例談高中物理 “復雜”問題“簡單化”教學策略的應用

姚中化

(深圳市教育科學研究院 廣東 深圳 518029)

物理學科核心素養的培養需建立在深入理解物理學科本質的基礎上得以實現;而物理本質又常常隱藏在復雜的現象和關聯之中.如何精準定位物理本質,引導學生尋找物理本質的最簡之路?在教學策略上如何通過“通俗化”“形象化”“拆解化”“可視化”“情境化”等手段降低思維難度,實現復雜問題“簡單化”?

1 語言“通俗化”

高中物理知識的理論性和系統性較強,根據認知心理學,課堂教學中,需要結合學生的認知水平,將那些深奧的理論巧妙地轉化為淺顯的知識,化晦澀為暢達、化深奧為淺顯,將抽象的問題直觀化,才能真正形成學生認知的一部分.

例:用兩個物理量之比定義一個新物理量的方法,是中學物理常用的方法.雖然學生在初中階段已經接觸過以兩個或多個物理量之比定義一個新的物理量的方法,但是,用該方法定義不同的物理量時,對學生思維轉化要求較高,多數初學者很難從這種抽象的定義式中深刻領悟每個具體概念的物理意義.

上述例1是現行新教材中用兩個物理量電場力F與試探電荷的電荷量q之比定義電場強度這個概念的一段描述,這種簡化的、經典的定義方法,使教材內容的呈現更加簡潔、嚴謹,但缺乏宜讀性.

為了幫助初學者理解概念的物理意義,在實際課堂教學中,在保證科學性前提下,需要先舍棄其部分嚴謹性,創設物理情境,抓住主要問題和問題的主要方面,通過通俗的語言,對比分析,引導學生探究電場強度概念的建立過程,再逼近真理,逐步得出電場強度的科學定義.例如下面的真實教學設計片段.

案例：如圖1所示,在電荷Q電場的空間,有A、B兩點,為了比較A、B兩點的強弱,可以用同一個試探電荷在A、B兩點受力大小進行比較.

圖1 案例情境圖

然而,如果在A點放置一個電荷量是8單位的試探電荷,受力是40單位,而在B點放置一個2單位試探電荷,受力是6單位,那么,又如何合理地比較這兩點的強弱?(學生思考)

師:帶電荷量多的試探電荷受力大,帶電荷量少的試探電荷受力小,是否受力大的地方場強就大?

提示:為此,需要一個“公平”的比較方式,即分析在試探電荷上平均每一個單位電荷受力的大小.

于是就用F與q的比值,表示該處電場的強弱——電場強度.

在抽象的新概念建立過程中,擺脫對教材的過度依賴,通過“通俗化”的語言,幫助學生將晦澀的專業術語“翻譯”為 “直白”表達方式,也不失為“變復雜為簡單”的一條途徑.

2 巧設類比 化抽象為形象

將抽象的問題通過各種教學手段,使之“可視化”,實現“簡單化”,便于學生的理解和記憶.例:能量觀念是物理學科核心素養的重要觀念之一,“功能關系”貫穿高中物理學習的全過程,也是高中物理幾大知識板塊(力、熱、電、光、原 )的一條“主線”.很多中學生對“功能關系”不能深入理解,尤其是對多個研究對象參與的復雜物理過程.

【例2】板塊模型:如圖2所示,物塊A以某一初速度在木板B上滑動,通過摩擦力帶動木板B運動.比較摩擦力對A、B所做功大小及A、B的動能改變量的關系.

圖2 例2題圖

以上模型類比為如圖3所示情境,二者類比如表1所示.

表1 板塊模型類比

圖3 板塊模型可視化類比情境

若研究對象增多,且物理情境再復雜些,如圖4所示,木板B運動過程中撞擊到物體C,全過程中有水平拉力F作用在物塊A上,且地面不光滑,則可進行圖5所示類比,這樣,將不可視的抽象物理過程通過類比實現“可視化”,從而實現復雜的物理過程“簡單化”.

