基于高中物理核心素養(yǎng)下等效思維的顯化教學(xué)

張其鳳 江小安

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);等效思維;顯化

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版，以下簡(jiǎn)稱(chēng)課標(biāo)）把科學(xué)思維作為物理核心素養(yǎng)的一個(gè)重要組成部分，課程立足于“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，増強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力”[ 1 ]。江蘇省首批“教授級(jí)高級(jí)教師”王高老師也認(rèn)為：“應(yīng)該讓物理教學(xué)充滿(mǎn)物理學(xué)的思想，用物理學(xué)思想啟迪學(xué)生的智慧，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)課堂走向智慧課堂，為學(xué)生智慧的生長(zhǎng)而教”[ 2 ]。在課堂教學(xué)實(shí)踐中要顯化科學(xué)思維與方法的教，引導(dǎo)學(xué)生靈活自主運(yùn)用科學(xué)思維與方法的學(xué)，旨在提升他們應(yīng)用已知的方法去解決物理實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生少走很多彎路。

1 ?物理科學(xué)思維與等效思想概念的界定

物理的科學(xué)思維，是指人們?cè)谡J(rèn)識(shí)物質(zhì)世界過(guò)程中，能夠有意識(shí)地從物理學(xué)的視角去看待自然現(xiàn)象和實(shí)際問(wèn)題、有意識(shí)地使用物理知識(shí)去解釋現(xiàn)象和解決問(wèn)題[ 3 ]?？茖W(xué)思維，也是物理核心素養(yǎng)中最重要的內(nèi)容之一。而等效思想又稱(chēng)等效思維，是指從事物間的等同效果出發(fā)，在解決問(wèn)題過(guò)程中，對(duì)研究的對(duì)象、過(guò)程，研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、功能等進(jìn)行變換處理的一種思維方法[ 4 ]。物理中的等效是用熟知的物理情境和過(guò)程替代繁難、生疏的情境和過(guò)程，且能使結(jié)果保持不變，做到化繁為簡(jiǎn)、化生為熟、化難為易、化變?yōu)楹恪⒒鸀橹?，更快地認(rèn)識(shí)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，從而為解決問(wèn)題找到捷徑。

2 ?等效思想顯化教學(xué)的現(xiàn)狀

《課標(biāo)》教學(xué)明確要求教師要引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)“等效”的物理思想，讓學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)科學(xué)推理和科學(xué)論證等得到結(jié)論，由此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維[ 5 ]。課標(biāo)中并未對(duì)等效思想方法的具體內(nèi)容直觀用文字的形式體現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生也只能在教師的引導(dǎo)下，潛移默化地被滲透等效思想方法的教育，這種“隱性教育”方式不利于當(dāng)前學(xué)生的快速發(fā)展。另外，絕大多數(shù)教材對(duì)概念、規(guī)律只安排教學(xué)要求，對(duì)物理等效思想方法也極少有專(zhuān)門(mén)篇幅介紹。我們認(rèn)為，教師在物理概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題等教學(xué)中落實(shí)等效思想方法的“顯性教育”，更有利于學(xué)生的快速學(xué)習(xí)及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

3 ?等效思想在物理教學(xué)中的顯化

3.1 ?在物理概念的教學(xué)中顯化等效思想

物理概念是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)大腦的思維加工、升華，從物理的現(xiàn)象、過(guò)程中逐步形成具有物理最本質(zhì)的特征[ 6 ]。不同的物理現(xiàn)象或物理情境之間往往存在相似的本質(zhì)和規(guī)律，運(yùn)用這些共性的規(guī)律解決一些較為復(fù)雜的物理問(wèn)題中，就形成了新的物理概念和規(guī)律。

在中學(xué)物理中，涉及用等效思想而引入概念的例子有很多，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、重心、勻（變）速直線運(yùn)動(dòng)等為了研究問(wèn)題的方便而建立的理想化模型等效;又如合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)、等效電路、等效單擺等用一種簡(jiǎn)單的作用進(jìn)行替代，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化;再如平均速度、交變電流的有效值和平均值等為了處理問(wèn)題的方便將較復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔化;又如將環(huán)形電流、通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布等效于條形磁鐵的磁場(chǎng)分布，可以使物理情境更加清晰明朗。

