在習(xí)題教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力

吳 剛

(巴中市恩陽(yáng)區(qū)恩陽(yáng)中學(xué),四川 巴中 636064))

高階思維是基于“復(fù)雜情境”問(wèn)題分析而得到的“機(jī)制”和“結(jié)晶”[1].思維由低到高分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造六個(gè)層級(jí)，其中前三個(gè)層級(jí)為低階思維；后三個(gè)層級(jí)為高階思維[2].低階思維是發(fā)展高階思維的基礎(chǔ)，高階思維是低階思維進(jìn)入深度學(xué)習(xí)區(qū)后表現(xiàn)出來(lái)具有更高水平的思維過(guò)程和成果.在習(xí)題評(píng)講教學(xué)環(huán)節(jié)有意識(shí)地通過(guò)“一題多解”、“一題多變”、“數(shù)理結(jié)合”和“反思質(zhì)疑”，把問(wèn)題情境適當(dāng)延寬一些，把思維觸覺(jué)適度拓深一些，促進(jìn)學(xué)生對(duì)問(wèn)題情境有更深入的理解、對(duì)物理過(guò)程有更透徹的分析，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維的能力和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo).

1 一題多解

圖1

例1.已知O、A、B、C為同一直線上的四點(diǎn)，A、B間的距離為l1,B、C間的距離為l2，如圖1所示.一物體自O(shè)點(diǎn)由靜止出發(fā)，沿此直線做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)A、B、C三點(diǎn).已知物體通過(guò)AB段與BC段所用的時(shí)間相等，求O與A的距離.

設(shè)物體的加速度為a，經(jīng)OA段的時(shí)間為t0，物體經(jīng)AB段和BC段的時(shí)間均為t，O與A的距離為l，對(duì)物體經(jīng)過(guò)OA段、OB段、OC段分別有

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

設(shè)物體在A點(diǎn)的速度為vA，則有

(1)

l1+l2=2vAt+2at2.

(2)

由(1)、(2)式得

l2-l1=at2.

(3)

3l1-l2=2vAt.

(4)

設(shè)O、A間的距離為l，則有

(5)

由(3)～(5)式聯(lián)立解得

解法3：利用v2=2as和v2=v02求解.

設(shè)A、B、C三點(diǎn)的速度分別為vA、vB、vC，則有

vA2=2al.

(1)

vB2-vA2=2al1.

(2)

vC2-vB2=2al2.

(3)

(4)

解法4：利用Δs=aT2求解.

由題意有l(wèi)2-l1=at2.

(1)

(2)

vB2=2a(l+l1).

(3)

由(1)～(3)式聯(lián)立解得

解法5：利用v-t圖像求解.

圖2

作出物體從O到C的v-t圖像，如圖2所示.設(shè)t0、t0+t、t0+2t時(shí)刻物體分別通過(guò)A、B、C3點(diǎn)，速度分別為vA、vB、vC.

由圖中“面積”的物理意義及三角形相似比(△OPQ∽△OMG)得

(1)

BC段比AB段多通過(guò)的位移可表示為(陰影面積)

l2-l1=(vB-vC)t.

(2)

梯形PNHQ的面積是AC段的位移，則有

l1+l2=vB·2t.

(3)

本題看似一道極常規(guī)的試題，卻隱含著重重思維障礙，對(duì)學(xué)生解方程組的數(shù)學(xué)能力要求極高.在解法1中，有效方程數(shù)少于未知量數(shù)，學(xué)生因缺乏計(jì)算技巧而不知如何聯(lián)立求解出最后結(jié)果.在解法2中，由(1)、(2)式得出(3)、(4)式，然后計(jì)算出A點(diǎn)速度，計(jì)算方法巧妙，學(xué)生很難想到.解法4則回避了這一難點(diǎn)，更顯靈活.通過(guò)“一題多解”，有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)同一問(wèn)題從多維角度分析、思考，開(kāi)闊學(xué)生思路,達(dá)到發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維.

2 一題多變

圖3

例2.如圖3所示，已知電源電動(dòng)勢(shì)為6 V，內(nèi)阻為1 Ω，保護(hù)電阻R0=0.5 Ω.求：當(dāng)電阻箱R讀數(shù)為多少時(shí)，保護(hù)電阻R0消耗的電功率最大，并求這個(gè)最大值.

解析：保護(hù)電阻R0消耗的功率為

因R0和r是常量，而R是變量，所以R最小時(shí)，P0最大，即R=0時(shí)，

變式1.在其他條件不變的條件下，當(dāng)電阻箱R讀數(shù)為多少時(shí)，電阻箱R消耗的電功率PR最大，并求這個(gè)最大值.

解析：電阻箱R消耗的電功率為

變式2.在例題中，若電阻箱R的最大值為3 Ω，R0=5 Ω，求：當(dāng)電阻箱R讀數(shù)為多少時(shí)，電阻箱R的電功率最大，并求這個(gè)最大值.

