物理教學中“異中求同”培養學生的科學思維

摘 要：在初中物理教學中，不同知識板塊雖知識點各異，但蘊含的科學思維方法相同。本文通過實例展示了在不同主題和實驗探究中，如何運用相同的邏輯分析方法和研究方法來解決問題，強調了科學思維在提升學生物理學科核心素養中的重要作用。

關鍵詞：異中求同；科學思維；核心素養

物理課程要培養的核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。其中科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式。［1］學生從已知的信息中，通過頭腦分析等活動獲得新的信息，就是經歷思維的過程，這一過程能提高自身分析、解決問題的能力，提高物理學科核心素養。

義務教育物理課程內容由“物質” “運動和相互作用” “能量” “實驗探究” “跨學科實踐”五個一級主題構成。［2］不同知識板塊的問題雖然涉及的知識點不同，但是其中蘊含的科學思維是一樣的。

1 不同的知識體系，相同的邏輯分析

例1 如圖1甲所示，電源電壓U＝12V，燈泡L的額定電壓為9V，其電流與電壓的關系如圖1乙所示，滑動變阻器R的最大阻值為10Ω。在某次正常調節中，R接入電路的阻值變化量比L的阻值變化量大，則滑片P的移動方向是_______________（填“一定向左”“一定向右”或“向左、向右均可”）。

甲

解析：若滑片P向左滑動，R接入電路的阻值變小，電路電流變大，由圖乙可知燈泡電阻變大。因為電流變大，說明電路總電阻變小，所以R接入電路的阻值變小的量大于L阻值變大的量，即R接入電路的阻值變化量比L的阻值變化量大。若滑片P向右滑動，分析思路類似，因為總電阻變大，還是R接入電路的阻值變化量比L的阻值變化量大。因此答案為“向左、向右均可”。

例2 籃球落地后彈起過程中，每隔相等時間曝光一次所拍攝的照片如圖2所示。由圖可知，籃球離開地面上升的過程中，重力勢能_______________，動能_______________，籃球動能的變化量_______________（填“大于”“小于”或“等于”）重力勢能的變化量，依據是 。

解析：由圖可知，籃球在運動過程中，機械能有損耗。籃球上升過程中，重力勢能增加，動能減少。因為機械能總量減少，所以動能的減少量大于重力勢能的增加量。

在物理學中，雖然電學知識與機械能知識屬于不同的知識體系，兩者所屬的主題與內容要求不同，但在具體的解題過程與邏輯分析中，解題思路具有一定的共性（如表1所示）。

2 不同的實驗探究，相同的研究方法

例3 小明同學對影響滑動摩擦力大小的因素進行探究。

實驗器材：氫氣充氣機（氫氣球可充氣）、臺式測力計、彈簧測力計、白紙、金屬盒、細線若干等。

【提出猜想】

猜想一：接觸面的粗糙程度相同時，重力越大，滑動摩擦力越大。

猜想二：接觸面的粗糙程度相同時，壓力越大，滑動摩擦力越大。

【實驗裝置】

實驗裝置如圖3所示。

【操作步驟】

步驟一：將金屬盒放在質量不計的白紙上（如圖3甲所示），讀出臺式測力計的示數；輕拉白紙的過程中，讀出彈簧測力計的示數。

步驟二：將質量不計的氫氣球系在金屬盒上（如圖3乙所示），讀出臺式測力計的示數；輕拉白紙的過程中，讀出彈簧測力計的示數。

步驟三：再往金屬盒中注入適量的沙子，用氫氣充氣機往氫氣球中充氣，使臺式測力計的示數與步驟一中的示數相等，輕拉白紙的過程中，讀出彈簧測力計的示數。

【實驗數據】

實驗次數金屬盒總重力（N）臺式測力計的示數（N）彈簧測力計的示數（N）

（1）實驗步驟二使用氫氣球是為了改變_______________（填“壓力”或“重力”）。

（2）實驗中_______________（填“需要”或“不需要”）勻速拉動白紙。

（3）實驗中是通過______________________________來改變金屬盒總重力的。

（4）整個實驗證明猜想_______________正確。

解析：本題探究重力和壓力對滑動摩擦力大小的影響。實驗步驟二中，金屬盒的重力沒有變，通過氣球產生的拉力，減小了金屬盒對白紙的壓力，發現滑動摩擦力隨之減小，可見滑動摩擦力大小與壓力有關，猜想二正確。實驗步驟三通過往金屬盒中注入適量的沙子，增大了重力；由于控制變量的需要，用氫氣充氣機往氫氣球中充氣，從而增大氣球對金屬盒的拉力，使得壓力不變，發現滑動摩擦力不變，可見滑動摩擦力大小與重力無關，猜想一錯誤。

