培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)概念來(lái)解決能量問(wèn)題的思維習(xí)慣

夏上

【摘要】 當(dāng)今初中物理教學(xué)中，教師為了應(yīng)對(duì)考試，在課堂教學(xué)中多數(shù)是把概念，理論硬塞給學(xué)生，然后進(jìn)行重復(fù)機(jī)械的題海戰(zhàn)術(shù)，以為這樣學(xué)生就已經(jīng)掌握了知識(shí)點(diǎn)。其實(shí)，我們更應(yīng)如何回歸物理本質(zhì)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)概念去分析和解決問(wèn)題。如何有效地培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣是物理教學(xué)要解決的核心問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 思維習(xí)慣 解決問(wèn)題的能力 能量流向圖

【中圖分類號(hào)】 G633.7

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 1992-7711（2020）02-156-020

皮亞杰的認(rèn)知心理學(xué)理論告訴我們：個(gè)體發(fā)展的過(guò)程就是已有的圖式或認(rèn)知結(jié)構(gòu)不斷得到豐富和發(fā)展的過(guò)程。在使用各種工具實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)移時(shí)都有效率的問(wèn)題，而能量的形式是多樣的，但效率的定義是唯一的，應(yīng)從效率的定義，了解各工具的工作過(guò)程，根據(jù)效率的定義，分析各種器件的效率。要突破這個(gè)難點(diǎn)，必須幫助學(xué)生分析問(wèn)題、掌握規(guī)律，從而讓學(xué)生建立起解決效率類題目的基本思路和技巧。

一、目前初中《能量》復(fù)習(xí)課中教學(xué)存在的問(wèn)題

物理學(xué)的任何規(guī)律都有其適用條件及范圍，沒(méi)有萬(wàn)能的規(guī)則。老師在教學(xué)中想盡快讓學(xué)生記住一些概念，有時(shí)會(huì)讓學(xué)生記一些不是本質(zhì)的東西，如“輸出機(jī)械能就是電動(dòng)機(jī)，輸出電能就是發(fā)電機(jī)”。這句話原只適用于比較電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)，學(xué)生把它變成一個(gè)規(guī)律，看到輸出機(jī)械能就寫電動(dòng)機(jī)。其實(shí)歸因就是學(xué)生還沒(méi)有掌握根據(jù)物理概念規(guī)律解決問(wèn)題。學(xué)生正確掌握根據(jù)物理概念和規(guī)律解決問(wèn)題的主要思維障礙主要來(lái)自于以下三方面：1、相關(guān)知識(shí)的干擾;2、概念規(guī)律不清;3、思維定勢(shì)的消極影響。所以老師在引導(dǎo)學(xué)生掌握利用物理概念規(guī)律解決問(wèn)題的時(shí)候應(yīng)該從上述三方面去入手。如在廣州中考考察了一道關(guān)于能量的題目，具體如下：

1.某機(jī)器的能量流向圖如圖1所示，據(jù)此推測(cè)該機(jī)器可能是

A.熱機(jī)

B.電動(dòng)機(jī)

C.發(fā)電機(jī)

D.電熱水器

本道題的難度是0.57.訪談學(xué)生（包括一些成績(jī)比較好的學(xué)生）發(fā)現(xiàn)：做錯(cuò)的學(xué)生中有一半是看到輸出有機(jī)械能就選擇電動(dòng)機(jī)。這個(gè)屬于思維定勢(shì)的消極影響，學(xué)生做了大量類似的練習(xí)，但沒(méi)有提煉出規(guī)則，只知道背情景，思維定勢(shì)以為所有輸出機(jī)械能就是電動(dòng)機(jī)，輸出電能就是發(fā)電機(jī)。解決這種問(wèn)題應(yīng)該先根據(jù)效率的定義，找出哪部分是輸出的有用功，哪部分是輸入的總功，然后再分析問(wèn)題。因此，教師在復(fù)習(xí)中應(yīng)重視對(duì)習(xí)題的歸納、分析和整理，教會(huì)學(xué)生先理解效率的概念再利用能量流向圖去分析，不僅僅是背情景。

二、調(diào)整教學(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)物理概念來(lái)解決問(wèn)題的思維習(xí)慣

