例談?wù)蔑@等效思維方法的教學(xué)策略

江小安　張其鳳

摘 要：等效思維是進(jìn)行科學(xué)研究的一種重要思維方法，在高中物理中應(yīng)用也很廣泛，立足教學(xué)實(shí)踐，以課例形式，從幫助學(xué)生建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力、建立和理解物理概念、找規(guī)律并形成結(jié)論、拓展解析和解決問(wèn)題的途徑四方面，嘗試研究在課堂教學(xué)中彰顯等效思維方法的策略。

關(guān)鍵詞：高中物理；等效思維；轉(zhuǎn)換；化繁為簡(jiǎn)

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確了“科學(xué)思維”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)方面，并明確給出物理課程的總目標(biāo)[ 1 ]。這就要求教師立足于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的課程目標(biāo)，把科學(xué)思維方法教育穿插在日常教學(xué)過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)課時(shí)教學(xué)。

1 等效思維方法及其基本特征

為了認(rèn)識(shí)復(fù)雜事物的本質(zhì)規(guī)律，我們常常從事物的等同效果出發(fā)，將其轉(zhuǎn)化為等效的、簡(jiǎn)單的、熟悉的、易于研究的物理事物進(jìn)行研究。等效思維方法就是在保證某種效果相同的這一基本點(diǎn)出發(fā)的，將實(shí)際的、復(fù)雜的物理現(xiàn)象、物理問(wèn)題和物理過(guò)程轉(zhuǎn)化為等效的、簡(jiǎn)單的、熟悉的、易于研究的物理現(xiàn)象、物理問(wèn)題和物理過(guò)程來(lái)處理的一種科學(xué)思維方法（如圖1所示）。其目的是通過(guò)轉(zhuǎn)換思維活動(dòng)的作用對(duì)象來(lái)降低思維活動(dòng)的難度[ 2 ]。

運(yùn)用等效思維方法研究問(wèn)題時(shí)，強(qiáng)調(diào)的是相比較事物間某一方面有等同效果，并非指兩事物間的各個(gè)方面都效果相同。因此一定要明確相比較的事物等同效果是在什么條件下、什么范圍內(nèi)、什么過(guò)程中。

在中學(xué)物理中，我們通常可以把所遇到的等效分為：物理模型等效、物理量等效、物理過(guò)程等效、物理圖形等效等[ 2 ]。本文以司南版物理（選修3-2）“交變電流的產(chǎn)生”課時(shí)教學(xué)為例，利用等效思維方法幫助學(xué)生建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力、建立和理解物理概念、找規(guī)律并形成結(jié)論、拓展解析和解決問(wèn)題的途徑四方面，談一談如何在教學(xué)中彰顯等效思維方法做法。

2 等效思維方法在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中的策略研究

2.1 喚起學(xué)生原本動(dòng)機(jī)，利用等效思維方法幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型意識(shí)和能力

在引入環(huán)節(jié)流程。先觀看視頻，生活中大型交流發(fā)電機(jī)（廠）；再課堂演示交流發(fā)電機(jī)模型，同時(shí)觀察電流表指針或示波器顯示。進(jìn)而可由學(xué)生討論總結(jié)交流電定義。

事實(shí)上，物理學(xué)中在研究解決物理問(wèn)題的過(guò)程中，常常用簡(jiǎn)化了的物理模型來(lái)代替復(fù)雜的物理原型進(jìn)行思維的方法，更好地理解其工作原理。本課教材中教學(xué)用實(shí)物模型就是把實(shí)際發(fā)電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化和模仿，是為更加明晰交流發(fā)電機(jī)的本質(zhì)特征和產(chǎn)生規(guī)律。實(shí)際課堂教學(xué)中我們?cè)俅伟蜒菔居檬謸u發(fā)電機(jī)多匝線圈等效簡(jiǎn)化一個(gè)矩形線圈，放在兩個(gè)磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)中；教師板畫、學(xué)生作業(yè)中我們又一次把兩磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)等效簡(jiǎn)化、抽象勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感線（如圖2所示）。這樣一來(lái)，學(xué)生的思維方向明確，思維活動(dòng)易于切入。

其實(shí)，理想變壓器模型、電能的輸送過(guò)程示意圖等也都是對(duì)實(shí)際物體的抽象，把復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化等效了，只討論其工作原理。

