培養(yǎng)科學(xué)思維 提升解題技能
——例談2018年南京中考電學(xué)綜合試題

趙妍妮 陳 晨

(1. 南京市秦淮外國語學(xué)校,江蘇 南京 210000; 2. 南京市金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部,江蘇 南京 210000)

1 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要性認識

自新課改以來,中學(xué)物理教育界一直積極倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力又是核心素養(yǎng)的核心．科學(xué)思維能力主要包括思維的深刻性、廣闊性、獨立性、邏輯性和靈活性等內(nèi)容．在物理教學(xué)中要關(guān)注學(xué)生思維品質(zhì)和思維能力的提升,使學(xué)生運用思維很好地理解和掌握相關(guān)物理概念和規(guī)律,運用所學(xué)知識解決物理問題,逐步培養(yǎng)學(xué)生的物理閱讀素養(yǎng)、邏輯思維能力以及物理建模意識,提升自己的物理思維水平,從而促進自身核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展．

2 凸顯科學(xué)思維培養(yǎng)的電學(xué)綜合試題的考查及研究意義

在初中物理教學(xué)中,電學(xué)一直是最為重要的教學(xué)內(nèi)容,也是中考考察的重點和難點．初中階段電學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包括電路的基本結(jié)構(gòu)和基本物理量、歐姆定律、電功率,電磁等,廣度大難度深,會涉及到很多物理思想、方法、觀念等,而這恰恰為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維提供了土壤．在平時的教學(xué)中,教師在授課時借助所講知識、典型例題提高學(xué)生的邏輯思維水平,增強物理模型意識,培養(yǎng)物理閱讀素養(yǎng)．而在中考評價中,通過試題進行考察,能夠有效評價學(xué)生在科學(xué)思維上的發(fā)展?fàn)顩r．通常電學(xué)綜合試題在中考中難度較大,區(qū)分度較為明顯,并且命題人經(jīng)常會將電學(xué)和其他方面的知識(如光、熱、簡單機械等)相結(jié)合命制試題進行考查,試題的層次性、綜合性很強．在解決這些問題的過程中學(xué)生需要充分調(diào)動自己已有的知識技能,研究方法,進行一定的思維演繹和邏輯推理,建立合適的物理模型并運用一定的數(shù)學(xué)方法進行解題,能夠真正考查學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展情況．同時加強對中考電學(xué)綜合試題的研究,有助于教師在平時教學(xué)中通過試題滲透對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng),從而提升學(xué)生的解題技能．

3 2018年南京中考電學(xué)綜合試題的案例分析

3.1 試題呈現(xiàn)

在中考中,電學(xué)綜合試題通常都作為壓軸題出現(xiàn)在中考試卷中,作為全卷最難的部分,壓軸題對學(xué)生的科學(xué)思維能力有著較高的要求．試題的位置一般都放在最后一題,題目的閱讀量適中,非常注重與生產(chǎn)生活相聯(lián)系,以實際生活中的問題為載體,考查的內(nèi)容都是具有較強綜合性的電學(xué)問題．題目一般會設(shè)置3至4問,難度由易到難,環(huán)環(huán)緊扣,需要學(xué)生從宏觀上把握問題,熟悉整個物理過程．這里筆者以2018年南京市中考電學(xué)綜合題為例進行分析.

例題.在綜合實踐活動中,科技小組設(shè)計了一個能反映水平風(fēng)力大小的裝置,如圖1(甲)所示,電源電壓恒為16 V,R0為定值電阻,L為額定電壓是2.5 V的小燈泡,其I-U關(guān)系的部分數(shù)據(jù)如圖1(乙)所示,AB為長14 cm、阻值60 Ω粗細均勻的電阻絲(電阻絲的阻值與長度成正比),OP為質(zhì)量、電阻均不計的金屬細桿,下端連接一個重2 N的圓球P.閉合開關(guān)S,無風(fēng)時,OP下垂并與A端接觸,此時電流表示數(shù)為0.2 A;有風(fēng)時,OP繞懸掛點O轉(zhuǎn)動,風(fēng)對球的作用力F方向始終水平向右,已知OA為10 cm,OP始終與AB接觸良好且無摩擦.求:

(1) 電流表示數(shù)為0.2 A時,燈泡的電阻為________Ω.

(2) 無風(fēng)時R0消耗的電功率.

(3) 為保護電路,允許風(fēng)對球施加的最大作用力.

