新課標下學生物理問題定性推理能力的現狀分析及思考

艾靜 熊建文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

通過對近三年廣東高考理綜物理試卷分析得出一個信息,即考生對物理問題的定性推理能力有待進一步提高.造成這種現狀的原因可能是由于部分教師或學生對解決物理問題的定性推理能力的培養不夠重視，平時過度依賴嚴謹的數學推演去求解物理問題，將物理問題數學化，忽略了對物理問題實質性的洞察和理解所致.要想真正學好物理，必須明確,數學只是學習物理的工具，不論學生數學是否優秀，只要其具備良好的定性推理能力，都有助于對物理問題實質性的洞察和理解.

2 從高考試卷分析談現狀

2.1 從高考試題的特征來看

廣東高考理綜試題的命制著眼于學生科學素養的培養及解決問題能力的提高.

近三年物理試題均為12道題，由4道單項選擇題，5道雙項選擇題及3道非選擇題構成，分值100分，平均用時大約50 min.這是保守估計，因為部分學生物理科的考試時間可能會被化學和生物兩科占用，因此,可以說是時間緊、任務重.

高考試題雖大多源于平時訓練過的習題，但不可能出原題，都是經過變形后呈現出來的，因此,在視覺上有一種陌生感.如何在最短的時間內使學生從陌生的物理情境中提煉出有效信息并應用合適的方法進行解答，提高解題的效率，是值得每位教師深思的問題.

2.2 從學生答卷出現的問題分析

(1)主觀題與前幾年的“3+X”考試相比總體通過率略有降低，計算題中空白卷和“零分卷”比率大幅增加,如表1所示.該問題的出現固然與考生的結構有關，過去選考物理的考生大多基礎比較好，而現在則參差不齊，同時也暴露了教師在日常教學和高考備考中忽略了這個變化因素，或者沒有及時采取有效措施.

表1 2008～2010年非選擇題零分比率表

高考試卷分析資料得到的統計數據顯示,2010年第35題為零分的典型問題中，空白(占0分樣本約58.8%)、胡亂寫式子(占0分樣本約16.67%)共計占到0分樣本的75%以上；第36題得零分的典型問題中，空白(占0分樣本約46.8%)、簡單羅列公式，甚至亂用公式(占0分樣本約18.0%)、錯用規律解題(占0分樣本約31.7%)共計占到0分樣本的96.5%[1].以上統計數據值得教師深思，該數據也間接反映了學生在物理問題的定性推理能力方面的不足.

(2)理綜高考題選擇題都有確定的選項數目，如單選題和雙選題,這就使得答題的難度大大降低.那么,是否還要依賴嚴謹的定量計算呢？下面以2012年廣東理綜物理高考題為例，說明過于重視嚴謹的定量計算能力的培養帶來的負面影響.

【例1】(2012年高考廣東理綜卷第15題)質量和電量都相等的帶電粒子M和N，以不同的速率經小孔S垂直進入勻強磁場，運行的半圓軌跡如圖1中虛線所示，下列表述正確的是

A.M帶負電，N帶正電

B.M的速率小于N的速率

C.洛倫茲力對M,N做正功

D.M的運行時間大于N的運行時間

圖1

說明：如果結合軌跡圖先定性推理就可以分析出這是電性不同的兩個帶電粒子，運用左手定則簡單推理就可以確定選項A正確.但習慣嚴謹定量計算的學生,往往因為沒有分析計算完其他選項而出現對答案正確性的猜疑.這就是一味重視嚴謹定量計算而忽視定性推理的一個弊端，這種猜疑可能會在學生解答后續題目的心態上造成不良影響.

【例2】(2012年高考廣東理綜卷第16題)如圖2所示，兩根等長的輕繩將日光燈懸掛在天花板上，兩繩與豎直方向的夾角為45°，日光燈保持水平，所受重力為G，左右兩繩的拉力大小分別為

圖2

說明：這道題看似需要計算，但對于定性推理能力強的學生，不需要通過定量計算就能較快地推理，得出正確選項.首先，兩根繩子一樣長，夾角相同，兩繩所受拉力大小相等，排除選項C，其次夾角成45°，可以判斷選項B正確.

