物理规律教学四步法在大学物理教学中的应用

　　物理规律反映了各种不同物理现象的规律性，包括物理定律、定理、原理、假说和方程等基本物理形式的表述，是物理学对自然界的物理现象理性的描述，是反映物理现象和物理过程本质属性的一种抽象[1]，也是大学物理课程教学内容的核心组成部分.因而做好物理规律教学，也就成了提高大学物理教学质量的关键因素.而把大学物理各部分内容用其典型的物理规律串起来，以纵深挖掘物理规律为突破口，也就成为大学物理教学的关键点.在实际教学过程中，以强化物理规律教学为契入点，以物理规律的形成、表述、适用范围和实际应用4个过程为基准点，由浅入深，由表及里，由形成到应用，环环相扣，步步深入，形成了物理规律教学的四步法.并以物理规律教学的这4个过程串起了整个大学物理教学的全过程.

　　1物理规律的形成

　　要想教授好大学物理，首先必须传授好物理规律，而物理规律教学则首先必须从其形成开始.物理规律是在植根于大量实验的基础上，经过抽象化提炼而成的，它的形成途径大致分为2种情况：(1)经过多次观察、实验，进而经过归纳推理得出;(2)根据已有的物理规律和概念，经过演绎而得出.这2种情况，在大学物理教学中，以第1种情况更普遍.既然物理规律的形成源于实验，那么在教学中以实验教学、演示实验或学生实验为先导，就形成了突破物理规律讲授难点的有利条件.因为受到教学时数等先决条件的限制，这类实验基本以课堂演示实验为主.演示实验在物理规律教学中具有探索性的性质，总体看来，这类探索性的演示实验是在重复前人探索物理规律时所做过的实验，学生学的是前人从实践中总结出来的间接知识.因此，在实验时，必须讲清实验之所以这样做的思路，要在特定条件下从错综复杂的现象中抓住重点，排除次要因素，引导学生去粗取精、由表及里.在感性认识、理性思考的基础上，揭示物理现象的规律，完成认识上的第一次飞跃.

　　例如：在讲述伯努利方程之前，用2张硬纸片平行悬挂，当在纸片中间用力吹气时，2张纸片会因中间压强低而相互靠拢，而不是我们想象的向两边分开.在学生感到新奇惊讶之时，明白了“流速大，压强低”的原理.再如，讲述自由落体运动下落时间与物体重量无关时，先在同一高度同时释放一枚硬币和一张纸片，结果是硬币先于纸片着地.接着将纸片揉成一个纸团，再在同一高度和硬币同时释放，则二者几乎同时着地.在此基础上，进一步在抽成真空的玻璃管中，让羽毛、纸屑、硬币、砝码和小石头等物体从同一高度同时下落，则其下落的时间完全一致.实验证明，在没有空气阻力时，物体下落的加速度是相同的.学生从这些演示实验中得到了大量的感性认识，再经过由表及里的思考，认识到事物的本质，从而建立起正确的物理图象，形成对物理规律的正确认识.

　　当然，对某些不便于直接通过演示实验展示且大学物理实验还未学或做的内容，如固体的能带、德布罗意波和玻尔的原子结构模型等，则首先从历史的角度来阐明形成这些物理规律的科学背景，进而强调这些理论乃至假说形成后也必须经过大量的实验所证实和检验，方可确认是真正正确的物理规律.

　　2物理规律的表述

　　物理规律是对某一类物理现象的本质反映，是其共同遵守的科学规律.因此，在大学物理教学中，阐明物理规律的意义，正确表述物理规律就成为了课堂教学的核心要素.绝大多数物理规律都可以用公式来

　　起来很复杂，但将其表述为：在真空静电场中，穿过任意闭合曲面的电场强度通量等于该闭合曲面所包围的所有电荷代数和除以真空电容率[2].学生只有很清楚地理解了物理规律的公式表示，那么其语言表述也就会自然铭记于头脑中并形成自己的理解.在研究物理的时候，重要的是抓住最主要的东西[3].在大学物理教学中，表述好物理规律，就是抓住了最重要的东西，这也是学好大学物理的重中之重.

　　当然，还有某些物理规律并不能用绝对的数学公式表述，如牛顿第一定律、楞次定律等，就更需要从该规律所蕴含的物理本质及科学引申上理解.总体来说，对于物理规律的表述，是大学物理教学内容的核心，在教学中，最重要的还是要引导学生在记牢物理公式、正确阐述物理规律语言表述的同时，充分理解和掌握物理规律本身的物理意义.

　　3明辨物理规律的适用范围

　　每个物理规律都是在一定条件下反映某一物理现象和过程的变化规律，所谓一定条件就是该物理规律成立的条件，也就是它的适用范围，离开了这个范围，真理就变成了谬误.所以在讲述每一个物理规律时都必须讲述并强调其适用范围.如动量守恒定律成立的条件是系统所受的合外力为零，而角动量守恒定律成立的条件是系统所受合外力矩为零，一字之差，但适用条件却迥然而异.在讲述这2个守恒定律的适用范围时，利用冲击摆明辨二者适用范围的差异.第1种情况的冲击摆是用细绳悬挂的沙袋而构成，第2种情况则将冲击摆做成一绕定轴转动的刚体，即细绳换用细杆，沙袋换用固连于细杆的均质球体.让一初速度为0v的子弹射向2种不同的冲击摆，与摆作完全非弹性碰撞，求摆上升的高度.显而易见，在子弹打击冲击摆(即碰撞)的过程中，第1种情况满足动量守恒，第2种情况则满足角动量守恒.但往往很多学生不注意动量守恒和角动量守恒的条件，而把第2种情况也用动量守恒来处理，则就错之甚远了.而在打击完成后摆的上升阶段，2种情况都只有保守力做功，均满足机械能守恒，因此可用机械能守恒定律求出2种冲击摆上升的高度.

