核心素養(yǎng)視角下淺談實際物理問題對學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)

王言利

(江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212017)

1 問題的提出

一次高三模擬考試中有這樣一道計算題.

【例1】動圈式話筒是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的傳聲器,它的結(jié)構(gòu)如圖1所示.主要由振動膜片、音圈、永磁鐵和升壓變壓器等組成.它的工作原理是當(dāng)人對著話筒講話時，膜片就隨著聲音顫動，從而帶動連在一起的音圈在磁場中作運動，線圈兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而完成聲電轉(zhuǎn)換.若圓環(huán)形音圈的匝數(shù)為N，半徑為r，音圈所用導(dǎo)線的橫截面積為S，電阻率為ρ，其振動時所在區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.

圖1 動圈式話筒示意圖

(1)求音圈的電阻；

(2)若某時刻音圈的切割速率為v，求此時音圈中產(chǎn)生的電動勢；

(3)若音圈的切割速度按v=v0sinωt變化，話筒工作時和音圈相連的后續(xù)電路可等效成電阻為R的負(fù)載，求音圈輸出的電功率.

這道題是一個實際電磁感應(yīng)問題，問題情境來自生活實際，可以在人教版《物理·選修3-2》第4節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律問題與練習(xí)中找到與它類似的問題，教材上的問題情境是一個動圈式揚(yáng)聲器.揚(yáng)聲器反過來是可以當(dāng)做話筒用的，它和動圈式話筒應(yīng)用了相同的原理并具有相類似的聲電轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu).作為試卷的第一道計算題，雖然該題目在計算上的難度不大，但是這樣的實際物理問題與同學(xué)們所熟悉的那些模型化的電磁感應(yīng)習(xí)題很不一樣，學(xué)生遇到這種熟悉又陌生的問題會感到一些困惑.看似不難的題目，很多學(xué)生解答得并不好，這其中的原因值得我們?nèi)パ芯?

2 實際物理問題的特點

物理問題可以分為兩種，第一種被稱為物理習(xí)題；第二種被稱為實際物理問題.實際物理問題是在現(xiàn)實世界中客觀存在的，尚未被分解、簡化、抽象的物理問題，它具有以下兩個特征：(1)來自真實生活情境，只是對現(xiàn)象進(jìn)行描述，沒有對現(xiàn)象作過度抽象；(2)具有客觀性、復(fù)雜性、已知條件的隱蔽性和答案的合理性，但有時并不具有精確性.物理習(xí)題則是指將實際問題經(jīng)過合理的分解、簡化和抽象后形成的問題，這類問題往往是為鞏固物理概念、規(guī)律而人為加工選編出來的，例如教科書、教參和各類中學(xué)物理輔導(dǎo)資料中大多數(shù)的題目.習(xí)題是人為設(shè)置的且條件控制嚴(yán)格，物理情境的真實性因此受到破壞，使學(xué)生解答習(xí)題的思維活動與解決實際問題的思維活動相去甚遠(yuǎn).這就造成很多學(xué)生只知道根據(jù)已知條件和現(xiàn)成的物理模型去解題，但是遇到一些實際物理問題時卻束手無策.因此雖然學(xué)生在物理課上學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)問題，也做了很多電磁感應(yīng)的習(xí)題，比如導(dǎo)體棒切割磁感線類問題，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動類問題，但是遇到動圈式揚(yáng)聲器這樣的實際問題時解答得并不好.究其原因是學(xué)生做的習(xí)題已經(jīng)被加工簡化，也就是說解決實際問題過程中所需要的分析、抽象、概括和建立模型等科學(xué)思維方法被出題者代替學(xué)生完成了，從而使學(xué)生在習(xí)題解決過程中失去了發(fā)展一些科學(xué)思維能力的機(jī)會.

3 實際物理問題的解決過程

學(xué)生解決實際問題需要經(jīng)歷3個相互銜接的過程：第一，分辨與概括，即弄清楚面對的實際問題是什么，有什么樣的現(xiàn)象和科學(xué)事實；第二，建構(gòu)物理模型，即把實際問題進(jìn)行分解、簡化、抽象后轉(zhuǎn)化為相關(guān)的物理模型；第三，推理和計算，根據(jù)相關(guān)概念、定律和公式進(jìn)行推理和演算，解決問題.