3.2 ?在物理規(guī)律的教學(xué)中顯化等效思想

物理規(guī)律來(lái)源于物理現(xiàn)象、物理過(guò)程中，經(jīng)過(guò)提練而形成的內(nèi)在聯(lián)系，反映事物間的運(yùn)動(dòng)、變化、發(fā)展所遵循的過(guò)程?，F(xiàn)成的物理規(guī)律是物理學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索與研究，才形成經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)，其認(rèn)識(shí)過(guò)程是比較復(fù)雜的。

例如在探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系時(shí)，利用學(xué)生已有的知識(shí)，直接展現(xiàn)等效思想的應(yīng)用，把勻變速直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)，即“化變?yōu)楹恪薄?/p>

方法一：利用v-t圖象圍成的面積表示物體發(fā)生的位移。由于物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度不變，其位移可表示為s=vt，v-t圖象中圖線與時(shí)間軸圍成的面積正好等于位移的數(shù)值，且勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度是均勻變化的，我們可以把時(shí)間劃分為無(wú)數(shù)多小段，每一小段就可以等效一小矩形，其圍成的面積即這一小段時(shí)間發(fā)生的位移，若劃分越細(xì)，設(shè)想的運(yùn)動(dòng)就越接近于真實(shí)的運(yùn)動(dòng)。

方法二：利用平均速度的特點(diǎn)，s=t。由于速度是均勻變化的，v-t圖象中v與t的關(guān)系是線性變化，且v=v0+at，故整個(gè)過(guò)程的平均速度可以表示為=。鑒于此，我們可以找到一個(gè)等效的恒定的速度，即勻變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度，用這個(gè)平均速度“代替”求解，其位移：s=t=t=（v0+v0+at）t=v0t+at2。

3.3 ?在課堂教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)顯化等效思想

一堂物理課的教學(xué)是由諸多的教學(xué)環(huán)節(jié)組成的，在導(dǎo)課、概念、規(guī)律和原理的引入、知識(shí)的復(fù)習(xí)、內(nèi)容的拓展、課堂小結(jié)等這些環(huán)節(jié)中，教師都可以有意識(shí)地顯化物理思想和方法。

以“驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”為例：

（1）原理回顧復(fù)習(xí)中顯化等效思想

恒力的獲得：如圖1（a）、圖1（b），用鉤碼或砝碼、砝碼盤(pán)等效替代恒定拉力，圖1（c）用彈簧測(cè)力計(jì)間接測(cè)量拉力，且無(wú)系統(tǒng)誤差。

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）問(wèn)題探究中顯化等效思想

本實(shí)驗(yàn)需滿(mǎn)足的兩個(gè)條件的問(wèn)題探究，如圖1（b）：

a.關(guān)于平衡摩擦力的等效：為什么要平衡摩擦力？如何平衡？平衡摩擦力的時(shí)候小車(chē)后需要掛上紙帶和砝碼盤(pán)嗎？怎么判定？平衡摩擦力后再次實(shí)驗(yàn)，是否需要重新平衡摩擦力？

b.關(guān)于恒力的等效及m<

（3）數(shù)據(jù)處理中體現(xiàn)等效思想方法

實(shí)驗(yàn)中除了用計(jì)算法處理數(shù)據(jù)外，還可從a～F圖象入手，并借助a～圖象化曲為直，從而達(dá)到驗(yàn)證的目的。

3.4 ?在物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中顯化等效思想

高中很多物理實(shí)驗(yàn)，尤其是力學(xué)實(shí)驗(yàn)常采用等效思想去處理。比如布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是從實(shí)驗(yàn)思想上進(jìn)行等效;驗(yàn)證力的平行四邊形定則、驗(yàn)證牛頓第二定律是從原理上進(jìn)行等效;在研究彈簧的形變與外力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，用鉤碼的重力等效替代拉彈簧的拉力;在探究?jī)赏瑯訌椈纱?lián)或并聯(lián)后的等效彈簧勁度系數(shù)，其原理與“研究彈簧的形變與外力關(guān)系”實(shí)驗(yàn)一樣，都是從作用效果上進(jìn)行等效;用平拋運(yùn)動(dòng)裝置驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)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，從過(guò)程上進(jìn)行等效。

如在“驗(yàn)證平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)（如圖2）中，利用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)的力替代兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)共同作用于橡皮筋上的兩個(gè)力，橡皮筋上產(chǎn)生了相同的形變，在作用效果上是相同的，充分地體現(xiàn)了等效替代的思想。