可見，在解答選擇題時，可以采用定性推理的方法較快地排除不正確的選項，大大節省解題的時間，在選擇題中可以較好地發揮作用.在計算題中，同樣可以運用定性推理的方法較快地尋找解題的突破口.2011年高考廣東理綜卷物理第35題第(3)問可以先運用定性分析判斷，再定量計算出正確結果.

【例3】(2011年高考廣東理綜卷第35題)如圖3(a)所示，在以O為圓心，內、外半徑分別為R1和R2的圓環區域內，存在著輻射狀電場和垂直紙面的勻強磁場，內、外圓間的電勢差U為常量，R1=R0，R2=3R0，一電荷量為+q，質量為m的粒子從內圓上的A點進入該區域，不計重力.

(1)、(2)略.

(3)在圖3(b)中，若粒子從A點進入磁場，速度大小為v3，方向不確定，要使粒子一定能夠從外圓射出，磁感應強度應小于多少？

圖3

分析：看完第三小問時，不少學生僅憑借對情境的熟悉就列出兩種情況進行運算，得出

事實上，只需定性推理出B越小，R越大，只要求解出與磁場邊界相切的最大半徑對應的磁感應強度就是題中待求的值.正如李政道博士所說：“先大概估計后精確計算，這是研究物理現象的基本原則之一.”“他們通過定性的思考或半定量的試驗，力求先對問題的性質，解的概貌取得一個總體的估計和理解.否則一下子陷入細枝末節，往往會一葉障目，只見樹木，不見森林.”[2]

3 理解并重視定性推理能力的培養

3.1 正確認識定性推理能力

定量方法的成功使“定性”一詞在物理學研究中常常被誤讀，如物理學家盧瑟福就曾認為“定性就是定量化不夠”.在一些人的心目中，定性是出于不得已，只有高精度的定量才是最重要而且最值得追求的.

事實上，應用定性分析法解決物理問題不僅避開了繁雜的數學計算，提高了學生的解題技能，能深入到問題的本質，而且開闊了學生的視野，有利于啟迪學生的思維，挖掘學生的潛能，培養學生的探索精神.美國華盛頓大學物理系L.C. McDermott教授和她的合作團隊在過去的二十幾年里對學生的學習進行研究，他們對單縫衍射這一光學問題，以定量計算問題和定性推理問題兩種方式分別考查學生，130名參加定量計算題的學生中，70%判斷正確；510名參加定性推理測驗題的學生(其中包括已參加過定量測驗題的130名學生)，只有10%的學生判斷正確并且解釋正確.他們的實驗研究表明，定量計算解答能力并不是概念理解程度的可靠指標，能解答標準的定量計算題并不一定意味著真正的理解，需要定性推理和文字解釋的問題對于評估學生學習綜合素養來說是必不可少的[3].因此，物理問題的解答過程中應該是定性分析和定量計算相結合，只有質和量的完美結合，才能產生有效的實際價值.

3.2 “三步走”策略在日常教學中培養學生的定性推理能力

第一步：“識”.在心理上產生對定性推理能力的認同感.(1)對教師而言，教師是整個教學活動的主導者，教師自身應樹立正確的認識，對定性推理能力的培養得到應有的重視；(2)長期以來，學生對數的概念根深蒂固，加上定量計算方法解決問題時有固定的模式，而定性推理分析一般無規律可循，學生不易掌握，諸多原因造成學生養成了重定量計算而輕定性推理的習慣，導致學生對物理問題缺乏實質性的理解.教師應采取有效的措施使學生轉化思想，形成正確的思維習慣.

第二步：“轉”.教師應有意識地進行一些針對性的訓練，轉變學生過度依賴嚴謹的數學定量計算的方式.如，在物理習題或測試中,適量地引入考查學生定性推理能力的物理問題，幫助學生改變固定的學習方式，從題海中走出來，運用科學推理方法進行物理問題的思考、分析.應用舉例如下.

【例4】(2008年高考北京理綜卷第20題)有一些問題你可能不會求解，但是你仍有可能對這些問題的解是否合理進行分析和判斷.例如，從解的物理量單位，解隨某些已知量變化的趨勢，解在一些特殊條件下的結果等方面進行分析，并與預期結果、實驗結論等進行比較，從而判斷解的合理性或正確性.

