优化物理知能结构　促进工科物理教学

摘 要：通过对物理学知能结构的剖析,阐述了物理教学为适应时代的发展而需在知识的构建和能力的培养方面发挥更大的作用。

关键词：知能结构；知能结构图；物理教学

1 知能结构概述

据美国教育家霍尔顿的理论，物理学的任一基本内容都可以分解为实验事实、物理思想、数学表述三个层面或三个坐标，即物理学的学科结构中包含实验基础、逻辑体系、数学表述、思想方法、应用价值五种基本成分。物理学课程不仅仅要担当传授知识的责任，更要为能力培养和非智力因素的发展提供可能。传统的理论知识结构图已难以满足教学和培养人才的需要，因此我们把物理学科结构中的五种基本成分投影到一个平面上（如图1所示），从而较全面的反映知识、方法、能力的相互关系，这种结构图可称做知识-方法-能力结构图，或简称知能结构图。居于结构图中心的核心理论在知识传授和能力培养上起着载体和媒介的作用，核心理论附近上、下、左、右四个邻区同时反映该学科知识所要求的能力结构，能力和方法的培养与知识传授紧密联系为一个有机整体，相辅相成、不可分割。

2 物理知识结构

作为一个合理的、健全的物理知识结构体系，应该包括某一物理理论的过去、发展及前沿动态，故物理的合理知识结构应包含三个方面：物理学史知识、物理专业知识、动态前沿知识。在这三个方面应做到“又红又专”，在物理学史和动态前沿知识方面，应积极关注、不断扩展视野，做到广博；而在专业知识方面，应深入探求、孜孜不倦，做到精深。

2.1 物理学史知识

物理学的发展史就是人类不断进步的历史，是人类文明的重要源泉。在学习物理的过程中，物理学史的意义在某些时候甚至于超过了物理知识本身。从无数科学家孜孜以求的探索过程中，不仅可以激发对物理的兴趣，更可以学习物理大师们极具灵气的思维方式、严谨求实的科学态度、为真理献身的精神和不畏艰险的工作作风。

2.2 物理专业知识

物理专业知识包括物理概念、模型、定律、定理、理论及相互关系、逻辑推导等方面。“万丈高楼从地起”，没有夯实物理的基础理论，就谈不上应用它去解决实际问题、去培养和提高学生的方法和能力了。因此，它是教师教学和学生学习的重点，但目前的教学现状是“突出重点，不计其余”，这与时代发展对物理教学的要求不相符的。

2.3 动态前沿知识

动态前沿知识即物理学科的新突破、新进展以及各种新理论、新思潮、新观点及其它“热点”问题。一方面它可以为专业知识提供新鲜养分，促进物理知识结构的新陈代谢；另一方面可以激发学习兴趣，甚至可以为学生今后的发展指明一条前进的方向。迈克尔逊否定“以太”、赫兹发现电磁波，就是非常典型的实例。

3 物理能力结构

一个物理理论的发展和完善，通常包括以下五个阶段（见图2），因此物理理论的学习也需具备观察分析、建立模型、数学描述和应用实践等方面的能力。当然，这些能力是在系统的学习物理过程中逐步培养的，不同学科、不同专业的学生对各方面的要求也不一样。物理教学应该以物理理论为主线，深入挖掘主线背后蕴涵的在培养学生方法和能力方面所蕴涵的价值，突出物理理论对学生方法论的形成和能力的培养。

3.1 观察分析、概括总结的能力

物理学理论来源于实践，来源于对大量实验现象的观察分析，因此实验事实对物理学理论有极为重要的意义。一个成功的物理理论，总是众多的科学家经过无数次的观察和分析之后，经过概括总结而上升为理论体系。因此在教学过程中，对经典物理实验的回顾和剖析；或者呈现一个或多个同类现象，然后让同学自己仔细观察、分析，从而得出正确结论，是培养学生能力的一条重要途径。

3.2 建立模型的能力

物理学研究现实世界的物质性质、运动规律及其相互作用，而现实和理论毕竟有差异。这就需要区分事物的主要矛盾和次要矛盾、矛盾的主要方面和次要方面，并建立起一个与实际最接近的理论模型，进行分析和逻辑推导，从而从纷繁复杂的客观世界中发现潜在的物理规律。

3.3 数学表述及逻辑推理的能力

物理学科由定性的科学走向量化，成为一个严谨、完整、系统的科学，数学起到了极大的作用，同时它也推动了数学的发展。一个物理学理论，如果没有严格的数学描述或证明，则它是不完美的、或说是不成功的。学习物理的过程，很大一部分在学习它的数学规则和逻辑推导，从而提高自己的数学描述能力和逻辑推理能力。

