基于高中物理核心素养下等效思维的显化教学

2019-06-11 12:07张其凤江小安

中学理科园地 2019年2期

张其凤江小安

关键词：核心素养;等效思维;显化

引言

《普通高中物理课程标准》（2017年版，以下简称课标）把科学思维作为物理核心素养的一个重要组成部分，课程立足于“引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，増强创新意识和实践能力”[ 1 ]。江苏省首批“教授级高级教师”王高老师也认为：“应该让物理教学充满物理学的思想，用物理学思想启迪学生的智慧，实现从知识课堂走向智慧课堂，为学生智慧的生长而教”[ 2 ]。在课堂教学实践中要显化科学思维与方法的教，引导学生灵活自主运用科学思维与方法的学，旨在提升他们应用已知的方法去解决物理实际问题，使学生少走很多弯路。

1 物理科学思维与等效思想概念的界定

物理的科学思维，是指人们在认识物质世界过程中，能够有意识地从物理学的视角去看待自然现象和实际问题、有意识地使用物理知识去解释现象和解决问题[ 3 ]。科学思维，也是物理核心素养中最重要的内容之一。而等效思想又称等效思维，是指从事物间的等同效果出发，在解决问题过程中，对研究的对象、过程，研究对象的结构、功能等进行变换处理的一种思维方法[ 4 ]。物理中的等效是用熟知的物理情境和过程替代繁难、生疏的情境和过程，且能使结果保持不变，做到化繁为简、化生为熟、化难为易、化变为恒、化曲为直，更快地认识问题的实质，从而为解决问题找到捷径。

2 等效思想显化教学的现状

《课标》教学明确要求教师要引导学生体会“等效”的物理思想，让学生在观察、实验的基础上通过科学推理和科学论证等得到结论，由此培养学生的科学思维[ 5 ]。课标中并未对等效思想方法的具体内容直观用文字的形式体现出来，学生也只能在教师的引导下，潜移默化地被渗透等效思想方法的教育，这种“隐性教育”方式不利于当前学生的快速发展。另外，绝大多数教材对概念、规律只安排教学要求，对物理等效思想方法也极少有专门篇幅介绍。我们认为，教师在物理概念、规律、实验、习题等教学中落实等效思想方法的“显性教育”，更有利于学生的快速学习及创新意识的培养。

3 等效思想在物理教学中的显化

3.1 在物理概念的教学中显化等效思想

物理概念是人们在认识物质世界的过程中，经过大脑的思维加工、升华，从物理的现象、过程中逐步形成具有物理最本质的特征[ 6 ]。不同的物理现象或物理情境之间往往存在相似的本质和规律，运用这些共性的规律解决一些较为复杂的物理问题中，就形成了新的物理概念和规律。

在中学物理中，涉及用等效思想而引入概念的例子有很多，如质点、点电荷、重心、匀（变）速直线运动等为了研究问题的方便而建立的理想化模型等效;又如合运动与分运动、等效电路、等效单摆等用一种简单的作用进行替代，使问题得到简化;再如平均速度、交变电流的有效值和平均值等为了处理问题的方便将较复杂的计算过程简洁化;又如将环形电流、通电螺线管产生的磁场分布等效于条形磁铁的磁场分布，可以使物理情境更加清晰明朗。

3.2 在物理规律的教学中显化等效思想

物理规律来源于物理现象、物理过程中，经过提练而形成的内在联系，反映事物间的运动、变化、发展所遵循的过程。现成的物理规律是物理学家经过长期的探索与研究，才形成经验性的知识，其认识过程是比较复杂的。

例如在探究匀变速直线运动位移与时间关系时，利用学生已有的知识，直接展现等效思想的应用，把匀变速直线运动转化为匀速直线运动，即“化变为恒”。

方法一：利用v-t图象围成的面积表示物体发生的位移。由于物体做匀速直线运动的速度不变，其位移可表示为s=vt，v-t图象中图线与时间轴围成的面积正好等于位移的数值，且匀变速直线运动的速度是均匀变化的，我们可以把时间划分为无数多小段，每一小段就可以等效一小矩形，其围成的面积即这一小段时间发生的位移，若划分越细，设想的运动就越接近于真实的运动。

方法二：利用平均速度的特点，s=t。由于速度是均匀变化的，v-t图象中v与t的关系是线性变化，且v=v0+at，故整个过程的平均速度可以表示为=。鉴于此，我们可以找到一个等效的恒定的速度，即匀变速直线运动的平均速度，用这个平均速度“代替”求解，其位移：s=t=t=（v0+v0+at）t=v0t+at2。

3.3 在课堂教学中的各个环节显化等效思想

一堂物理课的教学是由诸多的教学环节组成的，在导课、概念、规律和原理的引入、知识的复习、内容的拓展、课堂小结等这些环节中，教师都可以有意识地显化物理思想和方法。

以“验证牛顿第二定律实验”为例：

（1）原理回顾复习中显化等效思想

恒力的获得：如图1（a）、图1（b），用钩码或砝码、砝码盘等效替代恒定拉力，图1（c）用弹簧测力计间接测量拉力，且无系统误差。

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）问题探究中显化等效思想

本实验需满足的两个条件的问题探究，如图1（b）：

a.关于平衡摩擦力的等效：为什么要平衡摩擦力？如何平衡？平衡摩擦力的时候小车后需要挂上纸带和砝码盘吗？怎么判定？平衡摩擦力后再次实验，是否需要重新平衡摩擦力？

b.关于恒力的等效及m<

（3）数据处理中体现等效思想方法

实验中除了用计算法处理数据外，还可从a～F图象入手，并借助a～图象化曲为直，从而达到验证的目的。

3.4 在物理实验探究教学中显化等效思想

高中很多物理实验，尤其是力学实验常采用等效思想去处理。比如布朗运动实验、电流场模拟静电场实验是从实验思想上进行等效;验证力的平行四边形定则、验证牛顿第二定律是从原理上进行等效;在研究弹簧的形变与外力关系的实验中，用钩码的重力等效替代拉弹簧的拉力;在探究两同样弹簧串联或并联后的等效弹簧劲度系数，其原理与“研究弹簧的形变与外力关系”实验一样，都是从作用效果上进行等效;用平抛运动装置验证动量守恒定律实验中，用碰撞和被撞小球的水平射程等效替代碰撞前后的速度，从过程上进行等效。

如在“验证平行四边形定则”实验（如图2）中，利用一个弹簧测力计测的力替代两个弹簧测力计共同作用于橡皮筋上的两个力，橡皮筋上产生了相同的形变，在作用效果上是相同的，充分地体现了等效替代的思想。

本实验还可以拓展：若不用弹簧秤，改用钩码替代弹簧测力计，如图3，先用5个钩码拉弹簧并记录结点O的位置，后改用3个、4个钩码分别跨过定滑轮，验证两绳夹角是否接近900 ？若接近900，從数学角度验证了力的平行四边形定则，体现了等效思想。

又如，在电表改装中运用“串联分压”和“并联分流”的特点，把小量程的电表改装成大量程的电表。电流计改装成单量程电压表实质是在线圈一端串联一个分压电阻（如图4），或串联多个分压电阻改装成多量程的电压表;电流计改装成单量程电流表实质是在线圈两端并联一个分流电阻（如图5），或并联多个分流电阻改装成多量程的电流表。