等效思維在初中物理解題教學中的應用探析

何斌杰

(福建省浦城縣盤亭中學,福建 南平 353414)

初中物理傳統的解題教學模式題海戰術,幫助學生建構各種物理模型,使他們能夠模板化套用解決不同類型的物理問題.然而,這種教學模式可能導致學生在面對條件復雜、過程繁瑣的物理問題時,不知如何著手思考問題.出現這一情況的根本原因在于教師未能有效培養學生的解題思維能力,他們未能掌握分析和處理問題的思維方法.對此,筆者將結合對等效思維法教學運用的認識,簡述如何在初中物理解題教學中運用該思維,以供參考.

1 等效思維的基本概念及運用意義

1.1 等效思維的基本概念

等效思維法主要指在相同的條件要素和特性情況下,通過等效替換、等效類比、等效遷移等思維方法,將復雜、繁瑣、隱晦的問題轉化為直觀、簡單、等效且熟悉的問題.這旨在簡化學生對物理問題的思考流程,使其能夠準確把握問題的處理要點,發現問題的客觀規律,從而提高解決問題的效率.初中物理解題教學中運用等效思維法不僅是課程教學改革的趨勢,更是教師培養學生學科思維能力、鍛煉學生物理問題處理分析能力的最佳手段.因此,廣大初中物理教學工作者應該對其給予足夠的重視.

1.2 等效思維教學運用的積極意義

等效思維作為初中物理解題教學中廣泛應用的思維方法,其在解題教學中的優點歸納如下:第一,等效思維方法有助于簡化學生對物理問題的分析過程,突出問題處理的核心要點,精煉物理圖形,從而為學生處理物理問題提供便利,使其能夠深刻理解和分析各種類型的物理問題[1].第二,等效思維方法能夠調動學生在解題學習中的主觀能動性.學生在簡化分析物理問題中扮演主導角色,而教師則負責引導學生運用等效思維方法,促使學生主動提升個人的物理解題思維能力,積累等效思維方法在解題中的經驗,從而更好地提高物理解題水平.

2 等效思維在初中物理解題教學中的運用策略

2.1 等效思維簡化條件,助力學生推理思考

在初中電路和力學等板塊問題,有助于學生進行問題的遷移推理,更有效地把握解題的核心要點.初中教師可通過引導學生運用等效思維法,簡化題目中的問題要素,促使學生嘗試類比推理不同物體在題目中的等效性,拓展個體思維,以實現簡化處理各種類型物理問題的目標[2].

以如下圖1串聯電路所示,電阻R1為大小恒定的定值電阻,R2為變值電阻,倘若電路中的電源電動勢為E,內阻為r,試求該電路中的變值電阻R2為多大時滴耗功率最大?

圖1 電路圖

由于本題直接分析題目中的條件要素進行功率計算難度較大,教師首先要使學生明白電源輸出功率處于一個變化并不單調的情況條件.然后教師再引導學生使用等效思維方法進行問題的二次分析,讓學生知道恒定電阻R1與電源內阻r可進行等效串聯分析,故可將電源的等效電阻轉化為R1+r,電阻R1與電源組成一個新的電源,可得如下簡化電路圖2.

圖2 簡化電路圖

最后教師再讓學生根據條件等效替換后所得出的全新電路圖,分析該條件下的變值電阻R2的大小及最大輸出功率.這時,學生只需要根據等效替換條件以及所做出的簡化電路圖,可知道當R2電阻大小與R1+r相等時,變值電阻R2的輸出功率為最大.

2.2 等效思維轉換圖形,輔助學生圖形理解

物理圖形是解決力學和電學問題的重要工具.然而,在一些電路圖中,電學元件較多,或者在一些力學圖中,一個物體受到多個外力作用,導致這類圖形的分析處理難度大,學生普遍對此感到畏懼[3].等效思維在處理這類圖形解題分析時發揮重要作用,通過串聯、并聯電路圖的等效替換,以及輔助線、受力圖的繪制等策略,能夠簡化物理圖形問題.