圖4

對于上述解，某同學首先分析了等號右側量的單位，沒發現問題.他進一步利用特殊條件對該解做了四項分析和判斷，所得結論都是“解可能是對的”.但是，其中有一項是錯誤的.請你指出該項

A.當θ=0°時，該解給出a=0，這符合常識，說明該解可能是對的

B.當θ=90°時，該解給出a=g,這符合實驗結論，說明該解可能是對的

C.當M?m時，該解給出a≈gsinθ,這符合預期的結果，說明該解可能是對的

分析：本題是利用特殊條件分析和推理，定量分析來看4個選項是沒有問題的，但定性推理可知，滑塊B的加速度不可能大于g，所以，應選擇選項D.

因此,在平時分析問題時,應避免將物理問題數學化，要了解問題的物理實質，遵循物理規律.

【例5】(2009年高考北京理綜卷第20題)圖5為一個內、外半徑分別為R1和R2的圓環狀均勻帶電平面，其單位面積帶電量為σ.取環面中心O為原點，以垂直于環面的軸線為x軸.設軸上任意點P到O點的的距離為x，P點電場強度的大小為E.下面給出E的4個表達式(式中k為靜電力常量)，其中只有一個是合理的.你可能不會求解此處的場強E，但是你可以通過一定的物理分析，對下列表達式的合理性做出判斷.根據你的判斷，E的合理表達式應為

圖5

分析：對E的表達式先進行量綱分析，可知選項A,C錯誤.定性分析可知當x→∞時，E→0,但選項D中E→4πkσ，選項D錯誤，正確答案為選項B.

上述定性推理過程，避開了繁雜的數學計算，大大節省了解題的時間.因此，在教學中要培養學生運用數量級、量綱、對稱性、特例、極限等定性推理的方法.

第三步：“用”.在物理課堂教學中，教師要有意識、有計劃地創設定性分析的物理情境，培養學生的定性演繹、定性類比、定性歸納推理能力.對物理現象、物理過程采用一定的定性推理的方法，既能避開繁雜的公式數字運算，又能快速地達到好的解答效果.在此過程中既培養了學生良好的思維品質，又能激發學生的興趣.

【例6】在如圖6所示電路中，電路里的4個燈泡規格相同，當開關閉合時，請比較它們的亮度，按亮暗程度排序，并作出簡要的分析.

圖6

分析：該題設計的目的是考查學生能否根據串、并聯電路電壓、電流的分配特點，運用歐姆定律，通過一定的演繹推理過程，定性判斷各燈的亮度.

求解該題，不必通過定量計算.定性推理的基本思路如下.

各個電燈的電阻相同，由功率公式可知，只需比較各燈上分得的電壓即可比較其實際消耗的功率.

(1)電源左、右兩個支路并聯在電路兩端，電壓相等，故D上分得電壓最大，故D燈最亮.

(2)右側支路A與B,C所在并聯支路串聯，并聯支路總電阻小于A,故A上電壓大于并聯支路分得的電壓，故A燈亮度其次.

(3)C燈上分得電壓等于B燈，故C燈較亮，B燈最暗.

因此,燈泡亮度從亮到暗依次是D，A，C，B.

選擇適當的物理情境,將在教學中遇到的典型例題,融入教師的思想,進行簡單變形,通過日積月累的滲透式訓練，不斷提升學生的定性推理能力.

4 結束語

定性推理需要學生具備扎實的知識基礎,教師在教學中更應培養學生從物理問題的定性推理到定量計算,防止將物理問題數學化,使學生的定性推理能力和定量計算能力達到平衡,提高他們對物理問題實質的洞察力,這樣，才會使得學生分析問題、解決問題的能力得到質的飛躍.

參考文獻

1 廣東省教育考試院.廣東高考年報(2010).廣州：廣東高等教育出版社,2011.219～240

2 趙凱華.定性與半定量物理學. 北京：高等教育出版社,1991.6

3 莉蓮·麥克德莫特.改進學生學習的關鍵——2001年美國物理教師協會奧斯特獎受獎演講.李萍昌譯.物理通報，2001(10):9