1.借助能量流向圖，正確理解效率的概念

物理概念的表述有三種方法：一是用語(yǔ)言文字表述;二是用數(shù)學(xué)公式表示;三是用圖像表現(xiàn)出來(lái)。本人認(rèn)為，在能量復(fù)習(xí)模塊中，利用圖像表現(xiàn)物理的概念更有效。例如在計(jì)算各種效率題目的時(shí)候，學(xué)生可能馬上想到的就是代入公式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于常見(jiàn)的情景可能問(wèn)題不大，但對(duì)于新情景學(xué)生就無(wú)從下手了。我們應(yīng)該借助能量流向圖，正確理解效率的概念。機(jī)械能、電能、內(nèi)能、光能之間的轉(zhuǎn)化，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程，初始能量等于系統(tǒng)末了的能量加上消耗的能量。什么叫效率？效率就是有用能量與總能量的比值。哪一個(gè)是總的能量？哪一個(gè)是我們需要得到的能量？還有哪些消耗的能量？這樣的引導(dǎo)等同于教會(huì)學(xué)生解這類題型的思維方法，在多次訓(xùn)練后，學(xué)生慢慢會(huì)養(yǎng)成思維習(xí)慣，能提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。以后遇到不同的情景也會(huì)自然而然地運(yùn)用這思維習(xí)慣去解決問(wèn)題。教師指導(dǎo)學(xué)生分析整個(gè)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程和轉(zhuǎn)化的方向，目的就是給學(xué)生一個(gè)清晰的邏輯線，學(xué)生有一清晰的邏輯線就可以串接各知識(shí)點(diǎn)，大大降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，避免死記硬背。當(dāng)學(xué)生懂得了效率的概念以及能量流向的規(guī)律后其實(shí)就已經(jīng)掌握了正確的思維方式。

2.設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)專題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)物理概念來(lái)解決實(shí)際效率的問(wèn)題

物理概念規(guī)律建立完之后，接下來(lái)主要問(wèn)題需要解決是物理規(guī)律的運(yùn)用，并構(gòu)建相關(guān)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，使能量相關(guān)的知識(shí)形成一個(gè)有機(jī)的整體。初中提到的與效率有關(guān)的大致有燈的發(fā)光效率、電熱類用電器的熱效率、電動(dòng)機(jī)的效率和熱機(jī)的效率。教師可以先引導(dǎo)學(xué)生解決其中一個(gè)情況，其它的讓學(xué)生按照具體的思維去完成。以下以燈的發(fā)光效率為例子，介紹一下如何引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)物理概念來(lái)解決實(shí)際效率的問(wèn)題。

【創(chuàng)設(shè)情境】LED燈是一種新型的環(huán)保節(jié)能燈，小夢(mèng)為了探究LED燈與家用普通白熾燈的發(fā)光效率，用額定功率相同的LED燈和普通白熾燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)LED燈的亮度約為普通白熾燈的十倍。

【分析原因】?jī)蔁粽９ぷ飨嗤瑫r(shí)間，記錄如下數(shù)據(jù)：

從數(shù)據(jù)中可看出，白燈溫度上升幅度很大，而LED燈溫度變化不大，原因：

1.白熾燈正常工作時(shí)電能先轉(zhuǎn)化為? ? ? ? ? ? ? 能，這些能量絕大部分散失了，只有一小部分再轉(zhuǎn)化為? ? ? ? ? ? ?能，請(qǐng)完成下面能量流向圖。（箭頭的粗細(xì)表示能量的多少）：

其中，有用的能量是? ? ? ? ? ? ? ? ?能（E1），總能量是? ? ? ? ? ? ? 能（W總），則白熾燈的發(fā)光效率η=? ? ? ? ? ? ?（用給出的物理量符號(hào)表示）。

2.LED燈正常工作時(shí)電能絕大部分轉(zhuǎn)化為? ? ? ? ? ? ?能，只有少部分轉(zhuǎn)化為? ? ? ? ? ? ?能，用能量流向圖表示為：

其中，有用的能量是? ? ? ? ? ? ? ? ? 能（E2），總能量是? ? ? ? ? ? ? ? 能（W電），則白熾燈的發(fā)光效率η=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （用給出的物理量符號(hào)表示）。LED燈是發(fā)光二極管，它主要的制作材料是? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（選填“超導(dǎo)體”、“半導(dǎo)體”或“納米材料”）。

