論高三學生思維能力培養—以“電場環境下物體的運動”教學為例

文 郭 瑩

高三復習課更加注重抽象思維、邏輯思維與發散思維訓練，因此要求教學要設計好例題，把握好問題的梯度性，調動學生思維的積極性和主動性，同時層層推進，由淺入深，使學生的思維過程螺旋式上升，讓學生參與并體會物理學的思想方法，從本質上把握解決問題的途徑。本文以“電場環境下物體的運動”為例，展示如何在高三教學中培養學生的思維能力。

一、教材與教學分析

“電場環境下物體的運動”在整個教學體系中屬于綜合性問題，在高一、高二教材中沒有專屬一節，但歷來都是高考物理的熱點問題。而本節作為力電綜合性內容，又是學生的學習難點，是高中物理學習的重中之重。

本節的知識目標是解決重力場下的物體運動方法，主要包括：(1)力的分析(向心力公式)；(2)運動分析(圓周運動臨界)；(3)功能分析(動能定理，能量守恒)。關鍵是把知識遷移到電場環境下分析問題，其中需深刻理解的是等效最低點、動能最大的點、平衡位置(無切向力，靜止釋放回到該點)。

本節的能力目標主要包括：(1)運用類比的方法建模，培養知識的遷移能力；(2)熟練運用已有模型，訓練解決綜合問題的能力；(3)理解物理等效思想、對稱方法并熟練運用。

本節情感態度價值觀目標：由于本節涉及物理類比、等效、對稱的思想方法，因此應讓學生體會物理思想、邏輯思維，感受物理美并上升到哲學思想的層面。

本節的基本學情：學生對單一模型已經掌握，如圓周運動臨界、動能定理、向心力公式。在重力場中對多種小模型進行綜合運用已訓練過，但不夠熟練。通過本節強化要實現熟練運用，通過類比電場力與重力實現知識遷移，這對學生的思維訓練有一定難度。

有鑒于此，本節教學過程的設計主要是讓學生體會類比的方法，比較電場力和重力的相似性，從而實現知識的遷移。

二、教學過程設計

例1：如圖1所示，豎直平面內有一質量為m的小球，用長 L 的絕緣細線懸于 O 點，要使小球恰能到達最高點B，臨界速度多大？最低點A速度至少多大？完成整個圓周運動過程中，小球在哪點獲得的動能最大？

圖1

在引入環節，要求學生獨立完成并在黑板上展示自己總結的解決問題的方法。教師應當強調：最高點臨界，求最低點，用這兩點間動能定理。在學生能夠解答準確的時候，適時肯定的強化非常有效，以后在這類問題中就有了“抓手”。

在最后一問中，學生普遍都知道答案在最低點，但并不能深刻理解或者說沒仔細思考這是為什么，而這恰是本節的難點。教師可以首先從能量守恒的角度解釋最低點重力勢能最小、動能就最大。然后再從其他角度解讀：從這一點由靜止釋放，球仍靜止，所受合力為零；從其他位置釋放，球也回到該點，這時學生就會聯想到單擺，那個位置就叫平衡位置。學生繼續分析平衡位置受力特點并回憶單擺，平衡位置切向加速度為零，無切向力。因此最低點是動能最大點，也是平衡位置，這一難點就得以突破。同時再把過最低點的直徑畫出，學生很容易指出最低點與最高點對稱共線。需要強調，此處一定要把問題講透，這部分難點突破，就為后面知識遷移做好了鋪墊。

如果把此過程加上豎直向下的勻強電場，圖2小球帶正電q，要使小球恰能到最高點，問在最低點A的速度多大？(已知電場力等于重力)

圖2

分析可知問題改變了情景，在原有重力中加豎直向下電場，這時學生很快就能把知識遷移。此時一定要總結共性：電場力和重力，都是恒力，做功都只與初末位置有關，而與路徑無關，這也是類比的前提。并且還可繼續發散思維，只要是做功與路徑無關的恒力都可以這樣來處理。以上鋪墊工作做好后，才能進入能力突破階段，并實現大范圍的知識遷移。