圖1 2018年南京市中考物理第28題圖

3.2 分析動態(tài)電路,彰顯邏輯思維

由題目可知,這是一個動態(tài)電路問題,需要學(xué)生具備一定的邏輯分析能力．通過分析圖像可以得到如下的動態(tài)變化過程:當(dāng)有風(fēng)吹過時,金屬細桿向右移動,此時變阻器AB接入電路的阻值隨著長度的變小而變小,根據(jù)歐姆定律可知,電路中的總電流變大,因此電流表的示數(shù)應(yīng)該變大,小燈泡和R0兩端電壓都增大,又由于電源電壓不變(初中階段忽略電源內(nèi)阻),因此變阻器AB兩端電壓變小,其整個邏輯思維如圖2所示．

圖2 邏輯分析過程

根據(jù)邏輯思維圖,我們還可以看出當(dāng)風(fēng)力增大時,電路中的電流在變大,變阻器兩端的電壓也在變大,即成正相關(guān)關(guān)系．因此如果要通過此電路來顯示風(fēng)力的大小,可以用電流表或在變阻器AB兩端并上電壓表作為風(fēng)力表進行記錄．通過分析電路,學(xué)生在頭腦中形成動態(tài)電路結(jié)構(gòu),從而有利于之后問題的求解．

3.3 提取關(guān)鍵信息,凸顯閱讀素養(yǎng)

一般來說電學(xué)綜合題需要學(xué)生進行計算得到最后的結(jié)果,因此僅僅對物理變化過程進行分析是遠遠不夠的,還必須要能夠從題目中找到關(guān)鍵信息,并進行相關(guān)計算,即考察學(xué)生的物理閱讀素養(yǎng)．例如題目中提到,當(dāng)無風(fēng)時,電流表示數(shù)為0.2 A．根據(jù)這句話學(xué)生應(yīng)當(dāng)提取出以下信息:此時變阻器AB全部接入電路,阻值為60 Ω,同時學(xué)生還需要根據(jù)0.2 A的電流值從圖1(乙)中找出此時小燈泡兩端的電壓值為1 V．根據(jù)這些信息,利用串聯(lián)電路電壓特點和歐姆定律就可以求出定值電阻R0兩端電壓,從而求出R0的電功率．通過剛剛的求解過程學(xué)生還應(yīng)注意到題目中電流的限制條件．一般情況下電路中的限制條件可以是電流或者電壓的最大最小值,取值范圍可能是閉合區(qū)間,也可能是半開半閉區(qū)間．而本題中命題者僅設(shè)計了電流的限制條件,電路中的電流不能超過小燈泡額定電流,通過圖1(乙)可以找出小燈泡的額定電流為0.3 A．再根據(jù)剛剛的邏輯分析,得到電路中電阻不能過小,所以風(fēng)力不能過大,當(dāng)風(fēng)力F最大時,電流值為0.3 A．通過關(guān)鍵信息的提取,再結(jié)合之前的動態(tài)分析,前兩個問題基本可以解決．

3.4 明晰物理過程,巧選物理模型

圖3 杠桿模型示意圖

學(xué)生經(jīng)過動態(tài)電路分析和關(guān)鍵信息的提取,已經(jīng)逐步意識到風(fēng)力F和電流值I成正相關(guān)關(guān)系,而如何將這兩個物理量建立聯(lián)系則成為了本題最后一問的關(guān)鍵.這就需要學(xué)生具備一定的物理建模能力．根據(jù)所給電路圖回憶之前學(xué)習(xí)過的物理知識,可以聯(lián)系到杠桿模型,將金屬細桿OP看做杠桿,可知O點為支點,風(fēng)力和金屬細桿的重力分別為作用在杠桿上的兩個力,如圖3所示．利用杠桿平衡條件及數(shù)學(xué)相似三角形的知識即可求出風(fēng)力F的大?。軛U模型在初中物理中非常常見,很多實際生活問題都能與杠桿相聯(lián)系,學(xué)生需要從實際問題中抽象出杠桿模型.這就需要學(xué)生具有一定的模型意識,能夠從實際問題中建立模型,運用模型的相關(guān)知識解決問題．此外,這個問題也蘊含著力的合成與分解的知識,其結(jié)果與利用杠桿模型計算所得相同,在評價層面上體現(xiàn)了初高中銜接思想．

