高中物理到大学物理的力学教学衔接探究

张蝶 郝银萍 李红玉 闫强 李彦荣

[摘要]目前物理学已经发展到了比较成熟的阶段，在许多专业知识中都会涉及到物理知识，在社会的各个领域均取得了很大的成功。因此，理工科类大学生需要学习大学物理知识，大学物理教师需要研究如何把高中物理衔接到大学物理。我们以力学部分为例，探索了高中物理和大学物理中力学部分的不同点，并引出从高中物理衔接到大学物理的教学方法，能够为大学物理教师提供参考。

[关键词]力学；大学物理；高中物理

[中图分类号]G641    [文献标识码]A

[DOI]：10.20122/j.cnki.2097-0536.2024.04.054

在理工科大学生的学习生涯中，大学物理占有很重要的地位，能为将来专业知识的学习打下基础。相比高中物理，大学物理的知识更广泛、复杂，导致大学生在学习大学物理时会比较困惑；大学生在学习大学物理时会保留高中物理的学习方法，较难学习使用新的思维方法解决物理问题。因此，大学物理教师在教学中需要采用一些有效的方法从高中物理衔接到大学物理，使大学生能够熟练掌握大学物理知识。力学在高中物理和大学物理中均占有很重要的位置，力学也是学习其他理工科类专业课程的基础，因此本文以力学为例来分析如何从高中物理衔接到大学物理。

一、课程介绍

大学物理是理工科学生所学课程的一门公共基础课，大部分学校需要两学期完成学习。大学和高中物理课程内容相似，由于教学规定，高中物理学习分为必修部分和选修部分；大学生在学习与高中必修部分有关的知识点时，更容易掌握新的知识，但是涉及到高中物理选修部分知识点时会感到困惑，并且难以用高等数学方法解决物理问题。因此，大学物理教师在教学时需要由浅入深，在高中物理基础上有效衔接到大学物理。

二、大学物理与高中物理力学的不同点

高中物理和大学物理力学的知识范围不同[1]。在高中物理力学中需要学习万有引力定律，但是大学物理力学部分去掉了这一知识点；而大学物理力学部分增加了一些新的内容，如为了描述物体转动时候的物理量引入了刚体，为了研究刚体的运动情况推导出了刚体定轴转动时角动量守恒定律。

高中物理力学解决特殊情况下的物理问题，大学物理力学需要解决普遍情况下的物理问题。高中物理力学遇到的问题一般都是理想情况，而且规律比较简单；而大学物理力学中遇到的问题比较普遍，没有太多规律，需要考虑的物理条件比较繁杂。如高中力学会遇到理想情况匀速圆周运动，只需要考虑质点的向心力，可以根据公式进行求解。但是大学物理力学中的圆周运动较为复杂，需要考虑质点切向方向受到的力和法向方向受到的力，可以根据公式进行求解；当切向方向所受的力为0时，一般圆周运动可变为匀速圆周运动，所以匀速圆周运动是一种特殊物理问题。

高中物理力学中需要用到初等数学方法，大学物理力学中需要用到高等数学方法。在大学物理力学中研究的是普遍情况下的物理问题，物体的受力以及运动情况更复杂，需要应用高等数学知识来解决问题，经常会用到矢量运算和微积分方法。如在求解匀变速直线运动的位移表达式时，高中解法是作图法：如图1先把物体的v-t图像画出来，然后把物体的运动过程分成许多小的时段，每个小的时段可以看作匀速直线运动，每个小时段矩形的面积可看作这一时间段的位移，所有小时段的面积之和就代表整个过程的位移，因此梯形面积就代表当加速度为a时，从0（此时速度为V0到t这段时间间隔的位移，梯形面积可表示为：

而大学的解法应用了微积分方法，在匀变速直线运动中，当加速度为时，从0（此时位移为）到t这段时间间隔的位移可用以下方法求解：

当为0时，上式可化为高中物理力学中匀变速直线运动位移表达式，两者推导方式不同，但是结论却一致。

高中物理力学分析解释物理现象，大学物理力学分析物理本质。由于高中学习的物理知识比较简单，学生只需要了解物理现象并能够用具体的物理公式计算物理问题；但在大学学习中，学生要对物理知识进行深入的学习，要会通过现象分析本质，并且能够解释物理现象以及推导相关物理知识。如狭义相对论的时间间隔相对性，高中学生只需要了解在不同的惯性参考系中测得两件事情的时间间隔是不同的，并且会用公式简单计算不同情况下的时间间隔；但大学生则明白为什么不同的惯性参考系中测得两件事情的时间间隔不同，还要掌握时间膨胀公式的推导，并且能够用时间膨胀知识解释一些典型例子，如双生子佯谬。

三、高中物理力学到大学物理力学的衔接方法

由于高中和大学力学的知识范围、知识普遍度、使用数学方法的不同，导致理工科大学生在学习大学物理力学时会感到困惑、学习兴趣下降，从而影响后续专业课的学习。为了解决这些问题，需要大学物理教师在教学中采用有效措施来进行衔接。

