例談彰顯等效思維方法的教學策略

江小安　張其鳳

摘 要：等效思維是進行科學研究的一種重要思維方法，在高中物理中應用也很廣泛，立足教學實踐，以課例形式，從幫助學生建構理想模型的意識和能力、建立和理解物理概念、找規律并形成結論、拓展解析和解決問題的途徑四方面，嘗試研究在課堂教學中彰顯等效思維方法的策略。

關鍵詞：高中物理；等效思維；轉換；化繁為簡

引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》明確了“科學思維”是物理學科核心素養的一個方面，并明確給出物理課程的總目標[ 1 ]。這就要求教師立足于物理學科核心素養培養的課程目標，把科學思維方法教育穿插在日常教學過程來設計課時教學。

1 等效思維方法及其基本特征

為了認識復雜事物的本質規律，我們常常從事物的等同效果出發，將其轉化為等效的、簡單的、熟悉的、易于研究的物理事物進行研究。等效思維方法就是在保證某種效果相同的這一基本點出發的，將實際的、復雜的物理現象、物理問題和物理過程轉化為等效的、簡單的、熟悉的、易于研究的物理現象、物理問題和物理過程來處理的一種科學思維方法（如圖1所示）。其目的是通過轉換思維活動的作用對象來降低思維活動的難度[ 2 ]。

運用等效思維方法研究問題時，強調的是相比較事物間某一方面有等同效果，并非指兩事物間的各個方面都效果相同。因此一定要明確相比較的事物等同效果是在什么條件下、什么范圍內、什么過程中。

在中學物理中，我們通常可以把所遇到的等效分為：物理模型等效、物理量等效、物理過程等效、物理圖形等效等[ 2 ]。本文以司南版物理（選修3-2）“交變電流的產生”課時教學為例，利用等效思維方法幫助學生建構理想模型的意識和能力、建立和理解物理概念、找規律并形成結論、拓展解析和解決問題的途徑四方面，談一談如何在教學中彰顯等效思維方法做法。

2 等效思維方法在課堂教學設計中的策略研究

2.1 喚起學生原本動機，利用等效思維方法幫助學生構建物理模型意識和能力

在引入環節流程。先觀看視頻，生活中大型交流發電機（廠）；再課堂演示交流發電機模型，同時觀察電流表指針或示波器顯示。進而可由學生討論總結交流電定義。

事實上，物理學中在研究解決物理問題的過程中，常常用簡化了的物理模型來代替復雜的物理原型進行思維的方法，更好地理解其工作原理。本課教材中教學用實物模型就是把實際發電機進行簡化和模仿，是為更加明晰交流發電機的本質特征和產生規律。實際課堂教學中我們再次把演示用手搖發電機多匝線圈等效簡化一個矩形線圈，放在兩個磁極產生的磁場中；教師板畫、學生作業中我們又一次把兩磁極產生的磁場等效簡化、抽象勻強磁場磁感線（如圖2所示）。這樣一來，學生的思維方向明確，思維活動易于切入。

其實，理想變壓器模型、電能的輸送過程示意圖等也都是對實際物體的抽象，把復雜實際問題簡化等效了，只討論其工作原理。

2.2 激發學生深層思維，利用等效思維的方法幫助學生建立和理解物理概念

在交變電流的描述教學環節，因交變電流大小和方向都隨時間作周期性變化，為了方便對交變電流進行測量、計算等，就必須從交變電流產生的效果上規定一種等效替代物理量。但是中學階段由于數學知識的掌握原因，教材中只給出了正弦式交變電流的有效值是峰值的，往往造成學生學習時只是記住結論，不能理解其本質。所以，課堂教學設計中要突顯出從交變電流和恒定電流對電阻做功過程的等效角度引入。一交流電源（u=Umsin？棕t）對電阻R供電，在時間t（周期T的整數倍）內交變電流做功為W；如果某恒定直流電源向同一電阻供電時，在相同時間內也做功為W，即W=UIt。那么，交變電流所做的功可用直流電所做的功來代替（如圖3所示）。此時交流電壓u=Umsin？棕t的有效值就為U，交流電流i=Imsin？棕t的有效值就為I。在一過程中的電流熱效應作用效果相同情況下，就用了一種恒定電流（簡單形式）代替另一種周期性變化電流（復雜形式）。可見，等效替代的思想是理解和計算交變電流的有效值的核心思想。

其實，交變電流能通過電容器的教學設計也可運用等效思維分析。直流電不能通過電容器，因為電容器兩極板被絕緣介質隔開了；電容器接到交流電源兩端時，實際上自由電荷也沒有通過兩極板間的絕緣介質。但瞬間電壓在不斷變化，假設電容器極板原先是帶電的，當正極板這邊電壓開始下降的時候，外界等效看成正極板帶的正電荷就減少了（其實是電子增加了），正極板的電勢就開始下降，那么為了維持電荷平衡，負極板上的電子就要開始減少，電子從負極板那里流出去了，這個時候，在負極板這里就會有電流產生，等效表現出交流“通過”電容器。

2.3 啟發學生異中求同，利用等效思維方法幫助學生尋找規律、形成結論

結束閱讀后，筆者通過設計以下兩個問題，發散學生思維，突破本課中“交變電流變化規律”的教學點的異中求同思考。

問題（1）：線圈轉動過程中哪些邊切割磁感線，感應電流方向如何？

問題（2）：線圈轉動過程中，穿過線圈磁通量如何變化？

通過生生互動，師生互動，自由、充分討論交流：能否從磁通量變化角度，應用法拉第電磁感應定律來得到交變電流的變化規律。

再次如圖4所示，設線框經t時間轉過的角度？茲=？棕t，穿過線框abcd的磁通量？準=Bl1l2cos？棕t，所以一匝線圈產生感應電動勢大小為e=？準'（t）=Bl1l2？棕sin？棕t。

這樣，在一定范圍內本質相同的不同規律之間的等效代替，從兩個不同角度定量得到交變電流的變化規律。開擴學生思維，促進思維品質提升。

其實，交變電流變化規律的表達形式上，有數學形式：e=Emsin？棕t；u=Umsin？棕t；i=Imsin？棕t。有圖象表達（如圖5乙、丙所示）。這樣數形結合也是一種形式不同，本質相同的等效替代。

2.4 指導學生練習應用，利用等效思維方法，幫助學生拓展解析、解決問題的途徑

多年教學實踐表明，學生在反復運用科學思維方法研究問題過程中，科學思維方法掌握了，運用物理知識解決實際問題能力也就提高了。如有效值概念得到了理解鞏固。

再如，2016全國Ⅰ卷16（題目略，如圖6），應用等效負載思維方法求解變壓器問題比較簡潔方便，通熟易懂[ 3 ]。具體分析解答如下。

可見，等效思維方法是一種化繁為簡，化難為易的有效解決問題的科學方法。

由于方法掌握需要通過不斷的滲透以形成科學的思維習慣來達到[ 4 ]，因此教師在日常課時教學目標、教學方案設計中就是依據物理學科特點以及學生認知規律和特點，把科學思想方法教育貫穿其中，滲透教育。這樣才能讓學生在收獲知識同時，掌握研究物理的科學方法，優化學科的認知結構，提升學科核心素養。

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）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]季茹.等效思維：讓物理教學化繁為簡[J] 基礎教育參考，2011（7）：32-35.

[3]羅翀，廖柳清.探物究理 深諳規律[J]. 物理教師，2017，38（11）：80-83.

[4]高杰，積極開展基于核心素養的物理教學設計[J]. 物理教學探討，2017（7）：1-3.