例4 用如圖4所示的裝置探究“影響電熱的因素”，A、B、C為三根相同的電阻絲。以A、B為研究對象，該實驗探究的是在_______________不變時電熱與_______________的關系。若將C也置于右側容器中，這時B、C并聯后可等效為一根電阻絲；那么，該裝置還可探究在_______________不變時電熱與_______________的關系。（均填“電流”或“電阻”）

解析：以A、B為研究對象，兩根電阻和通電時間相同，通過A的電流是通過B的電流的兩倍，所以探究的是電熱和電流的關系。若將B、C并聯后一起置于右側容器中，可等效為一根阻值為5Ω的電阻絲。此時其電流、通電時間與A相同，探究的是電熱與電阻的關系。

雖然不同的物理實驗分屬于不同的主題，且實驗的內容要求也具有差異，但實驗所用的研究方法卻是相同的（如表2所示）。

3 不同的情境問題，相同的數學推導

例5 小云每天騎自行車上學和回家，經過相同的路線。某天早上上學時，前一半時間的平均速度為v1，后一半時間的平均速度為v2，則整個路程的平均速度為_______________。下午放學回家時，前一半路程的平均速度為v1，后一半路程的平均速度為v2，則整個路程的平均速度為_______________。

解析：設學校和家之間的路程為s，上學時前一半時間為t，則上學的平均速度為

v＝v1t＋v2t2t＝v1＋v22，回家的平均速度為v＝s0.5sv1＋0.5sv2＝2v1v2v1＋v2。

例6 兩種液體的密度分別為ρ1、ρ2。若混合前它們的質量相等，則將它們混合后，混合液體的密度為_______________；若混合前它們的體積相等，則將它們混合后，混合液體的密度為_______________。（設混合前、后液體的體積不變）

解析：設兩種液體的質量都是m，則混合后的平均密度為ρ＝m＋mmρ1＋mρ2＝2ρ1ρ2ρ1＋ρ2；

設兩種液體的體積都是V，則混合后的平均密度為ρ＝ρ1V＋ρ2V2V＝ρ1＋ρ22。

以上兩道例題基于不同的情境而設置，兩者的主題與內容要求都不同，但都用到了數學推導的方法，解題所需的思維具有一定的共性（如表3所示）。

4 不同的學科問題，相同的作圖思路

例7 畫出圖5中發光點S發出的光線經平面鏡反射后過P點的光路圖。

解析：本題用到兩個知識點，一是反射光線反向延長線通過發光點的像點，二是平面鏡成像的特點——像與物關于平面鏡對稱。據此，作出光路圖。

例8 （小馬喝水問題）直線MN表示一條河流的岸，在河流同側有A、B兩地，小馬從A地出發到B地，中途要在河邊飲水一次，請在圖6中用直尺和圓規作出使小馬行走路程最短的飲水點P的位置。

解析：因為兩點之間線段最短，作A點關于直線MN的對稱點A′，連接A′B交直線MN于P點，則P點即為所求點（如上圖所示）。

在初中知識的教學中，物理學科與數學學科知識點的主題和內容要求都不盡相同，但通過作圖解決問題的過程卻具有一定的思維共性（如表4所示）。

5 結語

“異中求同”法可以提高學生分析、歸納的能力，訓練學生概括性思維、全面性思維能力，總結某一類事物的規律，系統掌握知識。［13］教師可以將物理課本上、習題中那些學生原本以為孤立的知識點串聯起來，抽象出共同的思維模式，讓學生將所學的知識由孤立變成整體，由知識的掌握變成思維的形成，從而達到有效學習的目的。

“異中求同”甚至可以不局限于單一學科。教師通過引導學生尋找不同學科問題中的相同方法和思維，可以加強學科間的聯系，發展學生跨學科運用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力、動手操作的實踐能力，培養學生積極認真的學習態度和樂于實踐、敢于創新的精神。［14］由此教師能讓學生進一步認識到：知識、方法和技能并非孤立存在的，而是相互關聯、相輔相成的。這不僅能增強學生對知識的整體感知力，使學生真正掌握學習方法，還能培養學生的科學思維，提升學生的核心素養。

參考文獻

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