變式3.例題中條件不變，求電源的最大輸出功率.

解析:由

圖4

變式4.如圖4所示，電源電動(dòng)勢(shì)E=2 V，內(nèi)阻r=1 Ω，電阻R0=2 Ω，可變電阻的阻值范圍為0～10 Ω.求：可變電阻為多大時(shí)，R消耗的功率最大，最大值為多少？

根據(jù)閉合電路歐姆定律，路端電壓為

通過(guò)改變題目的條件或要求，對(duì)各種情況下功率的分析計(jì)算，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能做到舉一反三、觸類旁通，起到“做好一題、帶活一片”的效果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散、創(chuàng)新思維能力大有裨益.

3 數(shù)理結(jié)合

例3.用輕繩懸掛一小球?qū)⑿∏蚶了轿恢?然后放手使小球由靜止開(kāi)始向下擺動(dòng)，在小球擺至最低點(diǎn)的過(guò)程中重力對(duì)小球做功的功率

(A) 保持不變. (B) 不斷變大.

(C) 不斷變小. (D) 先變大后變小.

解析:這是一道高一物理必修2學(xué)習(xí)到瞬時(shí)功率計(jì)算時(shí)常考的題，一般用極限方法求解.小球在初位置速度為0，在最低點(diǎn)重力與速度垂直.由P=Fvcosα可知，小球在初、末位置重力的瞬時(shí)功率均為0，而在中間過(guò)程功率不是0.所以排除(A)、(B)、(C).下面對(duì)這個(gè)情景做一些深入定量分析，用于研究性學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的高階思維能力.

圖5

一般我們習(xí)慣從時(shí)間或空間維度觀察物理量的變化，即找到物理量隨時(shí)間變化的函數(shù)或隨位置坐標(biāo)變化的函數(shù).本情景中重力功率隨時(shí)間的關(guān)系很難找，但隨空間的關(guān)系比較容易找.如圖5所示，設(shè)擺長(zhǎng)l、擺球質(zhì)量m為定值，空間位置可用θ確定，找到重力的功率和θ的關(guān)系即可.

(1)

(2)

為看出P(θ)函數(shù)單調(diào)性，將上式整理得

方法1：通過(guò)求導(dǎo)討論單調(diào)性.

φ′(θ)=cosθ·cos2θ-2sin2θcosθ=3cos3θ-2cosθ.

利用作圖軟件作出φ′(θ)=3cos3θ-2cosθ的圖像，如圖6所示.

圖6

故φ(θ)=sinθ·cos2θ在θ≈35°有極大值，即重力的功率先變大后變小.

方法2：通過(guò)換元將三角函數(shù)轉(zhuǎn)化為多項(xiàng)式來(lái)討論單調(diào)性.

圖7

由圖像可看出θ≈35°時(shí)，φ(θ)=sinθ·cos2θ有極大值，同理得到重力的功率先變大后變小.

4 反思質(zhì)疑

圖8

例4.木板向右水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，上面輕放一木塊，如圖8所示.木塊與木板、木板與地面均不光滑.最大靜摩擦力近似等于滑動(dòng)摩擦力，木塊和木板質(zhì)量相等.木塊始終在木板上，則放上木塊后木板的v-t圖像正確的是

圖9

該學(xué)生選出的答案固然是正確的，但是解答過(guò)程并不完整.這道題涉及的物理過(guò)程還是比較復(fù)雜的，需要分情況討論，才能做出正確的解答.

圖10

解析：兩者一起勻減速直線運(yùn)動(dòng)是有條件的，有可能木塊不能和木板一起做勻減速直線運(yùn)動(dòng).下面進(jìn)行分析討論：設(shè)木板上下表面的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ1、μ2.兩者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)木塊：a塊=μ1g，對(duì)木板：a板=μ1g+2μ2g，a塊

圖11

圖12

若μ1≤μ2，共速后兩者不可能相對(duì)靜止.通過(guò)分析可知，只能出現(xiàn)木塊相對(duì)木板向前運(yùn)動(dòng)的情況，即木塊受到與木板速度相反的滑動(dòng)摩擦力作用，繼續(xù)減速，木塊和木板受力分析如圖11所示.對(duì)木塊有，a塊′=μ1g，對(duì)木板有，a板′=2μ2g-μ1g，由于a塊′=a塊

好多學(xué)生在做選擇題時(shí)，只求選出符合題意要求的選項(xiàng)，但有時(shí)其思維過(guò)程是不完整的，甚至是錯(cuò)誤的.把學(xué)生在解答過(guò)程中存在的思維障礙暴露出來(lái)并加以剖析，讓學(xué)生對(duì)問(wèn)題給予充分的質(zhì)疑、辯論，以便能更好地培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科思維和發(fā)展核心素養(yǎng).