在習題教學中滲透物理學科能力與素養(yǎng)**

趙賀林

(北京市第八十中學 北京 100102)

中學物理學科能力，一個重要的表現(xiàn)就是科學思維能力，即從物理學科的視角認識客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及其相互關(guān)系，具體表現(xiàn)為學科思想方法的應用能力.學科能力的培養(yǎng)，課堂是關(guān)鍵，因為“課堂是核心素養(yǎng)落實到課程中最為微觀、具體的層面，是核心素養(yǎng)能否真正落地，培養(yǎng)出所需人才的重要環(huán)節(jié).”[1]

教師在平時的課堂教學中，如何根據(jù)教學內(nèi)容和學生實際情況，合理并盡可能地逐步滲透科學觀察與猜想，科學解釋，科學推理，科學論證，科學建模等學科思想方法，顯得尤為重要.特別是作為課堂教學重要組成部分的習題教學，它承擔著培養(yǎng)學生掌握基礎知識，感悟思想方法，提升思維能力和解決問題能力的重要功能.那么，在習題的講評與訓練中，怎樣滲透學科觀念和思想方法呢？下面以高中物理力學單位制的復習為例加以說明.

眾所周知，高中物理力學單位制一節(jié)內(nèi)容的學習，滲透給學生的主要物理觀念就是量綱分析法，即物理學的關(guān)系式在確定了物理量之間的關(guān)系時，也確定了物理量單位間的關(guān)系.因此，培養(yǎng)學生通過物理量單位對物理問題進行論證和判斷，是物理學科應用能力的要求和體現(xiàn)，同時在物理學科考查中也屢見不鮮.

【例1】2013年6月20日，女航天員王亞平在“天宮一號”目標飛行器里成功進行了我國首次太空授課.授課中的一個實驗展示了失重狀態(tài)下液滴的表面張力引起的效應.在視頻中可觀察到漂浮的液滴處于相互垂直的兩個橢球之間不斷變化的周期性“脈動”中.假設液滴處于完全失重狀態(tài)，液滴的上述“脈動”可視為液滴形狀的周期性微小變化(振動)，如圖1所示.已知液滴振動的頻率表達式為f=krαρβσγ,其中k為一個無單位的比例系數(shù)，r為液滴半徑(其單位為m)，ρ為液體密度(其單位為kg/m3)，σ為液體表面張力系數(shù)(其單位為N/m)，α,β,γ是相應的待定常數(shù).對于這幾個待定常數(shù)的大小，下列說法中可能正確的是( )

D．α=-3β=-1γ= 1

圖1 太空中漂浮的液滴形狀的周期性變化示意圖

試題設計意圖與分析:站在學生角度看，本題題目情景新穎，反映物理現(xiàn)象的規(guī)律陌生.該題旨在考查學生能否運用物理量綱知識，分析、解決新問題的能力.

從物理量綱分析，因為等式左邊物理量為頻率，因此，等式右邊單位也應為頻率單位Hz(即s-1)，選項A中，代入數(shù)值得

故選項A錯誤； 選項B中

選項B正確；對選項C

選項C錯誤；在D選項中

選項D錯誤.

點評：在討論物理問題的因果關(guān)系時，作為與反映結(jié)果的諸多物理量之間，特別是作為結(jié)果的物理量的基本屬性(即量綱)，必須與作為原因的諸多物理量的基本屬性之間，建立反映該問題物理本質(zhì)的固有聯(lián)系，可簡單理解為等式兩邊物理量的單位必須相同.

【例2】圖2所示為一個內(nèi)、外半徑分別為R1和R2的圓環(huán)狀均勻帶電平面，其單位面積帶電荷量為σ.取環(huán)面中心O為原點，以垂直于環(huán)面的軸線為x軸.設軸上任意點P到O點的距離為x，P點電場強度的大小為E.下面給出E的4個表達式(式中k為靜電力常量)，其中只有一個是合理的.你可能不會求解此處的場強E，但是你可以通過一定的物理分析，對下列表達式的合理性做出判斷.根據(jù)你的判斷，E的合理表達式應為( )

設計意圖與試題分析:本題旨在闡明,當我們需要判斷一個物理量的表達式是否正確時，首先要求其單位必須相同，如果等式兩邊單位不同，則結(jié)果必然錯誤.在選擇題的解答中，以此作為判據(jù)，可以快速有效地排除錯誤選項.

圖2 圓環(huán)狀均勻帶電平面

該題等式左側(cè)E的單位與等式右側(cè)kσ單位相同，很容易做出判斷，選項A,C錯誤； 同時結(jié)合極限思想，考慮到當內(nèi)、外半徑R1和R2相等時，場強E為零，可以得出只有選項B是合理的.

點評：雖然我們可能不會計算這樣的電場強度，但是我們可以通過量綱分析，對表達式的合理性做出判斷.在一些物理問題中，有時我們即便不能完全清楚結(jié)果或規(guī)律的細節(jié)，但是如果利用量綱分析，僅從物理量單位的角度就可以得到一些有用的信息，得出一些初步的結(jié)論或定性的判斷，也能為科學探究過程中，科學猜想與假設提供依據(jù).物理教學中，這是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的一種有效途徑和抓手.

【例3】已知O，A，B，C為同一直線上的4點,AB間的距離為l1，BC間的距離為l2.一物體自O點由靜止出發(fā)，沿此直線做勻加速運動，依次經(jīng)過A，B，C這3點，已知物體通過AB段與BC段所用的時間相等.則利用上述所給條件，可以求出的物理量是( )

A．物體在B點的速度

B．物體運動的加速度

C．O點到A點的距離

D．通過AB段與BC段所用時間

題目設計意圖與分析:該題旨在考查學生能否從物理學科角度，對物理問題進行科學觀察與科學思維進而大膽進行科學猜想，鼓勵學生勇于探索、大膽嘗試、培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.

一般方法：設物體加速度為a，到達A點的速度為v0，通過AB段和BC段所用的時間為t， 則有

(1)

l1+l2=2v0t+2at2

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)得

l2-l1=at2

(3)

3l1-l2=2v0

(4)

設O與A的距離為l，則有

(5)

點評：“并非在所有的場合下繁復的計算都是必要的，有時定性的方法來得更為有效”，該題可以從題目給出的已知條件、物理量的單位關(guān)系出發(fā)，對解的結(jié)果從整體上做概貌定性猜想.因為導出的最后結(jié)果必須用已知物理量表示，而已知物理量只有AB間的距離l1，BC間的距離l2，因此，結(jié)果一定為已知長度l1,l2的組合，其單位也一定是長度單位m的組合，要么是m，或m2，m3等等，由此可以判斷只有選項C滿足要求.

從物理學科的視角出發(fā)，分析問題，解決問題，是物理學科的特點.這種能力和觀念，是學科能力和學科素養(yǎng)的重要體現(xiàn).通過物理量綱分析，在有些問題中，雖然并不一定都能得到完全定量的結(jié)果，但是在檢查反映物理規(guī)律的方程時，計量方面可能就只差一個未知的系數(shù)，我們以此可以做出定性或半定量判斷，甚至還可提供尋找物理現(xiàn)象某些規(guī)律的線索[2].在習題課堂的學習與訓練中，這些觀念和學科特征的體現(xiàn)，教師可以通過習題的精心選擇，對學生加以滲透和培養(yǎng).

致謝：本文寫作過程中曾得到昆明市五華基礎教育科學研究中心趙堅先生悉心指導，在此感謝！