物理教學(xué)要注重培養(yǎng)思維品質(zhì)

劉立毅

（山東省德州市第一中學(xué)，山東 德州 253017）

學(xué)生思維能力差異的表現(xiàn)就是思維品質(zhì)，物理學(xué)習(xí)中的思維品質(zhì)主要包括思維的深刻性、靈敏性、獨(dú)創(chuàng)性和批判性.培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì)，是物理教學(xué)的重要任務(wù)，也是學(xué)生發(fā)展智力和能力的突破口.下面通過2013年的高考試題來探索物理教學(xué)中學(xué)生思維品質(zhì)的培養(yǎng).

1 深化理解知識，培養(yǎng)思維的深刻性

思維的深刻性，也叫做抽象邏輯性.深刻性反映物理學(xué)習(xí)中學(xué)生思維的抽象程度和邏輯水平，是思維活動的廣度和深度，表現(xiàn)為善于進(jìn)行系統(tǒng)而全面的物理思維活動，善于概括各種問題的類型，并正確地判斷各種類型.物理概念要反映物理現(xiàn)象的本質(zhì)，物理規(guī)律要揭示物理過程中物理量內(nèi)在的、本質(zhì)的、因果的、量值的各種聯(lián)系.觀察不能揭示本質(zhì)和隱藏的內(nèi)涵，只有通過思維，即抽象地、深入地、去粗取精地分析推理和邏輯表述才能完成這一任務(wù).

例1.（2013年北京理綜卷）對于同一物理問題，常?？梢詮暮暧^與微觀兩個(gè)不同角度進(jìn)行研究，找出其內(nèi)在聯(lián)系，從而更加深刻地理解其物理本質(zhì).

（1）一段橫截面積為S、長為l的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)有n個(gè)自由電子，電子電荷量為e.該導(dǎo)線通有電流時(shí)，假設(shè)自由電子定向移動的速率均為v.

（a）求導(dǎo)線中的電流I；

（b）將該導(dǎo)線放在勻強(qiáng)磁場中，電流方向垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)線所受安培力大小為F安，導(dǎo)線內(nèi)自由電子所受洛倫茲力大小的總和為F，推導(dǎo)F安＝F.

（2）正方體密閉容器中有大量運(yùn)動粒子，每個(gè)粒子質(zhì)量為m，單位體積內(nèi)粒子數(shù)量n為恒量.為簡化問題，我們假定：粒子大小可以忽略；其速率均為v，且與器壁各面碰撞的機(jī)會均等；與器壁碰撞前后瞬間，粒子速度方向都與器壁垂直，且速率不變.利用所學(xué)力學(xué)知識，導(dǎo)出器壁單位面積上所受粒子壓力f與m、n和v的關(guān)系.

（注意：解題過程中需要用到、但題目沒有給出的物理量，要在解題時(shí)做必要的說明）

命題解讀：本題分別從電流的微觀表達(dá)式、洛倫茲力與安培力的關(guān)系以及氣體的壓強(qiáng)進(jìn)行設(shè)問，從宏觀與微觀的不同角度研究問題，將電流、洛倫茲力和氣體壓強(qiáng)三種模型組合在一題中，考查了考生對宏觀物理現(xiàn)象的微觀解釋的理解.第（1）問的（a）中要弄清公式I＝n e S v的適用范圍為：金屬及半導(dǎo)體材料內(nèi)的電流，均勻加速電場中因電荷定向移動而形成的電流.第（2）問中f與m、n和v的關(guān)系的推導(dǎo)教材中沒有給出，需將動量定理應(yīng)用到題給的情景，是對教材知識的提升和拓展，解答該題要把握本質(zhì)和規(guī)律，沒有思維的深刻性將無法作答.該題形式新穎，設(shè)問巧妙，突出了對物理思想方法的考查.啟發(fā)我們的課堂教學(xué)不能簡單地講授公式、解題技巧，物理教學(xué)應(yīng)從物理思想本源入手，教會學(xué)生從“問題情景”到“物理圖景”的轉(zhuǎn)化，建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ停纬晌锢硭季S，特別要注重思維深刻性的培養(yǎng).

