例談高中物理核心素養下科學思維能力的培養*

曾 斌

(廣東實驗中學 廣東 廣州 510375)

習題教學一直是高中物理教學中的重要方面，尤其是在高三復習教學中.但在當前復習課中存在這樣的困局：教師被內容知識復習而勞累，學生被考試成績低下而困惑，雙方都付出了很多的心血，但總不能達到理想的效果.究其原因，最核心的欠缺就是在教學中忽視了對科學思維能力的培養[1].

我們現在正進行新一輪基礎教育課程改革，而在此輪課程改革中，發展學生的“核心素養”是現階段課程改革和教學改革的主要方向[2].物理學科的核心素養中，讓學生形成科學思維是很重要的一個要素，也是當前高考中的熱點與重點問題.在科學思維能力的建構中，多種思維方法的訓練與提升將變得越來越重要.那么高三復習教學中有哪些核心的思維方法最值得我們去注意總結？在教學中如何加以總結與提升？筆者結合多年來的教學實踐，認為可以側重于下面幾種思維方法的培養，現將這些思維方法總結出來供大家參考.

1 等效法

等效法亦稱“等效替代法”，是科學研究中常用的思維方法之一.掌握等效方法及應用，體會物理等效思想的內涵至關重要.等效思想和方法作為一種迅速解決物理問題的有效手段，經常體現于高考命題中.等效方法是在保證某種效果(特性和關系)相同的前提下，將實際的、復雜的物理問題和物理過程轉化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來研究和處理的方法.

(1)回路產生的熱量；

(2)通過左端電阻R的電荷量.

圖1 例1題圖

思維方法：(1)導體棒在向右勻速運動過程中，產生的感應電動勢為

這個表達式與學過的交流電的表達式完全相似，所以整個過程就等效于交流電產生的瞬時電動勢，那么根據交流電知識可得以下公式

Em=B0lv

以上公式求得回路產生的熱量為

(2)如果直接求通過電阻的電荷量，從現有的高中知識是求不出來的.但如果換個角度，將題設過程與“面積為S的線圈，在磁感應強度為B0的勻強磁場中，從垂直于磁場方向的初始位置起以角速度ω勻速轉動半圈”相類比，并以此等效代換題設過程，如表1所示,于是便可得相應的量

Em=B0lv=B0ωSΦm=B0S

以上公式最終求得通過左端電阻R的電荷量為

表1 題設過程與等效過程類比

方法小結：本題將一個比較陌生的過程用我們熟悉的模型進行等效代換，從而對相關問題作出快捷的解答.這正是“等效法”在解題時的優勢所在.

等效法在解決電場、磁場、重力場等復合場時顯得尤其方便，也是常用的方法之一，需要大家熟練運用.那么運用等效法處理問題的思路一般可歸納為：

(1)分析原事物(需研究求解的物理問題)的本質特性和非本質特性；

(2)尋找適當的替代物(熟悉的事物)，以保留原事物的本質特性，拋棄非本質特性；

(3)研究替代物的特性及規律；

(4)將替代物的規律遷移到原事物中去；

(5)利用替代物遵循的規律、方法求解，得出結論.

2 極限法

將某些物理量的數值推向極值(如設動摩擦因數趨近零或無窮大、電源內阻趨近零或無窮大、物體的質量趨近零或無窮大、斜面的傾角趨于0°或90°等)，并根據一些顯而易見的結果、結論或熟悉的物理現象進行分析和推理的一種方法.

【例2】如圖2所示，一半徑為R的絕緣環上，均勻地帶電荷量為Q的電荷，在垂直于圓環平面的對稱軸上有一點P，它與環心O的距離OP=L.靜電力常量為k，關于P點的場強E，下列4個表達式中有一個是正確的，請你根據所學的物理知識，通過一定的分析，判斷正確的表達式是( )

圖2 例2題圖

方法小結：有的問題可能不容易直接求解，但是當將題中某物理量的數值推向極限時，就可以對這些問題的選項是否合理進行分析和判斷.這種方法在解決選擇題時顯得很快捷.

3 對稱法

對稱情況存在于各種物理現象和物理規律中，應用這種對稱性可以幫助我們直接抓住問題的實質，避免復雜的數學演算和推導，這樣能快速解決問題.

圖3 例3題圖

正確選項為D.

方法小結：對稱法在解決電場疊加時尤其有用.根據對稱性，經常將面電荷或線電荷的場強轉化為點電荷的場強.

對稱法指圖形或物體相對的兩邊的各部分,在大小、形狀和排列上具有一一對應的關系，這里更多的是指物理過程和規律的對稱關系.如鏡像對稱、時間對稱、空間對稱等.一般來說有下列過程：

(1)領會物理情境，選取研究對象.在仔細審題的基礎上，通過題目的條件、背景、設問，深刻剖析物理現象及過程，建立清晰的物理情境，選取恰當的研究對象,如運動的物體、運動的某一過程或某一狀態.

(2)透析研究對象的屬性、運動特點及規律.

(3)尋找研究對象的對稱性特點，在已有經驗的基礎上通過直覺思維，或借助對稱原理的啟發進行聯想類比，來分析挖掘研究對象在某些屬性上的對稱性特點.這是解題的關鍵環節.

(4)利用對稱性特點，依物理規律求解.

