物理教學理念分析

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摘要：物理學習與數(shù)學基礎(chǔ)密切相關(guān)，物理教學過程中需要利用數(shù)學手段來表達物理理念以及物理邏輯推理，由數(shù)學手段得到的結(jié)論再回到物理中來，指導(dǎo)生活生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：物理教學；數(shù)學手段；物理教學理念

一、前言

物理是一門研究自然界變化規(guī)律的科學。物理邏輯性強，物理教學中離不開數(shù)學，需要通過數(shù)學公式來表達物理思想，通過數(shù)學演算揭示事物發(fā)展規(guī)律，同時也為數(shù)學的發(fā)展提供新的命題。成功的物理的教學理念往往體現(xiàn)出物理和數(shù)學這種相輔相成的關(guān)系。

二、物理教學理念處處體現(xiàn)數(shù)學的重要性

物理教學應(yīng)該具備相應(yīng)的理念，這些教學理念也可以在物理、數(shù)學的密切關(guān)系中得到體現(xiàn)。在設(shè)計物理教學時應(yīng)該具備的教學理念有：

1.注意分享物理發(fā)展史，介紹物理發(fā)展史上著名的物理問題的提出和解決過程，回顧大師足跡，激發(fā)學生興趣，這就必然離不開闡述物理和數(shù)學的關(guān)系。物理發(fā)展史上有很多物理學家，他們同時也是數(shù)學家。比如牛頓，牛頓19歲時進入劍橋大學，他的第一任教授伊薩克•巴羅是個博學多才的學者，將自己的數(shù)學知識，包括計算曲線圖形面積的方法，全部傳授給牛頓，牛頓在數(shù)學的學習中走向了近代自然科學的研究領(lǐng)域，又在自然科學的研究中提出二項式定理、微積分、解析幾何與綜合幾何、數(shù)值分析、概率論和初等數(shù)論，牛頓在他的論著《自然哲學中的數(shù)學原理》中明確提到了物理———數(shù)學方法，認為物理學范圍中的概念和定律都應(yīng)該“盡量用數(shù)學表達”。因此，介紹牛頓的貢獻必然離不開介紹牛頓為物理、數(shù)學兩個領(lǐng)域建立的橋梁，牛頓的貢獻是闡述物理和數(shù)學之間不可分離的關(guān)系的最生動的實例。

2.提醒學生重視物理學科的研究方法，在傳授知識點的時候介紹相應(yīng)的方法論。物理問題的表述、解答、定律都離不開數(shù)學，物理學研究方法與數(shù)學發(fā)展緊密相關(guān)，不同分支的物理學科有其最重要的數(shù)學理論，要掌握不同分支的物理知識必須熟悉其相應(yīng)的數(shù)學方法，否則就是離本之木。比如分析力學的創(chuàng)立者拉格朗日，在其名著《分析力學》中，在總結(jié)歷史上各種力學基本原理的基礎(chǔ)上，拉格朗日發(fā)展了達朗貝爾、歐拉等人的研究成果，引入了勢和等勢面的概念，建立了拉格朗日方程，把力學體系的運動方程從以力為基本概念的牛頓形式，改變?yōu)橐阅芰繛榛靖拍畹姆治隽W形式，使得分析力學成為理論力學最重要的方法論。高斯通過對足夠多的測量數(shù)據(jù)的處理，得到一個新的、概率性質(zhì)的測量結(jié)果，在這些測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，高斯專注于曲面與曲線的計算，成功得到正態(tài)分布曲線，其函數(shù)被命名為標準正態(tài)分布（或高斯分布），這種分布被廣泛應(yīng)用于分析和處理物理學中各種概率事件中。傅里葉認為數(shù)學是解決工程問題最卓越的工具，在他的著作《熱的解析理論》中，傅里葉就系統(tǒng)運用了三角級數(shù)和三角積分（即傅里葉級數(shù)和傅里葉積分），此后以傅立葉著作為基礎(chǔ)發(fā)展起來的傅立葉分析對近代物理和工程技術(shù)的發(fā)展都功不可沒，因此，學好物理某一分支，就必須重點掌握并能夠靈活運用這一分支需要的數(shù)學知識。