　　人类对客观世界的认识只能是相对真理，所以物理规律也只能是在其适用范围内才是相对真理.所以在讲述大学物理课程时必须以发展的眼光来讲述物理规律，明辨物理规律的适用范围，方能对物理规律所描述的自然世界给出真正正确的理解和描述.

　　4物理规律的应用

　　物理学的基本原理渗透在自然科学的各个领域，应用于技术学科的各个方面，是技术科学的基础和先导[4].在大学物理教学中，学生经过物理规律的形成、表述和适用范围3个步骤的训练之后，明确了物理规律的物理意义，但往往还不能熟练地运用.因此，教师在讲述完物理规律之后，要及时地将物理规律教学导入深化和扩展阶段，即大学物理规律教学的第4步——应用，特别是在结合不同专业教学时，结合其专业特点，运用物理规律进行教学，更能起到事半功倍的效果.如在讲完静力学问题之后，针对土建类专业专门介绍空间一般力系的平衡条件——静定与静不定问题;针对化工专业，讲述薄壁容器的力学基础;对于机械类专业，则主要将刚体运动的物理规律运用到其材料力学中，讨论杆的拉伸、轴的扭转，同时介绍变形能的概念.通过这种物理规律与专业知识的综合应用，学生更能真实地感受到物理规律应用的直观性，学习积极性得到充分调动.同时，在讲述物理规律的应用时，还充分注意到物理规律在现代高新技术中的应用.如讲到光学的应用时，介绍了中国天眼，也介绍了探测地球内部隐秘的望远镜[5]，光谱技术的国防应用[6];在讲授气体动理论和新型能源时，介绍测量气体分子平均速率的一种简易方法[7]、太阳能电池的特性研究[8];在讲授近代物理基本理论时，结合我国“墨子号”量子通信卫星的发射，着重介绍如何探测和操纵量子世界中的个体[9]，怎样实现量子密钥的分发与量子安全直接通信[10]等.也特别注意引导学生将学到的知识应用到自己的科技创新活动中，鼓励他们积极参加到浙江省大学生物理创新竞赛、电子设计大赛和挑战杯大学生科技创新竞赛等多项与物理直观相关的学生竞赛中.通过对物理规律的实际应用，让物理规律在学生的脑海里留下深深的印记，这不仅使他们能更好地完成大学物理作业，也促使其在各自专业课的学习及在各种实际应用中都会自觉不自觉地运用物理规律解决学习和工作中的实际问题，更为他们的科技创新打下坚实的物理基础.

　　综上所述，做好物理规律教学，是提高大学物理教学质量的关键因素.物理规律教学四步法把物理规律形成的历史背景、规律性的数学表述、适用条件及实践应用4个过程有机地联系在一起，形成了一个完整的物理规律认知体系.把它应用在大学物理教学中，不仅使大学物理规律教学更紧凑、更具物理情景，使物理现象更加清晰、明确，而且能使学生的物理基础更加充实和连贯，和相关专业知识结合更紧密.同时，能有效加强学生的观察、实验、思维、记忆和解题水平等各种综合能力的培养，是一种针对性和整体感强的悟物穷理、目标明确的教学方式，对提高大学物理教学效果具有很好的帮助作用.

　　参考文献：

　　[1]查有梁，谢仁根，沈仁和，等.物理教学论[M].南宁：广西教育出版社，2001

　　[2]马文蔚，周雨青，解希顺.物理学教程(下册)[M].3版.北京：高等教育出版社，2017

　　[3]葛墨林.物理教学的思考[J].大学物理，2013(9)：1-9

　　[4]教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会，物理类专业教学指导分委员会.高等学校物理学本科指导性专业规范[M].北京：高等教育出版社，2011

　　[5]奇云.探测地球内部隐秘的望远镜[J].现代物理知识，2004(1)：3-5

　　[6]杨俊才.光谱技术国防应用[J].物理与工程，2015(6)：9-14

　　[7]刘见，张文彪，李熊，等.测量气体分子平均速率的一种简易方法[J].大学物理，2011(3)：41-43[

　　8]杨诗晨，刘灿，徐铁钢.太阳能电池特性的研究——一项有意义的创新研究实验[J].物理与工程，2014(2)：69-72

　　[9]孙昌璞，李勇，张芃.探测和操纵量子世界中的个体——2012年诺贝尔物理学奖科学贡献评述[J].现代物理知识，2012(6)：31-36

　　[10]龙桂鲁，秦国卿.量子密钥分发与量子安全直接通信[J].物理与工程，2014(4)：3-12