3.4 理论应用于实际的能力

发展理论的目的在于改造世界、指导实践。所以学习了物理理论，就需要用它解释一些物理现象，解决一些实际问题。理论应用于实际，仅仅有物理知识还远远不够，它还需要深刻的洞察力、分析判断的能力、实际动手的能力。

4 知能结构的优化

掌握物理知识结构和能力结构的构成，将有助于我们在教学过程中有的放矢，使课堂教学不仅成为传授知识的殿堂，而且成为培养能力和思维方式的重要途径。为此在备课的环节和教学的环节，教师应该深刻分析每一章的知能结构图，将章节的知识结构和能力结构利用表格或者图表形象直观的表示出来，从而更好的为课堂教学和人才培养服务。

下面我们以工科物理教学中的力学部分为例，来阐述一下知能结构图在物理教学中的具体应用。

4.1 知识结构要优化

物理学的研究对象非常广泛,研究的内容也非常复杂。这就要求在教学过程中要注意总结、对比，理顺各章节、各知识点间的关系。譬如力学中的平动、转动，电磁学中的电学、磁学，甚至宏观、微观，都可以进行对比。物理教学应该让学生建立系统的知识网络，而不是零碎的知识片断。

4.2 能力结构要突出

（1）哲学思辩能力。

一部物理学史就是一部哲学史，在物理学中蕴涵了丰富的哲学思想：如从实验事实总结归纳出客观规律的归纳法、从一般到特殊的演绎法、理想模型建立中抓住主要因素的研究方法。这些方法论是培养学生素养与能力的好素材。在物理教学中，不能仅仅围绕着知识点转圈子、应在教学中深入挖掘物理知识的美学意义、绝妙的物理思想和方法，既能使学生加深对物理规律的理解和掌握．又有利于他们逐步树立辩证唯物主义的世界观，从而达到“授人以渔、教为不教”的目的。

在讲授力学中的参考系和坐标系时，我们着力挖掘了时间和空间的绝对性与相对性的问题；在分析相对运动时，突出了运动的绝对性和相对性。这对于学生唯物主义世界观的建立有重要的作用。

（2）数学运用能力。

物理学是一门定量的学科。物理学的魅力，在于用极其简洁的数学公式描述了纷繁复杂的物质世界。牛顿运动定律、麦克斯韦方程组，这样两组简练的方程，就概括了复杂的力学和电磁学规律，这是一种简洁美。而物理学又是一们非常严谨的科学、有着非常鲜明的逻辑性，这和复杂的客观世界相映成趣。

（3）观察分析和建模能力。

物理学是建立在实验基础上的学科，物理学理论的发展来自于实验的不断推动，同时物理理论的发展也为一些新实验的进行指明了方向和道路。

在力学的发展中，有一些非常有趣而且意义重大的实验，诸如比萨斜塔的实验、马德堡半球实验、伽利略理想斜面的实验、牛顿的苹果落地实验、卡文迪许的扭称实验。严谨的力学理论体系就是建筑在这样一个个实验的基础上的，对这些经典实验的回顾与反思，促使了学生对物理理论的掌握，也培养了学生学习的兴趣、开阔了视野。（4）应用与延伸。

理论来自于实践，而最终用于指导实践。物理学的理论——归根结底，是用来指导我们改造物质世界，改善我们的生产和生活。在物理理论教学中，一定要突出理论在实际生产和生活中的应用，培养学生理论应用于实践的能力。

力学是古老的学科，与实际生活联系非常紧密。工程技术中的机械设计制造、建筑工程设计等，都用到了大量的力学原理，如滑轮、杠杆的大量使用。而引力理论、动量和能量守恒定律，对于太阳系中行星的发现、航空航天技术的发展的指导，都堪称物理学应用的典范。

5 知能结构要完善

社会的发展，时代的进步，对现代的人才知能结构提出了越来越高的要求。而物理学也从昔日一马当先的领头学科，转向到逐步与其他学科交叉融合。为了适应时代的发展，与时俱进，昔日的物理教学也必然要做出更深层次的改革。一方面，可以通过更新教学内容、采用先进的教学方式；而更重要的，物理教学应该担负起在培养学生素质和能力方面的更多责任。在帮助学生树立正确的自然观、科学观和世界观、掌握有效的思维方法和研究方法，改善和优化知识结构，培养创造性等方面物理学都应该发挥起重要作用。

物理学科知能结构的提出，也是为了适应新时代对人才的要求和物理教学本身的需要。通过知能结构图，使得教师在备课和教学时不再以理论知识为中心，而更注重挖掘理论背后的深层内涵，注重对学生科学知识、科学方法和科学能力的培养。

参考文献

[1]吴翔.文明之源-物理学[M].上海:上海科学技术出版社,2001.

[2]物理学 上册/东南大学等院校编;马文蔚改编.北京:高等教育出版社,1999.

[3]王颖. 试析名师走向成功的特质素养[J], 当代教育科学, 2007，（1）.

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