2 做好思維調(diào)節(jié)，培養(yǎng)思維的靈敏性

思維的靈敏性是指學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中思維活動的靈活和敏捷.靈活包括思維的起點(diǎn)和過程的靈活.敏捷指思維反應(yīng)的速度.靈敏性表現(xiàn)為學(xué)習(xí)物理知識時(shí)迅速地從不同角度、側(cè)面去思考；善于運(yùn)用不同的知識和不同的方法正確地解決問題；善于從部分和整體角度分析問題.解決問題時(shí)，迅速準(zhǔn)確地根據(jù)物理信息，找出問題的關(guān)鍵所在，恰當(dāng)?shù)靥崛∥锢碇R與方法，正確地解決問題.

圖1

例2.（2013年新課標(biāo)Ⅰ理綜卷）如圖1，兩條平行導(dǎo)軌所在平面與水平地面的夾角為θ，間距為L.導(dǎo)軌上端接有一平行板電容器，電容為C.導(dǎo)軌處于勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于導(dǎo)軌平面.在導(dǎo)軌上放置一質(zhì)量為m的金屬棒，棒可沿導(dǎo)軌下滑，且在下滑過程中保持與導(dǎo)軌垂直并良好接觸.已知金屬棒與導(dǎo)軌之間的動摩擦因數(shù)為μ，重力加速度大小為g.忽略所有電阻.讓金屬棒從導(dǎo)軌上端由靜止開始下滑，求：

（1）電容器極板上積累的電荷量與金屬棒速度大小的關(guān)系；

（2）金屬棒的速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系.

命題解讀：在讀題審題中，培養(yǎng)思維的靈敏性，克服思維定勢影響，就要進(jìn)行思維調(diào)節(jié)，需要將我們的具體思維過程展示給學(xué)生：（1）閱讀試題，認(rèn)識物理過程：裝置：“導(dǎo)軌—電容—金屬棒”；情景：“運(yùn)動……摩擦力……產(chǎn)生電流……安培力”；目標(biāo)：求解“電荷量與速度、速度與時(shí)間的關(guān)系”.（2）構(gòu)建模型，弄清物理實(shí)質(zhì)：本題為金屬棒從靜止下滑，產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)受摩擦力和安培力，最后勻加速運(yùn)動.為力學(xué)和電磁學(xué)綜合題，應(yīng)從力學(xué)角度結(jié)合安培力公式分析.（3）分清已知，選擇物理規(guī)律：題中已知θ、μ、m、L、C、B、g各量，涉及電荷量時(shí)選用q＝C U；涉及力和時(shí)間時(shí)，選擇牛頓第二定律、運(yùn)動學(xué)公式.（4）解后反思，檢驗(yàn)討論結(jié)果：求解完畢，驗(yàn)算結(jié)果是否正確.通過展示思維過程讓學(xué)生總結(jié)成功做法和存在的問題，做好思維調(diào)節(jié)，而不應(yīng)只給學(xué)生講解成功的解題方法.在讀題審題時(shí)，還需挖掘出“忽略所有電阻時(shí)，電容器兩極板電壓等于金屬棒中感應(yīng)電動勢”；“電路雖然含有電容，但始終有電流”這兩個(gè)隱含條件，形成準(zhǔn)確的物理圖景，快速解答，這是培養(yǎng)思維靈敏性的必經(jīng)之道.本題第（1）問不能根據(jù)q＝Δφ／R總求解電容的帶電荷量，該式僅適用于不含有其他電源的純電阻電路.第（2）問是難點(diǎn)，需先判斷金屬棒的運(yùn)動性質(zhì)再求解，金屬棒速度逐漸變大，而I、a、F安卻為恒量，此分析為靈活選用規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，沒有思維的靈活性，該問將束手無策.