本實(shí)驗(yàn)還可以拓展：若不用彈簧秤，改用鉤碼替代彈簧測(cè)力計(jì)，如圖3，先用5個(gè)鉤碼拉彈簧并記錄結(jié)點(diǎn)O的位置，后改用3個(gè)、4個(gè)鉤碼分別跨過(guò)定滑輪，驗(yàn)證兩繩夾角是否接近900 ？若接近900，從數(shù)學(xué)角度驗(yàn)證了力的平行四邊形定則，體現(xiàn)了等效思想。

又如，在電表改裝中運(yùn)用“串聯(lián)分壓”和“并聯(lián)分流”的特點(diǎn)，把小量程的電表改裝成大量程的電表。電流計(jì)改裝成單量程電壓表實(shí)質(zhì)是在線圈一端串聯(lián)一個(gè)分壓電阻（如圖4），或串聯(lián)多個(gè)分壓電阻改裝成多量程的電壓表;電流計(jì)改裝成單量程電流表實(shí)質(zhì)是在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)分流電阻（如圖5），或并聯(lián)多個(gè)分流電阻改裝成多量程的電流表。

若電流計(jì)改裝成雙量程電壓表，則實(shí)際電路、等效電路和等效電阻如圖6所示。

若電流計(jì)改裝成雙量程電流表，則實(shí)際電路、等效電路和等效電阻如圖7所示。

3.5 ?在物理習(xí)題教學(xué)中顯化等效思想

高中物理習(xí)題教學(xué)中，有些物理問(wèn)題用常規(guī)方法無(wú)從下手，或是過(guò)程非常復(fù)雜，計(jì)算又繁雜，若能挖掘等效條件，并合理運(yùn)用物理等效變換的方法去求解，可使問(wèn)題快速解決。

比如利用平均速度把一個(gè)變速過(guò)程等效為勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程;利用力的合成和分解法解決平衡問(wèn)題;利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解解決復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng);在復(fù)合場(chǎng)中，若重力與電場(chǎng)力平衡，且還受洛侖茲力作用，那么與只受洛侖茲力作用時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)效果相同等，這些等效處理在物理解題過(guò)程中顯得尤為方便。

再如2016全國(guó)Ⅰ卷16題（題目略，如圖8），應(yīng)用等效負(fù)載思維方法求解變壓器問(wèn)題比較簡(jiǎn)潔方便，通熟易懂。具體分析解答如下。

電路等效如圖9和圖10所示。

設(shè)當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，變壓器虛線框的等效電阻為R;當(dāng)S閉合時(shí)，變壓器虛線框的的等效電阻為R'，由于理想變壓器P出=P入，則S閉合前：I1=I，I2=（）I1=（）I=nI

再根據(jù)閉合電路歐姆定律I=和4I=，可解得答案[ 7 ]。

結(jié)束語(yǔ)

等效思想是解決高中物理問(wèn)題的一把重要“鑰匙”，讓學(xué)生掌握好這把“鑰匙”，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力有著舉足輕重的作用。學(xué)生在處理具體問(wèn)題的時(shí)候如果能夠做到舉一反三、觸類(lèi)旁通地利用等效思想，那么不僅可使學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的靈感，更能提升他們的科學(xué)思維能力和品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李元生.高中生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)初探[J].創(chuàng)新人才教育，2017（4）：24.

[2]王高.高中物理思想方法論[M].南京：江蘇教育出版社，2012：111.

[3]李正福，谷雅慧.論物理核心素養(yǎng)視野下的科學(xué)思維教育內(nèi)容[J].課程·教材·教法，2018（2）：97-102.

[4]王高.基于物理思想方法的智慧教學(xué)[J].江蘇教育，2013（22）：28-30.

[5]姚躍涌.從高考制度改革看高中物理課程與教學(xué)轉(zhuǎn)型.[J]基礎(chǔ)教育課程，2016（16）：61-62.

[6]江小安.基于物理核心素養(yǎng)下的概念教學(xué)四步曲[J].中學(xué)理科園地，2018（1）：13-14.

[7]江小安，張其鳳.例談?wù)蔑@等效思維方法的教學(xué)策略[J].中學(xué)理科園地，2018（4）：3-5.