第二、三兩種方法在解決選擇題時尤其能體現出時間上的優勢，特別是針對全國卷計算題量大，模型建立比較復雜時，大家不妨運用這兩種方法可以起到意想不到的效果.

4 微元法

微元法做為一種數學方法，在物理思維上有很重要的應用.近幾年高考的命題實踐來看，涉及到“微元法”的試題出現很多.“微元法”在被應用于物理解題時，常可以把題中給出的變化的事物或題中反映的變化的過程轉化為極為簡單而不變的事物或不變的過程來處理.由于一切“變化”都必須在一定的時間和空間范圍內才能得以實現，“微元法”就是通過限制“變化”所需的時間或空間來把變化的事物或變化的過程轉化為不變的事物或不變的過程.

【例4】如圖4所示，正方形閉合導線框以速度v1在光滑絕緣水平面上勻速運動，穿過有理想邊界的勻強磁場區域后以速度v2做勻速直線運動，則當完全處在磁場區域內時的運動速度u為( )

D.無法確定

圖4 例4題圖

思維分析：設導線框在“穿入”或“穿出”磁場的過程中某一瞬間速度和加速度分別為v和a，則由相應的物理規律依次可得

E=LvBE=IR

FB=ILB-FB=ma

由此可得v和a間的瞬時關系為

此式中，導線框的質量m,邊長L,電阻R以及磁場的磁感應強度B均為常量，而導線框在“穿入”或“穿出”磁場過程中某一瞬間的速度v和加速度a均為變量.

因此，選用具備“化變為恒”功能的“微元法”進行分析.其具體分析步驟依次如下：

(1)取“時間微元Δt”同乘以上式兩端，為

(2)考慮到“速度v和加速度a均為變量”而不具備“平權性”特征，所以應實施“換元”的相關操作.

(3)考慮到盡管“速度v和加速度a均為變量”，但由于“Δt→0”，所以在趨近于零的“時間微元Δt”內可將“速度v”和“加速度a”均視為“不變”(事實上是“來不及變”)而順利實施“換元”，即在

Δx=vΔtΔv=aΔt

的關系代入后上式變為

(4)考慮到此式中對應于微元Δx和Δv的“權函數”分別為

f2(v)=m=k2=常量

而滿足所謂的“平權性”特征，所以分別在導線框“穿入”和“穿出”的過程中對上式實施相應的“疊加”操作，即“穿入”時有

“穿出”時有

(注：設當導線框剛要“穿入”磁場時其位置坐標為x=0，磁場區域的寬度為b)

(5)由此“疊加”分別可得

(6)聯立上述兩式最終解得

所以此例選B.

再舉一例來強化微元法.

【例5】(2016年高考全國Ⅰ卷第35題)某游樂園入口旁有一噴泉，噴出的水柱將一質量為M的卡通玩具穩定地懸停在空中.為計算方便起見，假設水柱從橫截面積為S的噴口持續以速度v0豎直向上噴出；玩具底部為平板(面積略大于S)；水柱沖擊到玩具底板后，在豎直方向水的速度變為零，在水平方向朝四周均勻散開.忽略空氣阻力.已知水的密度為ρ，重力加速度大小為g，求：

(1)噴泉單位時間內噴出的水的質量；

(2)玩具在空中懸停時，其底面相對于噴口的高度.

思維分析：(1)在一段很短的Δt時間內，可以認為噴泉噴出的水柱保持速度v0不變.

該時間內，噴出水柱高度

Δl=v0Δt

(1)

微元法可得噴出水柱質量

Δm=ρΔV

(2)

其中ΔV為水柱體積，滿足

ΔV=ΔlS

(3)

由式(1)、(2)、(3)可得噴泉單位時間內噴出的水的質量為

(2)設玩具底面相對于噴口的高度為h,如圖5所示，由玩具受力平衡得

F沖=Mg

(4)

其中，F沖為水體對玩具底部的作用力．

由牛頓第三定律

F壓=F沖

(5)

其中，F壓為玩具底部下表面對水體的作用力.設v′為水體到達玩具底部時的速度,由運動學公式得

(6)

圖5 例5題圖

設在很短Δt時間內，沖擊玩具水柱的質量為Δm，則

Δm=ρv0SΔt

(7)

由題意可知，在豎直方向上，對該部分水柱,由動量定理

(F壓+Δmg)Δt=Δmv′

(8)

由于Δt很小，Δmg也很小，可以忽略，式(8)變為

F壓Δt=Δmv′

(9)

由式(4)、(5)、(6)、(7)、(9)可得

方法小結：微元法思維步驟一般分以下3步.(1)選取元；(2)運用規律表達元；(3)疊加元求解全過程.中學階段，“微元法”的換元類型主要包括 “時間元”與“空間元”間的相互代換、 “體元”“面元”與“線元”間的相互代換、 “線元”與“角元”間的相互代換.

本文通過對上面4種思維方法的總結，為學生的物理核心素養的養成提供了素材，讓學生掌握提高科學思維能力的一般方法.如果我們在平時教學中注重這些物理模型與科學思維的建立，那么一定會為學生的終身發展提供無限的動力.當然，物理思維方法還不止于本文總結.在解決物理問題時這些思想方法的確非常重要，期待在以后的教學中能更加深化與應用.

1 曾斌.淺談高中物理復習教學如何構建高效課堂.物理通報,2016(11):4～6

2 侯海軍,孫明西.基于物理核心素養的高中物理教學探討.物理教學探討,2016 (10):39～40