（一）由高中物理力学知识引出大学物理力学知识进行衔接

在高中和大学阶段有一些共同的物理力学知识点，在高中需要掌握特殊情况下恒量之间的关系，在大学物理力学中这些知识由恒量之间的关系变为变量之间的关系。教师在讲解这些共同知识点的时候，可以先回忆高中物理力学中相关知识点，然后再引出大学物理力学中的知识点，恰当的进行两个阶段的同一种知识点的比較，合理的进行教学的衔接，加深学生对知识点的理解[2]。比如高中物理力学和大学物理力学中动能定理的表述相同，在高中物理力学中，动能定理应用于恒力沿着直线做功，求解过程比较简单；但在大学物理力学中，动能定理应用于变力沿着曲线做功，在求解过程中会用到微积分知识和矢量运算知识；通过高中和大学相同知识点的比较，学生会对动能定理中的变量有深刻的理解。教师在讲解共同知识点的时候，通过讲解两个阶段同一知识点的不同之处，使学生意识到大学物理知识的广泛性，能够应用大学物理力学知识解决更加复杂的物理问题。

在大学物理力学中会学习一些新的知识，比如刚体力学部分。教师在讲解新增知识点的时候可以与已经学过的知识点进行比较，如讲解刚体力学部分可与质点力学部分进行比较，由质点推导出刚体的概念以及相关运动规律。质点是一个理想物理模型，它忽略物理的大小和形状，当物体的大小和形状不能忽略，如轮子的转动、地球的自转，该如何建立理想物理模型呢？如果忽略掉物体的形变，就可以把物体抽象为刚体，刚体也是一种理想模型。教师通过旧知识点引出新知识点，使学生更容易理解新知识点。

（二）加强学生运用高等数学方法来解决物理力学问题的能力

随着学习的深入，力学的物理模型由一般情况变成普通情况，物理量由恒量变成变量，因此需要用微积分方法去解决实际问题。大学生在大一已经学习过了微积分，但是侧重点在数学计算上，很难把微积分和物理问题联系起来，因此教师在教学时需要把物理中的极限概念讲透，多用微积分方法来做题，培养学生用微積分解决问题的能力。微分在物理学中常常以微元的形式出现，比如质量元、电荷元、位移元，因此在解决力学问题时需要先选取合适的微元量，然后再进行积分，教师要引导学生深刻理解物理中微元量的意义。以转动惯量的求解为例，如图2求解质量为m，长为l的棒，绕端点转动时的转动惯量J，由于棒上不同位置距转轴的距离不同，所以需要用微积分的方法来解决问题；由于质量的分布具有一定的规律性，所以选取微元需要由相关规律性来决定，尽可能简化解题过程，选取距离轴x处，长度为dx的棒为微元dx，微元dx的质量为

在高中力学中，一般研究一维或者二维物理量，但在在大学物理力学中需要研究三维物理量，所以需要用矢量运算去解决问题。在高中物理力学中一般会涉及到矢量的相加减运算，而在大学物理力学中，由于物理模型的复杂性，需要更复杂的矢量运算来解决问题[3]。学生刚接触大学物理力学时很难形成用矢量方法来解决问题的习惯，因此需要教师在教学中加强学生运用矢量运算的意识，放慢教学节奏引导学生了解矢量的概念、如何书写矢量、熟练运用矢量运算。比如在讲解刚体力学中的力矩时，详细的介绍矢量的表示方法、矢量叉乘的法则，再介绍判断矢量叉乘结果方向的右手螺旋法则，通过详细的教学过程打破学生在高中时形成的思维习惯并接受新的方法。

（三）由物理现象引出物理规律

随着物理力学知识的难度升高，学生难以理解新的知识点，教师在教学中可借助生活中的物理现象进行讲解。如在学习刚体的定轴转动角动量守恒定律时，可借助花样滑冰运动员的表演进行讲解，当运动员抱紧双臂、腿收拢转动速度就会加快，当运动员手脚张开转动速度就会减慢。为什么会发生这种现象？在学习刚体的定轴转动角动量守恒定律后就明白，当运动员抱紧双臂、腿收拢时转动惯量减少、转动速度变大，而当运动员手脚张开时转动惯量变大、转动速度变小。教师通过具体的物理现象，加深了学生对物理规律的理解。

四、结语

本文从知识范围、知识普遍程度、运用数学方法三方面分析了大学物理与高中物理力学的不同点，结合具体的例子进行比较。为了更好的在教学中从高中物理衔接到大学物理，教师在教学过程中要由易到难，由高中物理知识引出大学物理知识，由物理现象引出物理规律，培养学生运用高等数学方法解决问题的能力；同时，还需要充分考虑学生的物理基础，使学生能够从高中物理知识过渡到大学物理知识。

参考文献：

[1]刘叶青.中学与大学物理力学和电学部分的衔接研究[D].福建：福建师范大学，2019.

[2]周政.大学物理与高中物理力学的教学衔接[J].安顺学院学报，2016，18（1）：118-120.

[3]曹海霞.浅谈大学物理与中学物理教学的有效衔接[J].物理教师，2021，42（10）：25-29.

基金项目：2023年山西省高等学校一般性教学改革创新项目课题，项目名称：基于OMO的大学物理同步教学探索与研究，（项目编号：J20231508）

作者简介：

张蝶（1994.9-），女，汉族，山西长治人，硕士，助教，研究方向：凝聚态物理；

郝银萍（1983.5-），女，汉族，山西太原人，博士，副教授，研究方向：新能源利用；

李红玉（1992.10-），女，汉族，山西临汾人，硕士，讲师，研究方向：理论物理；

闫强（1991.8-），男，汉族，山西大同人，硕士，讲师，研究方向：新能源利用；

李彦荣（1992.1-），女，汉族，山西临汾人，硕士，讲师，研究方向：凝聚态物理。