以“如圖3所示F1、F2、F3為作用于同一個點的力,且彼此之間互成120°,現已知F1、F2、F3大小分別為20 N、30 N、40 N,試求三者合力的大小及方向?”問題中的等效圖轉換運用為例.

圖3 受力分析圖

再以“探究電路”單元中的問題教學為例,教師可引進問題“已知圖6電源電動勢為6 V,電阻R1為9 Ω,整個電路消耗總功率P為10 W,而且電路中其他電阻大小均為R,若將電路R1電阻換為阻值大小為3 Ω的電阻R2,那么此時電路消耗的總功率T2為多少呢?”

圖6 實際電路圖

教師引導學生利用等效思維進行圖形替換分析處理,可將圖中除R1外的七個大小均為R的電阻看成一個整體R0,這時七個電阻所組成的大電阻與電阻R1為并聯關系,所以可得如下轉換圖形如圖7.

圖7 等效電路圖

2.3 等效思維剖析過程,簡化分析物理過程

在力學問題和運動問題的分析處理中,通常涉及物體在不同階段的過程狀態以及不同物理因素之間的連鎖作用.其中,一些因素是等效的,可以在過程和狀態分析中運用等效思維,這為學生處理問題時提供了有效的切入點[4].因此,教師應重視在物理問題過程分析中運用等效思維法,有意識地引導學生挖掘問題中存在等效性的物理量,并讓學生將挖掘到的等效物理量進行替換,從而簡化對物理過程變化中各個狀態的分析.這樣的引導有助于學生找到處理物理問題的有效方法,充分發揮等效思維在物理過程分析中的應用效果[5].

例如,假設甲乙分別在不同的城市,且彼此之間的距離為d,兩個人分別以U、V的速度相向而行,倘若這時丙以M的速度行駛在甲、乙之間,同時當丙追上甲時,立即調轉方向向乙行駛;而遇到乙時立即調轉方向向甲行駛,如此往復行駛,請問當甲乙相遇時丙行駛的路程d1為多少?

2.4 等效思維推論定律,夯實解題理論基礎

由于一些初中物理知識之間存在較強的關聯性,一些知識要點可以直接串聯構建知識網絡體系.因此,在解題教學中,教師可以運用等效思維法來加強對物理知識定律的理解.在定理推論演繹的解題教學中,教師應引導學生利用等效思維進行相關解題技巧方法的推論演繹.這有助于學生深入理解不同定理定律在題目要素變化下所具有的不同內涵,嘗試等效轉換運用各種物理定律,從而避免盲目記憶和套用物理公式和定律.

以“力與運動”板塊的定律推論教學為例,教師在解決相關問題時常使用“物體在力的作用下保持勻速直線運動或者保持靜止狀態”的知識點.然而,部分學生對于“勻速直線”與“靜止”這兩種運動狀態的理解存在不足,導致在解題時出現錯誤.這些學生往往認為在這兩種運動過程中物體處于不受力狀態,進而出現錯誤.在這種情況下,教師可以運用等效思維方法引導學生對該知識點進行推理,使學生明白“受力平衡”與“不受外力”所產生的效果是相同的.接著,教師結合“物體在平衡力作用下的運動狀態”進行解題教學,促使學生運用等效思維方法,將“不受外力”轉化為較為熟悉的“受力平衡”,嘗試定理規律的等效轉換運用,進行加速度的推理學習.通過逐步掌握“力與運動”板塊的物理知識定律等效替換運用的方法,學生能夠為后續深入解題運用打下堅實基礎.

3 結束語

初中物理解題教學落實運用等效思維法,傳授學生等效替換、等效轉換、等效類比等方法技巧,不僅輔助學生簡化問題要素,優化問題流程,高效圖形替換,提高其處理解決各種物理問題的效率,還能切實發展學生的思維能力,滿足新課程對學生學科素養的發展訴求.