基于高中物理核心素養下等效思維的顯化教學

2019-06-11 12:07:24張其鳳江小安

中學理科園地 2019年2期

張其鳳江小安

關鍵詞：核心素養;等效思維;顯化

引言

《普通高中物理課程標準》（2017年版，以下簡稱課標）把科學思維作為物理核心素養的一個重要組成部分，課程立足于“引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，養成科學思維習慣，増強創新意識和實踐能力”[ 1 ]。江蘇省首批“教授級高級教師”王高老師也認為：“應該讓物理教學充滿物理學的思想，用物理學思想啟迪學生的智慧，實現從知識課堂走向智慧課堂，為學生智慧的生長而教”[ 2 ]。在課堂教學實踐中要顯化科學思維與方法的教，引導學生靈活自主運用科學思維與方法的學，旨在提升他們應用已知的方法去解決物理實際問題，使學生少走很多彎路。

1 ?物理科學思維與等效思想概念的界定

物理的科學思維，是指人們在認識物質世界過程中，能夠有意識地從物理學的視角去看待自然現象和實際問題、有意識地使用物理知識去解釋現象和解決問題[ 3 ]。科學思維，也是物理核心素養中最重要的內容之一。而等效思想又稱等效思維，是指從事物間的等同效果出發，在解決問題過程中，對研究的對象、過程，研究對象的結構、功能等進行變換處理的一種思維方法[ 4 ]。物理中的等效是用熟知的物理情境和過程替代繁難、生疏的情境和過程，且能使結果保持不變，做到化繁為簡、化生為熟、化難為易、化變為恒、化曲為直，更快地認識問題的實質，從而為解決問題找到捷徑。

2 ?等效思想顯化教學的現狀

《課標》教學明確要求教師要引導學生體會“等效”的物理思想，讓學生在觀察、實驗的基礎上通過科學推理和科學論證等得到結論，由此培養學生的科學思維[ 5 ]。課標中并未對等效思想方法的具體內容直觀用文字的形式體現出來，學生也只能在教師的引導下，潛移默化地被滲透等效思想方法的教育，這種“隱性教育”方式不利于當前學生的快速發展。另外，絕大多數教材對概念、規律只安排教學要求，對物理等效思想方法也極少有專門篇幅介紹。我們認為，教師在物理概念、規律、實驗、習題等教學中落實等效思想方法的“顯性教育”，更有利于學生的快速學習及創新意識的培養。

3 ?等效思想在物理教學中的顯化

3.1 ?在物理概念的教學中顯化等效思想

物理概念是人們在認識物質世界的過程中，經過大腦的思維加工、升華，從物理的現象、過程中逐步形成具有物理最本質的特征[ 6 ]。不同的物理現象或物理情境之間往往存在相似的本質和規律，運用這些共性的規律解決一些較為復雜的物理問題中，就形成了新的物理概念和規律。

在中學物理中，涉及用等效思想而引入概念的例子有很多，如質點、點電荷、重心、勻（變）速直線運動等為了研究問題的方便而建立的理想化模型等效;又如合運動與分運動、等效電路、等效單擺等用一種簡單的作用進行替代，使問題得到簡化;再如平均速度、交變電流的有效值和平均值等為了處理問題的方便將較復雜的計算過程簡潔化;又如將環形電流、通電螺線管產生的磁場分布等效于條形磁鐵的磁場分布，可以使物理情境更加清晰明朗。

3.2 ?在物理規律的教學中顯化等效思想

物理規律來源于物理現象、物理過程中，經過提練而形成的內在聯系，反映事物間的運動、變化、發展所遵循的過程。現成的物理規律是物理學家經過長期的探索與研究，才形成經驗性的知識，其認識過程是比較復雜的。