本文題目中對動圈式話筒這個問題的解決，需要學(xué)生對動圈式話筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)識動圈話筒應(yīng)用了電磁感應(yīng)規(guī)律這個物理本質(zhì)，然后在法拉第電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，對動圈式話筒進(jìn)行抽象，構(gòu)建導(dǎo)體切割磁感線的模型.這要求學(xué)生能把直導(dǎo)線切割磁感線的知識遷移到彎曲的導(dǎo)線垂直切割磁感線情境上面，對建構(gòu)物理模型的能力具有較高要求.接下來，在物理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論推導(dǎo)和計算，套在N極上的線圈在膜片的帶動下往復(fù)運動，每個線圈都做垂直切割磁感線運動，可以根據(jù)E=BLv求出線圈產(chǎn)生的總感應(yīng)電動勢,即E=NB×2πr×v=2πNBrv.解決動圈式話筒這個問題的另外一個障礙就是磁場的分布沒有直接畫出，也需要學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗進(jìn)行分析.這里的磁場可以看做是兩個并排的U形磁鐵產(chǎn)生的，U形磁鐵口兩磁極相對的部分近似為勻強(qiáng)磁場，其磁感線的分布如圖2所示.

圖2 U形磁鐵口磁感線的分布示意圖

通過磁感線的分布可以看出，音圈在切割磁感線運動的時候，線圈所在區(qū)域的磁場是勻強(qiáng)磁場，磁場方向與線圈的運動方向垂直.線圈的速度按正弦規(guī)律變化，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也按正弦規(guī)律變化，即音圈產(chǎn)生的電流是正弦交流電，其表達(dá)式為

e=2πNBrv0sinωt

其電動勢的有效值為

輸出功率為

4 實際物理問題的教學(xué)價值

新課程標(biāo)準(zhǔn)制定了學(xué)科的核心素養(yǎng)，物理的核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，其中科學(xué)思維是從物理學(xué)的角度對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象過程，包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等要素[1].中國基礎(chǔ)物理教育的傳統(tǒng)是比較注重知識傳授，教學(xué)以習(xí)題訓(xùn)練為主，培養(yǎng)出來的學(xué)生具有扎實的知識基礎(chǔ)和很好的邏輯推理能力.但是學(xué)生在抽象與概括、建構(gòu)科學(xué)模型、質(zhì)疑與科學(xué)創(chuàng)新等科學(xué)素養(yǎng)方面的表現(xiàn)卻不盡人意，這也使我們的基礎(chǔ)教育飽受社會詬病.楊振寧說:“做很多習(xí)題,只能說是訓(xùn)練獨立思考能力的一半，而另一半的方法是復(fù)雜的，不是每個學(xué)生都能采納同樣的建議或勸告，這個方法要靠自己去摸索.”[2]物理教學(xué)的價值體現(xiàn)就是培養(yǎng)全體公民的科學(xué)素質(zhì)，而物理問題尤其是實際物理問題的解決是科學(xué)素養(yǎng)的實在體現(xiàn).在現(xiàn)實的情境中能夠通過獨立思考做出合理的判斷和選擇,能夠運用所學(xué)的知識和經(jīng)驗解決實際問題,這也是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.

實際物理問題由于具有原始性和復(fù)雜性等特點，學(xué)生解決實際問題的過程也就是經(jīng)歷運用科學(xué)思維與探究的過程.面對一個信息復(fù)雜、客觀真實的實際問題，學(xué)生找不到可以拿來效仿的原型，也沒有既成的經(jīng)驗作為指導(dǎo)，只能通過獨立思考，不斷嘗試，對問題進(jìn)行探索嘗試.解決實際物理問題所需要的物理圖像或物理模型通常是隱藏的，學(xué)生只能根據(jù)某些事實或已知理論，運用抽象、概括、建立模型、類比、猜測等科學(xué)思維對實際問題的本質(zhì)形成適應(yīng)性、啟發(fā)性的領(lǐng)悟，這種科學(xué)抽象思維就帶有跳躍式提取和加工信息的特點.

因此實際物理問題可以彌補(bǔ)習(xí)題真實情境缺失的缺點，有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和解決問題的能力.高中物理教學(xué)越來越重視與生活實際及現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，在我們的物理教材中也有很多的實際問題，比如電磁流量計，等離子體發(fā)電，動圈式揚(yáng)聲器等等，教材中的這些材料經(jīng)常被拿來改編成各種考試題目，成為考試命題者鐘愛的題目原型，使用實際問題對學(xué)生進(jìn)行物理能力測試或許將是未來考試命題的一個發(fā)展趨勢.物理教師要養(yǎng)成課程資源意識,不斷地發(fā)現(xiàn)實際物理問題，指導(dǎo)學(xué)生解決一些實際物理問題，使學(xué)生體會基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的過程以及分析綜合、推理論證方法在實際問題解決中的應(yīng)用，從而落實核心素養(yǎng)中對科學(xué)思維能力的培養(yǎng).