3.注重將物理知識與生活、社會聯(lián)系起來，啟發(fā)學生創(chuàng)造性思維，提高學生素質(zhì)。國際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會在《新千年的物理教育》一文中認為：如果物理教育是為更多學生的全面發(fā)展服務(wù)的，那就應(yīng)當重視物理學家的工作成果在社會上、技術(shù)上的應(yīng)用，應(yīng)當重視蘊涵于我們文化之中的物理學方法，應(yīng)當重視物理學家這個專業(yè)群體的特點，如支持、貢獻社會的方式等。如今，物理已經(jīng)滲透到社會生活、技術(shù)的各個領(lǐng)域，比如，物理和化學之間，量子化學、激光化學、分子反應(yīng)動力學、固體表面催化、功能材料等學科的興起都是物理學的理論向化學領(lǐng)域的滲透；物理和生物學之間，量子生物學、分子生物學等也都是物理理論在生物學領(lǐng)域的進一步延伸和提高；再比如物理與經(jīng)濟學，股市模型、報酬經(jīng)濟學等都建立在物理模型和經(jīng)濟學基礎(chǔ)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。然而，我們也必須注意到，物理向某個科學領(lǐng)域滲透的媒介必然是數(shù)學，物理學家對這一學科的貢獻也報過了其用到的數(shù)學方法，因此，強調(diào)物理學的應(yīng)用就必須強調(diào)數(shù)學的重要性。比如免疫的統(tǒng)計模型建立的基石是數(shù)學統(tǒng)計、回歸分析論，通過各種先進數(shù)學算法得出規(guī)律性結(jié)論，多元判別分析預(yù)測結(jié)果與原判定結(jié)果差異等。股市模型可以建立在模糊數(shù)學方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊模式識別、評價股市技術(shù)面和基本面，指導(dǎo)股民進行理性投資。因此，物理向各學科領(lǐng)域滲透的過程，也是相應(yīng)的數(shù)學知識與各領(lǐng)域特征知識進行結(jié)合的過程，只有深刻意識到這一點，物理思想才能在各學科領(lǐng)域中發(fā)光溢彩。

4.引導(dǎo)學生建立嚴謹、務(wù)實的求知態(tài)度，幫助學生認識到物理的哲學思想，實現(xiàn)自然科學和人文教育的大統(tǒng)一。物理是研究運動的科學，物理上的運動可以理解為變化，變化是自然界的客觀存在，與人類的主觀認知有不同的一面，這就要求我們在物理教育過程中，不能讓人類的認知水平左右到對物理知識的接受，不能偏離物理客觀的一面。而數(shù)學作為一門邏輯性很強的科學，最適合于作為物理教育的語言載體和分析工具，由數(shù)學推導(dǎo)、建立起來物理結(jié)論無疑最具有說服力，物理教學要以數(shù)學為主要載體，在數(shù)學的基礎(chǔ)上向?qū)W生熏陶物理思想，在經(jīng)得起推敲的層面上，保證物理知識的延續(xù)和發(fā)揚，同時培養(yǎng)思維細致、邏輯縝密的公民。愛因斯坦在他的狹義相對論中得出了“一切物體的速度不可以超過光速”的結(jié)論，而根據(jù)當時人們對引力的認識，似乎引力的傳播速度卻是無窮大，為了解決這一問題，最終愛因斯坦以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù)，在專門學習了黎曼幾何、張量分析等數(shù)學知識后，利用數(shù)學手段進行推理、論證，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系，由于有物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲，而引力場實際上是一個彎曲的時空的觀點。愛因斯坦用數(shù)學方法得到的廣義相對論中的推測，也最終由水星近日點進動中一直無法解釋的43秒、引力紅移、引力場使光線偏轉(zhuǎn)等系列觀測結(jié)論完美地證實。如今廣義相對論已經(jīng)被廣泛承認，廣義相對論的發(fā)展里程也正是一條典型的物理學發(fā)展進程：在自然界中發(fā)現(xiàn)變化—借助數(shù)學方法摸索規(guī)律—通過實驗證實推斷，這種思維方式應(yīng)該在物理教學中得到落實。

三、在強調(diào)數(shù)學手段的重要性中貫徹物理教學理念

學習物理的目的分為：①研究物理而學物理；②為應(yīng)用而學物理；③為提高文化素養(yǎng)而學物理。這就構(gòu)成了物理教學目的的多樣性或者說物理學習的多功能性。但從物理學的發(fā)展我們知道，18世紀，物理學歸屬于自然哲學，因為數(shù)學和實驗的發(fā)展，使得物理學從自然哲學中分離出來，物理學研究不再以思辨哲學的方法為主，從定性表達發(fā)展到定量表達，塑造了現(xiàn)代物理學的新特征物，因此，物理研究終究需要通過數(shù)學手段來完成。物理和數(shù)學都是邏輯性強的學科，因此物理教學設(shè)計要關(guān)注學生渴求學習成功的心理，拓展教學方法和思路，使學生通過數(shù)學來理解物理，獲得物理學習的樂趣，要盡可能多地在雙向交流中進行數(shù)學推導(dǎo)，在數(shù)學的基礎(chǔ)上采用提問模式、討論模式、合作學習模式、答辯模式等。

參考文獻：

[1]解世雄.物理文化研究對物理教育的啟示[J].課程•教材•教法，2006，26（4）：56-59.

作者：王小伍 單位：華南理工大學物理系