例如在探究勻變速直線運動位移與時間關系時，利用學生已有的知識，直接展現等效思想的應用，把勻變速直線運動轉化為勻速直線運動，即“化變為恒”。

方法一：利用v-t圖象圍成的面積表示物體發生的位移。由于物體做勻速直線運動的速度不變，其位移可表示為s=vt，v-t圖象中圖線與時間軸圍成的面積正好等于位移的數值，且勻變速直線運動的速度是均勻變化的，我們可以把時間劃分為無數多小段，每一小段就可以等效一小矩形，其圍成的面積即這一小段時間發生的位移，若劃分越細，設想的運動就越接近于真實的運動。

方法二：利用平均速度的特點，s=t。由于速度是均勻變化的，v-t圖象中v與t的關系是線性變化，且v=v0+at，故整個過程的平均速度可以表示為=。鑒于此，我們可以找到一個等效的恒定的速度，即勻變速直線運動的平均速度，用這個平均速度“代替”求解，其位移：s=t=t=（v0+v0+at）t=v0t+at2。

3.3 ?在課堂教學中的各個環節顯化等效思想

一堂物理課的教學是由諸多的教學環節組成的，在導課、概念、規律和原理的引入、知識的復習、內容的拓展、課堂小結等這些環節中，教師都可以有意識地顯化物理思想和方法。

以“驗證牛頓第二定律實驗”為例：

（1）原理回顧復習中顯化等效思想

恒力的獲得：如圖1（a）、圖1（b），用鉤碼或砝碼、砝碼盤等效替代恒定拉力，圖1（c）用彈簧測力計間接測量拉力，且無系統誤差。

平衡摩擦力：木板的一端墊高一定高度，用等效思想平衡摩擦力

（2）問題探究中顯化等效思想

本實驗需滿足的兩個條件的問題探究，如圖1（b）：

a.關于平衡摩擦力的等效：為什么要平衡摩擦力？如何平衡？平衡摩擦力的時候小車后需要掛上紙帶和砝碼盤嗎？怎么判定？平衡摩擦力后再次實驗，是否需要重新平衡摩擦力？

b.關于恒力的等效及m<

（3）數據處理中體現等效思想方法

實驗中除了用計算法處理數據外，還可從a～F圖象入手，并借助a～圖象化曲為直，從而達到驗證的目的。

3.4 ?在物理實驗探究教學中顯化等效思想

高中很多物理實驗，尤其是力學實驗常采用等效思想去處理。比如布朗運動實驗、電流場模擬靜電場實驗是從實驗思想上進行等效;驗證力的平行四邊形定則、驗證牛頓第二定律是從原理上進行等效;在研究彈簧的形變與外力關系的實驗中，用鉤碼的重力等效替代拉彈簧的拉力;在探究兩同樣彈簧串聯或并聯后的等效彈簧勁度系數，其原理與“研究彈簧的形變與外力關系”實驗一樣，都是從作用效果上進行等效;用平拋運動裝置驗證動量守恒定律實驗中，用碰撞和被撞小球的水平射程等效替代碰撞前后的速度，從過程上進行等效。

如在“驗證平行四邊形定則”實驗（如圖2）中，利用一個彈簧測力計測的力替代兩個彈簧測力計共同作用于橡皮筋上的兩個力，橡皮筋上產生了相同的形變，在作用效果上是相同的，充分地體現了等效替代的思想。

本實驗還可以拓展：若不用彈簧秤，改用鉤碼替代彈簧測力計，如圖3，先用5個鉤碼拉彈簧并記錄結點O的位置，后改用3個、4個鉤碼分別跨過定滑輪，驗證兩繩夾角是否接近900 ？若接近900，從數學角度驗證了力的平行四邊形定則，體現了等效思想。

又如，在電表改裝中運用“串聯分壓”和“并聯分流”的特點，把小量程的電表改裝成大量程的電表。電流計改裝成單量程電壓表實質是在線圈一端串聯一個分壓電阻（如圖4），或串聯多個分壓電阻改裝成多量程的電壓表;電流計改裝成單量程電流表實質是在線圈兩端并聯一個分流電阻（如圖5），或并聯多個分流電阻改裝成多量程的電流表。