這兩道題是要解決為什么用額定功率相同的LED燈比普通白熾燈亮得多的問(wèn)題。在設(shè)置問(wèn)題的時(shí)候引導(dǎo)學(xué)生從效率的概念去思考問(wèn)題。效率就是有用能量與總能量的比值。額定功率相同的兩盞燈在相同的時(shí)間內(nèi)消耗的電能一樣，說(shuō)明總的能量一樣。通過(guò)分析能量流向圖，學(xué)生很清楚的知道LED燈和白熾燈發(fā)光是由電能轉(zhuǎn)化成光能，但它們的亮度不一樣，說(shuō)明最終轉(zhuǎn)化為光能（即有用的能量）不同，根據(jù)能量守恒定律可得主要就是因?yàn)樯⑹Я说膬?nèi)能不同。經(jīng)過(guò)這樣的分析，學(xué)生已經(jīng)清楚了整個(gè)能量流向的過(guò)程以及各個(gè)能量的大小關(guān)系，再結(jié)合效率的概念，這道題的問(wèn)題就解決了。接下來(lái)再進(jìn)行兩道典型的效率計(jì)算問(wèn)題，考察一下學(xué)生是否能利用真正的理解效率并利用效率的概念去解決問(wèn)題。

【典型題目訓(xùn)練】

1.若一發(fā)光效率為90%的LED燈，工作時(shí)消耗了200J的電能，可獲得多少光能？

2.如果白熾燈工作消耗的電能為100J，其中轉(zhuǎn)化為光能為10J，散失的內(nèi)能是多少？白熾燈的發(fā)光效率是多少？

第一題很簡(jiǎn)單，但如果對(duì)效率的概念還不清楚的學(xué)生基本只會(huì)把200J乘以或除以90%，答對(duì)的幾率大概是一半。老師要問(wèn)清楚做錯(cuò)的學(xué)生是怎么分析的，而不應(yīng)該只停留在對(duì)與錯(cuò)。

老師可以引導(dǎo)他們分析問(wèn)題：先從效率的概念入手，然后借助能量流向圖清楚哪些是輸入總能量，輸出能量有哪些，我們需要的能量是哪些。再結(jié)合這道題，200J的電能應(yīng)該是屬于輸入的總的能量，我們需要獲得的是光能，但同時(shí)還有部分能量是損失的，簡(jiǎn)單畫一下能量流向圖，發(fā)光效率為90%表示有用的光能占總能量的90%，這道題就解決了。第二題解決的辦法一樣，老師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生一步一步分析問(wèn)題而不是看到題目就直接作答，沒(méi)有理清各個(gè)能量之間的關(guān)系，不清楚效率是哪個(gè)與哪個(gè)的比值是無(wú)法正確解決這種效率性的題目的。這樣就可以在習(xí)題中滲透物理思維方法的培養(yǎng)。學(xué)生每次遇到效率問(wèn)題時(shí)，都能按照正確的思維過(guò)程走，久而久之，他們就能養(yǎng)成好的思維習(xí)慣了。

美國(guó)實(shí)用主義教育家杜威在《我們是怎樣思考經(jīng)驗(yàn)與教育》中說(shuō)道：“學(xué)習(xí)就是學(xué)會(huì)思維，即教育在理智方向的任務(wù)是讓學(xué)生形成清醒的、細(xì)心的、透徹的思維習(xí)慣?！迸囵B(yǎng)學(xué)生利用概念和規(guī)律去解決問(wèn)題的思維習(xí)慣，是初中物理教學(xué)的主要任務(wù)。在光學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)該教會(huì)學(xué)生如何利用光路圖解決光學(xué)問(wèn)題;在力學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)該教會(huì)學(xué)生如何利用受力分析解決力學(xué)問(wèn)題。同樣的，在能量教學(xué)中，應(yīng)該教會(huì)學(xué)生如何利用能量流向圖來(lái)分析效率的問(wèn)題。良好的思維習(xí)慣是學(xué)生學(xué)好物理的一大重要基礎(chǔ)。

本文系廣州市花都區(qū)教育局教研室2019年度教育科研規(guī)劃學(xué)科課題《以課堂開(kāi)口思維為抓手，培養(yǎng)初中生的物理思維能力》（課題編號(hào)：hdjysktwl001）的研究成果。

[ 參? 考? 文? 獻(xiàn) ]

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