等效思維方法在高中物理教學中的應用

楊燦梅

摘 要：新高考的選拔愈來愈注重考生的能力和素質(zhì)，其命題愈加明顯地滲透著物理思想、物理方法的考查，等效思想和方法作為一種迅速解決物理問題的有效手段。高中物理教學除了傳授學生物理知識外，更應在科學研究方法的形成過程中培養(yǎng)學生科學思維的能力和習慣。本文基于物理核心素養(yǎng)下從教與學的角度、解決問題的角度，探索在物理教學中顯化等效思想方法的對策。

關鍵詞：等效思維;高中物理教學;應用

引言

等效思維是一種特殊的科學思維，有促進學生能力發(fā)展的作用。從本質(zhì)上講，等效思維是基于事物的等同效果而做出的心理選擇，它能夠?qū)⒃緩碗s的物理現(xiàn)象或物理過程，用相對簡單的現(xiàn)象和過程展現(xiàn)出來，等效思維可以有效調(diào)節(jié)學習過程，讓思維活動的難度大幅度降低，在處理物理問題過程中可以發(fā)揮出重要作用。高中生在學習物理時，經(jīng)常會用到等效思維的方法，該方法可以幫助高中生直面物理問題中的模型建立、概念認知、運動體會、過程梳理等情況，讓分析問題的思路變得更加清晰，解決問題的過程變得更加簡便。高考中的物理越來越關注對學生能力和素質(zhì)的考查，命題和思維能力的關聯(lián)愈加緊密，作為一種使物理問題得到快速解決的思維方法，等效思維和高考模擬試題相結(jié)合，可以促進解題效率的提升。文章強調(diào)了等效思維在高中物理教學中的重要性，從教師利用等效思維建立理想模型、促進概念認知、體會物理運動、探索物理過程等方面，探討了等效思維方法在高中物理教學中的應用。

1等效思想顯化教學的現(xiàn)狀

《課標》教學明確要求教師要引導學生體會“等效”的物理思想，讓學生在觀察、實驗的基礎上通過科學推理和科學論證等得到結(jié)論，由此培養(yǎng)學生的科學思維。課標中并未對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，學生也只能在教師的引導下，潛移默化地被滲透等效思想方法的教育，這種“隱性教育”方式不利于當前學生的快速發(fā)展。另外，絕大多數(shù)教材對概念、規(guī)律只安排教學要求，對物理等效思想方法也極少有專門篇幅介紹。我們認為，教師在物理概念、規(guī)律、實驗、習題等教學中落實等效思想方法的“顯性教育”，更有利于學生的快速學習及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

2等效思想在物理教學中的顯化

2.1利用等效思維促進概念認知

為了充分發(fā)揮等效思維的效果，教師還可以從激發(fā)學生深層思維的角度，使學生產(chǎn)生良好的物理概念印象。舉例來說，在描述交變電流的內(nèi)容時，由于交變電流大小與方向都會因為時間的變化而出現(xiàn)周期性的變化，為了使學生能夠更輕松地學習交變電流測量和計算方法等，教師一定要使交變電流效果有等效替代的物理量展示機會?？墒窃诟咧须A段由于數(shù)學知識的限制，只能提供基于學生當前數(shù)學能力的正弦式交變電流峰值測量和計算方法，這種做法不能讓學生準確記住結(jié)論，無法充分理解其中的本質(zhì)，因此在進行課堂教學設計時，教師有必要使學生從交變電流及恒定電流給電阻做功的視角思考問題，也就是意識到交流電源（u=Umsinωt）給電阻R供電，當時間為t（亦即周期T的整數(shù)倍）時，交變電流的做功是W;在一恒定直流電源給相同電阻進行供電的時候，如果時間相同，也做功W，也就是W=UIt。則交變電流做功，用直流電做功等效代替。那么，交流電壓u=Umsinωt有效值是U，交流電流i=Im-sinωt有效值是I。在此過程中，電流熱效應如果作用效果是相同的，便有了等效替代的可能性，學生完全能夠以一種簡單的恒定電流，對復雜的周期性變化電流進行替代，通過等效替代思維的實踐，學生可以深入理解并計算交變電流有效值。另外，等效思維與基本概念認知的關聯(lián)，在電容器教學設計中，也可以發(fā)揮出較好的作用。直流電無法通過電容器，這是由于電容器的兩極板隔離于絕緣介質(zhì)，而當交流電源兩端連接電容器的時候，自由電荷實際上并未曾通過兩極板間絕緣介質(zhì)，同時學生應該注意，瞬間電壓確實是處在不斷變化狀態(tài)之下的，如果假設電容器極板帶電，在正極板處電壓下降時，便可以采取等效思維，認為正極板正電荷減少，正極板電勢下降，而因為電荷平衡維持的原理，處于負極板位置上的電子便需要減少，使電子流出，也正因為這樣，電路有電流形成，亦即等效思維下的交流通過電容器的現(xiàn)象。

2.2在物理習題教學中顯化等效思想

高中物理習題教學中，有些物理問題用常規(guī)方法無從下手，或是過程非常復雜，計算又繁雜，若能挖掘等效條件，并合理運用物理等效變換的方法去求解，可使問題快速解決。

比如利用平均速度把一個變速過程等效為勻速運動過程;利用力的合成和分解法解決平衡問題;利用運動的合成與分解解決復雜的曲線運動;在復合場中，若重力與電場力平衡，且還受洛侖茲力作用，那么與只受洛侖茲力作用時做勻速圓周運動效果相同等，這些等效處理在物理解題過程中顯得尤為方便。

2.3利用等效思維探索物理過程

過程中的等效應用，是幫助完善對能量轉(zhuǎn)化認知的重要做法。在進行髙中物理教學時，其中有一部分題目會涉及比較復雜的物理過程，此時學生不能利用既有的知識體系內(nèi)容給出比較詳細的細節(jié)理解及分析過程。比如，在接觸到能量轉(zhuǎn)化及動量轉(zhuǎn)化過程中，由于過程本身的動態(tài)性特點，定量分析的難度加大。此時，教師便可以引導學生分析過程從始至終的狀態(tài)，利用等效思維，把復雜過程向簡單過程演化，從而方便求解。

舉例來說，有兩個圓柱形的盛水容器置于高度相同水平面之上，它們的高度分別是h1和h2，這兩個容器以閥門K相連接。若現(xiàn)在把閥門K打開，則這兩個容器的水位會出現(xiàn)什么變化，其重力勢能以及動能又將出現(xiàn)什么變化，試求出其變化量。在此之前，教師已經(jīng)向?qū)W生講解了連通器原理，因此大家可以意識到：在閥門K被打開之后，這兩個容器里面的水能夠流通，直到兩個水面高度統(tǒng)一為止，而如果考慮到動能與勢能關系問題時，又如何看待這種變化。教師可以利用提問，讓學生對初狀態(tài)和末狀態(tài)進行探索，明確最終水位的高度變化為左側(cè)下降，右側(cè)上升，并利用等效思維的形式，讓學生以更加清晰的思路處理原本非常復雜的物理過程。

結(jié)語

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

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