本題考查了法拉第電磁感應(yīng)定律、電容、電流強(qiáng)度、安培力、牛頓第二定律、勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律等知識.該題為單棒切割磁感線問題，新而不偏，活而不怪，起點(diǎn)較低，要求較高，注重對經(jīng)典模型的拓展，主要考查綜合能力和分析論證能力.啟發(fā)我們在教學(xué)中要注重對學(xué)生思維靈敏性的培養(yǎng).

3 提升遷移能力，培養(yǎng)思維的獨(dú)創(chuàng)性

思維的獨(dú)創(chuàng)性，即思維的創(chuàng)造性，是指具有某種價(jià)值的新穎思維，它有3個(gè)特點(diǎn)：獨(dú)特性、發(fā)散性、新穎性.表現(xiàn)為善于獨(dú)立思考，創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)新問題和解決新問題；善于在廣闊的領(lǐng)域內(nèi)思考問題；善于探索發(fā)現(xiàn)新的解題規(guī)律，提出獨(dú)特新穎的解題方法.物理學(xué)習(xí)中的獨(dú)創(chuàng)性思維，具有理論、方法、實(shí)踐三結(jié)合的特點(diǎn).常表現(xiàn)為新穎的解題思路、新實(shí)驗(yàn)方法等.一般而言，概括性越高，知識系統(tǒng)性越強(qiáng)，遷移性越靈活，注意力越集中，則獨(dú)創(chuàng)性越突出，還體現(xiàn)在學(xué)生對知識經(jīng)驗(yàn)的遷移上.

圖2

例3.（2013年新課標(biāo)Ⅰ理綜卷）某學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組利用圖2所示電路，測量多用電表內(nèi)電池的電動勢和電阻“×l k”擋內(nèi)部電路的總電阻.使用的器材有：多用電表；電壓表：量程5V，內(nèi)阻十幾千歐；滑動變阻器：最大阻值5 k Ω；導(dǎo)線若干.回答下列問題：

（1）將多用電表擋位調(diào)到電阻“×l k”擋，再將紅表筆和黑表筆______，調(diào)零點(diǎn).

（2）將圖2中多用電表的紅表筆和（填“1”或“2”）端相連，黑表筆連接另一端.

（3）將滑動變阻器的滑片調(diào)到適當(dāng)位置，使多用電表的示數(shù)如圖3所示，這時(shí)電壓表的示數(shù)如圖4所示.多用電表和電壓表的讀數(shù)分別為______k Ω和______V.

圖3

圖4

（4）調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使其接入電路的阻值為零.此時(shí)多用電表和電壓表的讀數(shù)分別為12.0k Ω和4.00V.從測量數(shù)據(jù)可知，電壓表的內(nèi)阻為 k Ω.

（5）多用電表電阻擋內(nèi)部電路可等效為由一個(gè)無內(nèi)阻的電池、一個(gè)理想電流表和一個(gè)電阻串聯(lián)而成的電路，如圖5所示.根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，此多用電表內(nèi)電池的電動勢為________V，電阻“×l k”擋內(nèi)部電路的總電阻為__________k Ω.

答案：（1）短接；（2）1；（3）15.0，3.60；（4）12.0；（5）9.00，15.0.

圖5

命題解讀：本題考查了多用電表的讀數(shù)、原理、構(gòu)造和電壓表的讀數(shù)以及歐姆定律等知識點(diǎn)，試題選取歐姆擋的調(diào)零和讀數(shù)、多用電表表筆的接法、多用電表內(nèi)電池的電動勢和內(nèi)阻計(jì)算等問題設(shè)問，考生在掌握多用電表的構(gòu)造、工作原理、乃至儀器設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上才能作答.第（5）問是難點(diǎn)，需根據(jù)（3）、（4）兩問的電路、操作和讀數(shù)，將已掌握的歐姆定律等知識遷移到圖5電路，列出方程E＝U1（R滑＋RV＋r內(nèi)）／RV和E＝U2（RV＋r內(nèi)）／RV才能求解.沒有思維的獨(dú)創(chuàng)性解答該問是困難的.多用電表用途廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，注意事項(xiàng)多，一定要讓學(xué)生在明確原理和要求的前提下，親手做、親眼看、親口讀、親自算.題中電壓表串聯(lián)在電路中，既是測量機(jī)構(gòu)又是電路組成部分，屬于非常規(guī)接法，在題給條件下是允許的.