例2：如果把上述電場改為水平向右(如圖3所示)， a.從哪點靜止釋放帶正電q小球，還能靜止在那點？b.若將小球從最低位置 A 點釋放，在哪點獲得最大動能？要使小球恰能完成圓周運動，A點速度多大？c.在A點時繩的拉力多大？

圖3

此題應給學生充足的時間進行獨立思考并相互討論。由于有了前面的鋪墊，靜止釋放還靜止，這句話反映出受力分析合力為零的位置就找到了。何處動能最大的問題前面已經解讀，動能最大點為平衡位置點即“最低點”。這里“最低”是等效的“最低”，而非真正意義上的高度最低。為問題搭出臺階，找到等效最低點，正好完成圓周運動，找出對稱的等效“最高”臨界速度，從A點到等效最高點列動能定理，完成題目，從而實現了真正的知識遷移。

在解c問時，應強調受力分析，向心力求解。此處一定給學生足夠的時間，讓學生進行討論，各自發表見解。如果需要，教師還要適當引導，最好完全是學生自己找到答案并說明原因。教師一定不能急于給出答案，否則前功盡棄，實現知識遷移的能力目標就會落空。

重力和電場力類比的思想，不僅可以在圓周運動中類比，在各種運動中都可以類比，從而把重力場中解決問題的方法遷移到電場環境下。這里要注意發散思維的滲透，如后面要復習的帶電粒子在電場中的偏轉加速等，也可以通過下列問題再強化訓練發散思維。

例3：如圖4所示，一小物體只受重力作用，以相同的初動能從 A 點沿著各個方向運動，經過很多點，其中一些點組成圓形，在這些圓周上的點哪點動能最大？為什么？

圖4

例4：如圖5所示，勻強電場強方向與圓O所在平面平行，只在電場力作用下運動(重力不計)，帶正電的微粒以相同的初動能沿著各個方向從A點進入圓形區域中，從不同點離開圓形區域經過圓周上各點。其中從c點離開時動能最大，圖中O是圓心，AB是圓的直徑，AC是弦，則勻強電場的方向為( )

A．沿AB方向 B．沿AC 方向

C．沿OC方向 D．沿BC 方向

方法遷移過來，動能最大點即等效最低點，

電場力與等效“最低”“最高”點連線重合。如果此題既有重力場又有電場，則動能最大點所在位置是哪兒？

圖5

三、教學過程的反思

相同的問題，不同的情景，例1第一問是重力場中的圓周運動模型，第二問是加豎直向下的電場，學生是模仿式地遷移。例2是真正實現知識上的遷移。例3與例4作為關鍵性的遷移訓練，表明不僅重力場中圓周運動可以和電場類比，其他運動重力場和電場也可以類比，從而讓學生感受“仿—移—破”的學習過程，得到思維能力的訓練。

筆者深切體會到，“講十道題不如練一道題，課下練不如課上練”。需要指出的是，學生需要時間消化理解教師所講的方法與思想，而課堂就是學生快速理解消化的前沿陣地，理解的高效性就在于此，關鍵在于學生自己體會突破思維障礙的過程。即便高三復習時間緊張，也要把課堂還給學生，從而提高課堂思維訓練的高效性。教學中要以學生為主體，精講多練。例題要留給學生足夠時間進行深刻體會，并展示解題過程，同時在他人的評價中，找到優勢和不足。最后教師總結并拓展，培養學生的發散性思維。

高三復習時間緊，但如何抓住關鍵問題，在有限的時間里進行有效的訓練，提高課堂效率，真正對學生進行思維的培養，仍然是高三物理教學中一個值得深入探討的重要問題。

[1] 邢紅軍,劉利.物理教學促進中學生思維品質的發展研究[J].課程·教材·教法,2013,33(7)：97-102.

[2] 胡揚洋,陳清梅,邢紅軍.中國物理變式教學研究：傳統與發展 [J].教育導刊,2014(2)：76-79.