2.2 激發(fā)學(xué)生深層思維，利用等效思維的方法幫助學(xué)生建立和理解物理概念

在交變電流的描述教學(xué)環(huán)節(jié)，因交變電流大小和方向都隨時(shí)間作周期性變化，為了方便對(duì)交變電流進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算等，就必須從交變電流產(chǎn)生的效果上規(guī)定一種等效替代物理量。但是中學(xué)階段由于數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握原因，教材中只給出了正弦式交變電流的有效值是峰值的，往往造成學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)只是記住結(jié)論，不能理解其本質(zhì)。所以，課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中要突顯出從交變電流和恒定電流對(duì)電阻做功過(guò)程的等效角度引入。一交流電源（u=Umsin？棕t）對(duì)電阻R供電，在時(shí)間t（周期T的整數(shù)倍）內(nèi)交變電流做功為W；如果某恒定直流電源向同一電阻供電時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)也做功為W，即W=UIt。那么，交變電流所做的功可用直流電所做的功來(lái)代替（如圖3所示）。此時(shí)交流電壓u=Umsin？棕t的有效值就為U，交流電流i=Imsin？棕t的有效值就為I。在一過(guò)程中的電流熱效應(yīng)作用效果相同情況下，就用了一種恒定電流（簡(jiǎn)單形式）代替另一種周期性變化電流（復(fù)雜形式）。可見，等效替代的思想是理解和計(jì)算交變電流的有效值的核心思想。

其實(shí)，交變電流能通過(guò)電容器的教學(xué)設(shè)計(jì)也可運(yùn)用等效思維分析。直流電不能通過(guò)電容器，因?yàn)殡娙萜鲀蓸O板被絕緣介質(zhì)隔開了；電容器接到交流電源兩端時(shí)，實(shí)際上自由電荷也沒(méi)有通過(guò)兩極板間的絕緣介質(zhì)。但瞬間電壓在不斷變化，假設(shè)電容器極板原先是帶電的，當(dāng)正極板這邊電壓開始下降的時(shí)候，外界等效看成正極板帶的正電荷就減少了（其實(shí)是電子增加了），正極板的電勢(shì)就開始下降，那么為了維持電荷平衡，負(fù)極板上的電子就要開始減少，電子從負(fù)極板那里流出去了，這個(gè)時(shí)候，在負(fù)極板這里就會(huì)有電流產(chǎn)生，等效表現(xiàn)出交流“通過(guò)”電容器。

2.3 啟發(fā)學(xué)生異中求同，利用等效思維方法幫助學(xué)生尋找規(guī)律、形成結(jié)論

結(jié)束閱讀后，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)以下兩個(gè)問(wèn)題，發(fā)散學(xué)生思維，突破本課中“交變電流變化規(guī)律”的教學(xué)點(diǎn)的異中求同思考。

問(wèn)題（1）：線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中哪些邊切割磁感線，感應(yīng)電流方向如何？

問(wèn)題（2）：線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，穿過(guò)線圈磁通量如何變化？

通過(guò)生生互動(dòng)，師生互動(dòng)，自由、充分討論交流：能否從磁通量變化角度，應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)得到交變電流的變化規(guī)律。

再次如圖4所示，設(shè)線框經(jīng)t時(shí)間轉(zhuǎn)過(guò)的角度？茲=？棕t，穿過(guò)線框abcd的磁通量？準(zhǔn)=Bl1l2cos？棕t，所以一匝線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為e=？準(zhǔn)'（t）=Bl1l2？棕sin？棕t。

這樣，在一定范圍內(nèi)本質(zhì)相同的不同規(guī)律之間的等效代替，從兩個(gè)不同角度定量得到交變電流的變化規(guī)律。開擴(kuò)學(xué)生思維，促進(jìn)思維品質(zhì)提升。

其實(shí)，交變電流變化規(guī)律的表達(dá)形式上，有數(shù)學(xué)形式：e=Emsin？棕t；u=Umsin？棕t；i=Imsin？棕t。有圖象表達(dá)（如圖5乙、丙所示）。這樣數(shù)形結(jié)合也是一種形式不同，本質(zhì)相同的等效替代。

2.4 指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)應(yīng)用，利用等效思維方法，幫助學(xué)生拓展解析、解決問(wèn)題的途徑

多年教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在反復(fù)運(yùn)用科學(xué)思維方法研究問(wèn)題過(guò)程中，科學(xué)思維方法掌握了，運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力也就提高了。如有效值概念得到了理解鞏固。

再如，2016全國(guó)Ⅰ卷16（題目略，如圖6），應(yīng)用等效負(fù)載思維方法求解變壓器問(wèn)題比較簡(jiǎn)潔方便，通熟易懂[ 3 ]。具體分析解答如下。

可見，等效思維方法是一種化繁為簡(jiǎn)，化難為易的有效解決問(wèn)題的科學(xué)方法。

由于方法掌握需要通過(guò)不斷的滲透以形成科學(xué)的思維習(xí)慣來(lái)達(dá)到[ 4 ]，因此教師在日常課時(shí)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方案設(shè)計(jì)中就是依據(jù)物理學(xué)科特點(diǎn)以及學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和特點(diǎn)，把科學(xué)思想方法教育貫穿其中，滲透教育。這樣才能讓學(xué)生在收獲知識(shí)同時(shí)，掌握研究物理的科學(xué)方法，優(yōu)化學(xué)科的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

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[4]高杰，積極開展基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 物理教學(xué)探討，2017（7）：1-3.