高中物理教學(xué)實踐中等效法顯化教育的策略

蔡夢璉 陳麗琴

摘 ? 要：等效法作為重要的科學(xué)思維方法，在課堂教學(xué)中顯化非常必要。通過深入挖掘和歸納整理教材中的等效法內(nèi)容，在課堂上充分顯化等效法的教育，引導(dǎo)學(xué)生在物理概念建立和規(guī)律形成中學(xué)習(xí)等效法，在實驗探究中理解等效法，在習(xí)題解答中應(yīng)用等效法，從而進一步開拓學(xué)生思維，落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；等效法；顯化教育；策略

引言

隨著全面深化教育改革的推進，科學(xué)思維方法教育日益成為高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，在落實立德樹人和培養(yǎng)核心素養(yǎng)方面發(fā)揮著積極作用?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準》（2017年版2020年修訂）明確指出物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面，其中科學(xué)方法屬于科學(xué)態(tài)度與責(zé)任中的科學(xué)本質(zhì)，屬于對科學(xué)本身全面的、哲學(xué)性的基礎(chǔ)認識。課程標準提出的課程目標要求學(xué)生“能運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論”[ 1 ]，把科學(xué)方法教育上升到學(xué)科本質(zhì)的高度，充分體現(xiàn)了科學(xué)方法教育的重要性。科學(xué)方法分類較多，其中等效法是高中物理科學(xué)方法中一種重要的方法。本文以高中物理等效法顯化教育的策略為例分析科學(xué)方法顯性教育重要性。

等效法指在某種物理意義效果相同的前提下，復(fù)雜的實際問題變換為簡單的理想問題來研究的一種常用的科學(xué)思維方法。在物理教學(xué)中可以從以下策略對等效法進行顯化教育。

1 ?挖掘教材顯化等效法教育內(nèi)容

盡管課程標準與教材編寫者已經(jīng)認識到科學(xué)方法教育重要性，但是在具體落實在教材編寫上，科學(xué)方法教育顯化的力度依然不足。例如司南版高中物理教材僅顯化了理想模型法、比值定義法和控制變量法、圖像法等幾種常用的科學(xué)方法，卻隱性處理了其它常用的重要方法，例如等效法。以司南版高中物理教材必修一（2020版）為例，在“重力與重心”一節(jié)中定義重心為“可以認為重力集中作用在一個點上，我們把這個作用點是為重力的等效作用點，稱為物體的重心”[ 2 ]，雖然提到“等效作用法”，但沒有說明等效法的定義，不利于學(xué)生理解。教師要明確告訴學(xué)生應(yīng)用等效法并介紹等效法概念。在“力的合成”一節(jié)中合力定義中強調(diào)合力可以等效代替幾個共點力，沒有明確指出這種方法為等效法并說明等效法的應(yīng)用，也是等效法隱性處理，沒有顯化出來，不利于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)。教師要明確提出合力與分力是等效替代，告訴學(xué)生合力的概念是用等效法建立的。因此，教師教學(xué)中，應(yīng)采取等效法顯化教學(xué)，幫助學(xué)生形成清晰的科學(xué)思維方法認識和邏輯推理過程。

總之，教師在教學(xué)前要確定等效法教育的內(nèi)容，并根據(jù)課程標準把教材中各個知識點所對應(yīng)的科學(xué)方法顯化出來，整理出等效法所對應(yīng)的知識內(nèi)容（見表1），確定等效法顯化教育的內(nèi)容。

2 ?在課堂教學(xué)中顯化等效法教育

教師明確等效法教學(xué)內(nèi)容，精心準備教學(xué)設(shè)計，思考如何顯化知識點的等效法。在課堂教學(xué)中，主要通過以下三個方面開展等效法顯化教育。

2.1 ?在物理概念建立和規(guī)律形成的等效法顯化教育

物理概念和規(guī)律是物理現(xiàn)象、物理過程的概括化和抽象化的思維而建立形成的，在建立形成過程中所包含的許多科學(xué)方法，通過顯化，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念規(guī)律的過程中領(lǐng)悟其中的科學(xué)方法，對提高學(xué)生的科學(xué)思維具有重要的意義。

物理概念建立和規(guī)律形成中開展等效法顯化教育可以分解為以下具體步驟。首先，確定開展等效法的知識點的教學(xué)目標。其次，在建立物理概念過程中開展等效法顯化教育。再次，在形成物理規(guī)律過程中開展等效法顯化教育。最后，在課堂小結(jié)中顯化科學(xué)方法。

以“科學(xué)探究：力的合成”為例，首先，確定教學(xué)目標為從力作用的等效性理解合力和分力的概念，知道力的合成遵循平行四邊形定則，在實驗探究力的平行四邊形定則中理解等效法。其次創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，提出教學(xué)問題。演示生活中提水桶現(xiàn)象，一個學(xué)生提一桶水，兩個學(xué)生提同一桶水，引導(dǎo)學(xué)生觀察并對水進行受力分析。通過桶的兩次受力分析建立合力、分力概念，要明確提出合力與分力是等效替代，告訴學(xué)生合力的概念是用等效法建立的。為了讓學(xué)生理解等效的實質(zhì)，提出思考問題：誰等效誰，什么等效，等效的體現(xiàn)是什么，同時引導(dǎo)學(xué)生回憶重心概念的建立用了什么科學(xué)方法。教師給出兩把彈簧秤、一個鉤碼設(shè)計實驗研究合力和分力的定量關(guān)系。學(xué)生就會利用前面建立的物理模型進行實驗設(shè)計、定量研究。學(xué)生會把前面用到的等效法遷移到這里，設(shè)計出兩把彈簧秤提鉤碼，測出兩個互成角度力F1、F2大小與方向，用一把彈簧提鉤碼秤，測出力F，根據(jù)等效法F就是F1、F2合力。接下來就是研究F和F1、F2存在什么一種定量關(guān)系。力是矢量，要用力的圖示法記錄，通過觀察三邊，猜想假設(shè)為三角形或四邊形，通過實驗數(shù)據(jù)進行驗證，得出平行四邊形定則。由此可見在探究平行四邊形定則的過程中，再次應(yīng)用等效法設(shè)計實驗方案。本節(jié)課中二次應(yīng)用等效法，等效法的教育得到充分鞏固，對提升學(xué)生的科學(xué)思維具有重要意義。

