。如前所述，場的描述包括“力”的描述范式和“能量”的描述范式，這兩種描述范式既可以描述重力場，又可以描述靜電場，這就把不同章節(jié)、不同知識聯(lián)系在了一起，并且能夠從一個全新的角度來詮釋不同物理知識形成的來龍去脈，揭示物理知識的本質(zhì)，使學(xué)生對物理學(xué)的認(rèn)識發(fā)生深刻的變革，這就為物理教科書的編寫提供了有益的啟示。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 張婷玉，陳清梅，邢紅軍.圓周運動的高端備課[J].首都師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，36(03).

　　[2] 趙曉蕊，邢紅軍.高中物理教學(xué)中兩類場描述的方式對比研究[J]. 湖南中學(xué)物理，2018，33(09).

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