圖4 多物體復雜情境

圖5 復雜情境類比

3 破解原理 拆解過程

高考評價要求“加強閱讀能力的考查,考生需具備獲取信息、加工處理信息的能力,通過理解文本、符號、圖形、表格等,透過現象看到本質,發現蘊含的規律或原理”.由于物理題呈現的篇幅過于精簡,考生往往會出現“讀不懂題”的現象.提高物理學科閱讀能力,首先需要實現“文字符號向物理情境的轉化”.

圖6 例3題圖

在筆者之前的一線教學中,曾經對該題進行過常規方法的習題講授——根據物理情境,運用規律,一步步求解.一節課下來,通過反饋:學生雖然認可筆者的解題過程,承認解題的每一步過程都很嚴謹,但是,他們自己卻很茫然于老師為何能想到要運用那一系列的物理規律來求解,對筆者布置的課后鞏固訓練題仍然無從下手.說明這節課的教學效果極為不理想.

通過教學反思,筆者得出結論:由于該題干過于簡練,文字描述的邏輯關系過于隱含,其情境的復雜程度超出了班級多數學生的分析能力,大部分學生有讀“穿越劇”的感覺,難以找到其內在的因果關系.在習題講解中,需要教師幫助學生“拆解”題干,顯化物理情境,將復雜的物理關系逐層剖解,合理的“搭梯子”,充分獲取文字信息,再進行“組合”.在另一個班級的習題分析中,筆者做了以下改進.

下面是筆者曾經在一線教學中的一次真實教學片段記錄.

師:如圖7所示,一個光滑半球形的物體,開口向下平放,在上面自然放置一個小球,小球能否靜止在上面?

圖7 光滑半球上自然放置一個小球

生:不能.

師:如何才能讓小球靜止在半球上?

生:可以對小球加一個外力.

師:如果加一個指向半球軸的合適的水平外力,可否使小球靜止?

生:可以.

師:如果加一個豎直方向的磁場,小球能否得到一個指向半球軸的水平力?

生:需要小球帶電,并且沿著正確的方向旋轉,半球絕緣.

師:如果外加磁場較弱,小球能否在水面內旋轉?

生:根據f洛=qBv只要速率v足夠大,洛倫茲力也隨之增大,可以實現.

生:需要磁感應強度的大小B滿足一定條件.

教師提示:以小球所在位置的切斜面對小球進行受力分析(豎直方向受力平衡,水平方向,洛倫茲力和彈力的分力提供向心力),列方程組求解.

在第二個班級的教學反饋中,學生普遍反映“是真的理解了”,通過同一個課后練習題的反饋,教學效果大幅提升.

結合物理原理,幫助學生將復雜的物理現象,拆解為一個個簡單的物理過程.再引申拓展,多角度剖析,多方法解答,科學架構,幫助學生找到現象、知識之間的內在邏輯關系,將看似紛繁復雜的物理知識體系化、完整化,再將“簡單化”的物理問題回歸到合理的認知高度,提升學生分析問題、解決問題的能力,培養科學的思維方式,形成系統化知識和能力體系.

綜上所述,不管在新授課、復習課、習題課講解過程中,采用上述策略以“簡單化”切入,使原本“看不見”“摸不著”“聽不懂”“解不出”的復雜問題,突然變得“簡單”起來.應當指出的是,高中物理教學過程,對教師和學生的個人因素具有較大的依存性,我們需要正視學生的個體差異和學能體現,堅持教學的針對性原則,結合學生的思維特征,俯下身去,設身處地,了解他們的心理需求,改進物理教學方式,把“復雜”的物理問題“簡單化”,才能在此基礎上進一步培養學生的科學思維和學科能力,凸顯物理學科對提高學生核心素養的獨特作用,幫助學生實現終身發展.