2.2 ?在物理實驗中顯化等效法的教育

教師深入分析實驗中蘊含的科學(xué)方法，確定等效法的實驗。根據(jù)等效法教學(xué)內(nèi)容的顯化分析，高中物理教材中含有等效法的學(xué)生實驗有“探究兩個互相角度的力的合成規(guī)律”“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量關(guān)系”“驗證動量守恒定律”。在物理實驗教學(xué)中，教師從實驗原理、實驗儀器、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理等方面顯化等效法的教育。

例如，在“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量關(guān)系”實驗中，等效法隱藏在實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理中，具有隱蔽性強、不易覺察、容易被忽略的特點。

對此，首先，從實驗原理中顯化等效法。小車質(zhì)量M， 盤和砝碼質(zhì)量m。當M＞m時，可以近似認為繩子對小車的拉力大小等于盤和砝碼的重力（如圖1），在滿足一定條件下，用盤和砝碼的重力當作繩子力，體現(xiàn)了一種等效替代關(guān)系。

其次，在實驗步驟中顯化等效法。實驗前要調(diào)整長木板與水平桌面的夾角來平衡小車的摩擦力，輕推小車，當小車運動時紙帶上打的點是均勻分布，就說明小車勻速了，重力分力抵消摩擦力，等效與小車不受阻力，即應(yīng)用了等效法。

再次，在數(shù)據(jù)處理中顯化等效法。本實驗用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)加速度a與小車質(zhì)量成相反變化，為一條曲線，無法得到它們的函數(shù)關(guān)系，通過嘗試做出a-1/M圖像，獲得a-1/M線性關(guān)系，應(yīng)用了曲改直法，也是等效替代法。

總之，教師要認真挖掘教材，剖析各種科學(xué)方法，明確告訴學(xué)生，讓學(xué)生體會科學(xué)方法在實驗探究中的應(yīng)用。

2.3 ?在物理習(xí)題教學(xué)中顯化等效法教育

物理習(xí)題的求解中需要應(yīng)用許多的科學(xué)方法，對提高學(xué)生的科學(xué)思維能力具有重要的意義。高中物理中用等效法解題的專題比較豐富，要歸納整理，如等效法在變力做功的巧用、“等效電源”的應(yīng)用等。典型的用等效法解題的專題內(nèi)容見表2。

下面以“等效法在電場中應(yīng)用”為例，說明在物理習(xí)題教學(xué)中顯化等效法教育。

例題：如圖2一個質(zhì)量為m，電荷量-q小球在場強E=水平向右的勻強電場空間中，小球從C點以v0水平速度向右拋出后經(jīng)一段時間又回C點的正下方D點。求CD的距離。

分析：小球在受豎直向下的重力和水平方向的電場力作用，所以小球在電場中做曲線運動，把曲線運動沿兩個互相垂直的力方向進行分解，化曲為直，用勻變速直線運動規(guī)律就迎刃而解。

小結(jié)：等效適用條件為勻強電場且電場力與重力垂直，等效實質(zhì)是運動過程等效，曲線運動過程與兩個勻變速直線運動過程等效。

等效法在電場中應(yīng)用比較多，除了過程等效，還有力的作用等效。如帶電小球在勻強電場中受到的電場力為恒力，重力與電場力的合力也是恒力，這個合力可稱等效重力，可以認為小球只受等效重力作用，這樣就構(gòu)建了一個新的重力場空間。用等效重力解決勻強電場中帶電體在豎直平面內(nèi)做圓周運動的問題就輕而易舉。此外還有模型等效，點電荷與接地金屬板（原本不帶電）感應(yīng)電荷的產(chǎn)生電場分布與等量異種電荷的電場分布正好一半相同，因此這兩種電場模型等效，用等量異種電荷的模型解決問題就顯得簡單。

習(xí)題課中要結(jié)合具體題目引導(dǎo)學(xué)生對等效法應(yīng)用進行分類，不同的習(xí)題情境，等效的本質(zhì)和內(nèi)涵也會不同，讓學(xué)生知道等效可分為“作用上的等效、過程上的等效、模型上的等效”[ 3 ]、物理量上的等效等，進一步明確等效法的適用條件、理解等效法的本質(zhì)與內(nèi)涵。通過專題訓(xùn)練，使學(xué)生靈活應(yīng)用等效法，化繁為簡，化難為易，從而提高自己的科學(xué)思維能力。

3 ?結(jié)束語

等效法的顯化教育使學(xué)生對物理概念、規(guī)律的理解更加透徹，更好掌握物理知識，有效地提高解決問題的能力，落實了高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)，有利于實現(xiàn)立德樹人的根本任務(wù)。因此，科學(xué)方法的顯化教育，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義。在新的一輪課程改革中，高中物理教師要不斷強化科學(xué)方法顯化教育，為提升學(xué)生的科學(xué)思維水平和培養(yǎng)核心素養(yǎng)做出應(yīng)有貢獻。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：5-6.

［2］ 司南中學(xué)物理教材編寫組.普通高中教科書 物理必修第一冊[M].山東：山東教育出版社，2020：70.

［3］ 邢紅軍.高中物理科學(xué)方法教育[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2015：140.