該題特別注重實(shí)驗(yàn)的操作性和探究性，從知識與技能、過程與方法上深入考查考生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，真正體現(xiàn)了新課程重過程、重方法的理念.該題重點(diǎn)考查考生的分析綜合能力、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)思維能力，啟發(fā)我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中要注重思維的獨(dú)創(chuàng)性的培養(yǎng).

4 把握規(guī)律條件，培養(yǎng)思維的批判性

思維的批判性是指思維中善于嚴(yán)格估計(jì)思維材料和精細(xì)檢查思維過程.能夠鑒別概念和規(guī)律的各種說法，理解相關(guān)知識的聯(lián)系與區(qū)別.表現(xiàn)為善于發(fā)現(xiàn)問題，提出質(zhì)疑，分析條件，反復(fù)檢查已擬定的假設(shè)計(jì)劃和方案，善于用多種方法檢查結(jié)果的正確性.

例4.（2013年北京理綜卷）以往我們認(rèn)識的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)只能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出.強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應(yīng)的認(rèn)識，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子光電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí).

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖6.用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應(yīng).換用同樣頻率為ν的強(qiáng)激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應(yīng)；此時(shí)，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負(fù)極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場.逐漸增大U，光電流會逐漸減?。划?dāng)光電流恰好減小到零時(shí)，所加反向電壓U可能是下列的（其中W 為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電荷量）

圖6

命題解讀：高中物理教材中所講“光電效應(yīng)所得到的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，特別是每種金屬都存在極限頻率，以及愛因斯坦的光電效應(yīng)方程h ν＝W＋Ek”都只是在線性光學(xué)（弱光）范圍內(nèi)適用，即都只適用于單光子吸收的情形.而題中卻給出高中物理沒學(xué)過的新情景“用強(qiáng)激光照射金屬，一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子光電效應(yīng).”此時(shí)的條件為：非線性光學(xué)（強(qiáng)光），即雙光子吸收或多光子吸收，對愛因斯坦的光電效應(yīng)方程和各種金屬都存在極限頻率顯然不能適用.需考生分析出條件的不同，鑒別出規(guī)律的變化，將光電效應(yīng)方程修訂為n h ν＝W＋Ek（n＝2、3、4…），再和Ek＝e U 聯(lián)立才能求解.沒有思維的批判性，難以對該題做正確選擇.

本題主要考查從公式討論解的正確性，需要考生具備相關(guān)的物理知識與技能，具有思維的批判性等優(yōu)秀思維品質(zhì)，考查考生的理解能力、推理能力和探究能力.有一些問題你可能不會求解，但是你仍有可能對這些問題的解是否合理進(jìn)行分析和判斷.分析和判斷解的合理性或正確性時(shí)，可從解的物理量單位，解隨某些已知量變化的趨勢，解在一種特殊條件下的結(jié)果等方面進(jìn)行分析，并與預(yù)期結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)論等進(jìn)行比較，從而判斷解的合理性或正確性.

教學(xué)中注重學(xué)生思維品質(zhì)的培養(yǎng)，既是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的需要，更是培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的需要.我們在教學(xué)中要充分挖掘有利于培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)的素材，加強(qiáng)對學(xué)生思維品質(zhì)的培養(yǎng).

1 閻金鐸.物理教學(xué)論.南寧：廣西教育出版社，1996.

2 崔琰.2013年北京高考壓軸題的解析與思考.物理教師，2013（7）.