4 基于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)建議

4.1 明晰物理過程,培養(yǎng)邏輯思維

初中學(xué)生的物理思維還處在發(fā)展階段,思維深度還有所欠缺,對于復(fù)雜問題往往不能理清其中的邏輯關(guān)系,從而導(dǎo)致解題無從下手．因此在中考復(fù)習(xí)過程中,對于思維含量較大的問題(如電學(xué)綜合題),教師需要放慢節(jié)奏,抓住其中的物理本質(zhì),讓學(xué)生理清其中的物理過程,從剛開始第一個物理量的變化開始,根據(jù)定理定律逐步引導(dǎo)直到找出所有物理量的變化關(guān)系,讓整個變化過程一目了然地呈現(xiàn)在學(xué)生面前．例如上文中提到的2018年第28題為例,本質(zhì)上都是由于風(fēng)力這個非電學(xué)量引起的AB接入電路的阻值這個電學(xué)量的變化,這是問題的物理本質(zhì),也是解決這道題的關(guān)鍵．因此在題目講解結(jié)束后,教師繼續(xù)提問學(xué)生本題的解題關(guān)鍵在哪,通過讓不同學(xué)生進行回答得到全體學(xué)生都認同的答案,抓住問題的物理本質(zhì)．此外,教師還可以在講解完后對題目進行變化,檢查學(xué)生是否完全掌握．例如詢問學(xué)生“改為在R0兩側(cè)并聯(lián)上電壓表,求風(fēng)對球的最大作用力”;或者追加一問“若想提高測量風(fēng)力的范圍,應(yīng)該如何改進”．通過改變條件或者追問讓學(xué)生理清題目中物理量之間的邏輯關(guān)系,加深對題目的理解,提升自己的物理思維．

4.2 注重物理方法,培養(yǎng)科學(xué)思維

在平時的教學(xué)中除了要重視物理知識的教學(xué),教師更要關(guān)注學(xué)生對物理方法的理解和掌握,在教學(xué)中滲透物理方法,讓學(xué)生從不同的角度看問題,尋找多種解決辦法,從而促進學(xué)生的科學(xué)思維的發(fā)展．例如在復(fù)習(xí)密度時,教師引導(dǎo)學(xué)生思考有哪些方法可以比較不同物體的密度．每一個學(xué)生都有自己的方法,大多數(shù)學(xué)生第一時間會想到用密度計算公式,數(shù)值較大的密度大．也有學(xué)生會想到相同體積比較質(zhì)量,或者相同質(zhì)量比較體積．但會有少部分學(xué)生想到可以通過圖像方式進行判斷,如果某一物體的質(zhì)量——體積圖像傾斜程度較大(初中不涉及斜率),物體的密度就大．甚至有些學(xué)生會想到利用壓強、浮力的相關(guān)知識比較不同液體的密度．當(dāng)然這是個開放性的問題,答案遠遠不止這些,設(shè)置該問題的目的并非讓學(xué)生像考試一樣去解題,而是需要學(xué)生跳出思維局限,尋找多種判斷方法．教師在聆聽的過程中應(yīng)不斷給予評價和反饋,并鼓勵學(xué)生繼續(xù)嘗試新的方法,讓學(xué)生繼續(xù)思考,會不會還有其他不同的答案,這對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)是質(zhì)的飛越．

4.3 提高審題能力,培養(yǎng)閱讀素養(yǎng)

圖4 I-U圖像

審題能力的提高是學(xué)生提升解題技能的重要一環(huán)．它不僅僅包括看清題目中的物理量、數(shù)值求解對象,更包括對題目題意的理解,文字更深處關(guān)鍵條件的剖析.這也是學(xué)生物理閱讀素養(yǎng)的體現(xiàn)．物理閱讀素養(yǎng)可以認為是學(xué)生對題目關(guān)鍵條件的理解．題目中關(guān)鍵條件的呈現(xiàn)方式多種多樣,例如文字(字詞、篇章)、符號(數(shù)值、字母、表達式)、圖像(原始圖、示意圖、函數(shù)圖,電路圖)等,對這些關(guān)鍵條件的解讀和理解是解決問題的關(guān)鍵,不同的學(xué)生對關(guān)鍵條件的理解是不一樣的,因此教師在平時教學(xué)中要注重閱讀方法的指導(dǎo)．例如在講解圖像問題時,通常分為3步進行,一看軸:看橫縱坐標(biāo)所代表的物理量以及單位;二看線:看線的類型,變化趨勢(直線、曲線,是否單調(diào)變化);三看點,看端點、拐點,交點、若有坐標(biāo)紙看格點．如圖4所示:這是甲、乙兩個電阻的I-U圖像,從整體趨勢上來看,甲是一條直線,乙是一條曲線,學(xué)生要能夠提取出甲電阻不變,乙電阻變化的信息．進一步研讀,發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲、乙兩端電壓為2.5 V時,流過甲、乙的電流相同,此時它們電阻相等．最后,還要讓學(xué)生進一步分析若兩電阻串聯(lián),圖像需要如何閱讀,若并聯(lián)又應(yīng)如何閱讀,從而進行相關(guān)問題的求解．因此教師在課堂教學(xué)中,要不斷培養(yǎng)學(xué)生的物理閱讀素養(yǎng),能夠深挖題目中隱含的關(guān)鍵條件,并進行總結(jié)歸納,整理出解決方法．通過常規(guī)教學(xué)的不斷滲透和教師引導(dǎo),從而提升學(xué)生的物理閱讀素養(yǎng)．

4.4 鍛煉抽象思維,培養(yǎng)模型意識

圖5 杠桿模型圖