構(gòu)基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)法探究

【摘" " 要】教學(xué)不僅是傳授知識(shí)，更重要的是教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)的方法。等效法作為重要的一種學(xué)習(xí)方法，可有效地提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者在高中物理教學(xué)中，結(jié)合具體實(shí)例探究了等效法的應(yīng)用，使教學(xué)的維度有寬廣而深刻的拓展。

【關(guān)鍵詞】等效法" 高中物理" 物理學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.10.059

在新課程改革環(huán)境下，教師在物理教學(xué)中要注重學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)（即物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）的培養(yǎng)。作為物理學(xué)中的一種重要的科學(xué)思維方法，等效法不僅能幫助學(xué)生在不同的知識(shí)內(nèi)容中進(jìn)行歸納與關(guān)聯(lián)，而且可以鍛煉其分析與解決問(wèn)題的能力，這也是培養(yǎng)和提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵途徑。筆者在力學(xué)、靜電學(xué)和電路等知識(shí)模塊教學(xué)實(shí)踐中，積極探索基于學(xué)科核心素養(yǎng)的物理教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立等效法的科學(xué)觀念，培養(yǎng)其應(yīng)用等效法解決物理問(wèn)題的科學(xué)思維，并在等效法的應(yīng)用遷移過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的精神和良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

一、高中物理學(xué)中等效法的內(nèi)涵

等效法是科學(xué)研究的常用思維方法，它從事物的等同效果出發(fā)，對(duì)物理現(xiàn)象或物理過(guò)程建立等效模型，抓住關(guān)鍵因素，排除次要因素來(lái)討論問(wèn)題，使問(wèn)題研究簡(jiǎn)單化[1]。

若不同的物理現(xiàn)象、模型或過(guò)程在物理意義、作用效果或物理規(guī)律方面相同，則它們之間可相互替代，這就是等效法。利用等效法可將陌生復(fù)雜的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為熟悉簡(jiǎn)單的問(wèn)題，既可鍛煉學(xué)生的科學(xué)探究精神，又可培養(yǎng)其解決物理問(wèn)題的科學(xué)思維。

二、高中物理學(xué)中等效法的應(yīng)用

（一）物理過(guò)程等效

在某些物理問(wèn)題中，其過(guò)程發(fā)展復(fù)雜多變，但我們可將其分解為多個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)程，或把多個(gè)過(guò)程合成為一個(gè)過(guò)程，且分解或合成后不影響物理結(jié)果，這種方法就是物理過(guò)程等效法。應(yīng)用物理過(guò)程等效法既可加深學(xué)生對(duì)物理過(guò)程的理解，提高解題速度，又從根本上幫助學(xué)生提高對(duì)知識(shí)和技能的遷移應(yīng)用能力。

例如處理曲線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題時(shí)，常采用矢量分解的方法將質(zhì)點(diǎn)受到的力、速度與位移等物理量沿兩個(gè)正交軸進(jìn)行分解來(lái)研究其動(dòng)力學(xué)規(guī)律。利用物理過(guò)程等效，將復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)等效為兩個(gè)簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)，使復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單化，可簡(jiǎn)便地求解問(wèn)題。例如平拋運(yùn)動(dòng)的處理就是利用此種方法。

而在研究一些復(fù)合場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，我們常采用矢量合成的方法將相關(guān)物理量進(jìn)行合成。例如在研究帶電粒子在電場(chǎng)和重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將粒子所受重力與電場(chǎng)力合成作為等效重力來(lái)研究粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

例1：如圖1甲所示，在水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，有一豎直平面內(nèi)放置的光滑絕緣軌道，一帶負(fù)電的小球從高為h的A處由靜止下滑，沿軌道ABC運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入圓環(huán)內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。已知小球所受電場(chǎng)力是其重力的，圓環(huán)半徑為R，斜面傾角為，。若使小球能做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，h至少為多少？

解：小球所受的重力和電場(chǎng)力的合力F可等效為 “重力”，如圖1乙所示。可知F=1.25mg，方向與豎直方向成37°。

由圖可知，小球做完整圓周運(yùn)動(dòng)的臨界點(diǎn)是D點(diǎn)（物理最高點(diǎn)），設(shè)小球恰好能通過(guò)D點(diǎn)，即到達(dá)D點(diǎn)時(shí)圓環(huán)對(duì)小球的彈力恰好為零。

由圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)得：

小球由A運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，由動(dòng)能定理得：

顯然，在上題中若能靈活掌握物理過(guò)程等效法，既可提高解題效率，又拓展學(xué)生的科學(xué)思維與空間想象能力，提升了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）情景等效法

在高中知識(shí)背景下，有些物理問(wèn)題不能直接用所學(xué)的定理、定律或公式求解。若對(duì)物理情景進(jìn)行補(bǔ)充等效，且補(bǔ)充等效的情景與原情景相符，便可相互替代，這種方法就是情景等效法。采用情景等效法不僅有助于問(wèn)題的解決，更有助于學(xué)生在變通與遷移中提高解決問(wèn)題的能力，優(yōu)化學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。

解：高中生受限于數(shù)學(xué)知識(shí)，在求解質(zhì)量（電荷）均勻連續(xù)分布的有空腔系統(tǒng)的萬(wàn)有引力（庫(kù)侖力）有關(guān)的問(wèn)題時(shí)，可采用情景等效法，使問(wèn)題簡(jiǎn)化。

故挖出空穴后的鉛球與小球間的萬(wàn)有引力為

顯然，在上題中采用情景等效法進(jìn)行求解，可使問(wèn)題簡(jiǎn)化。類(lèi)似地，在電學(xué)中，利用情景等效法將有缺口的帶電圓環(huán)或圓板補(bǔ)全為圓環(huán)或圓板，或?qū)肭蛎嫜a(bǔ)全為球面，均可使問(wèn)題化難為易、事半功倍。

（三）模型等效法

在研究物體的某一物理屬性時(shí)，為減少變量，在保證物理效果相同的條件下，常將陌生復(fù)雜難處理的物理情景轉(zhuǎn)化為熟悉簡(jiǎn)單易處理的物理模型，這種方法就是模型等效法。采用模型等效法不僅可以提高學(xué)生解決綜合問(wèn)題的能力，更可以提高其構(gòu)建物理模型的能力，能較好地培養(yǎng)其邏輯思維能力。

例3：如圖3所示，E=8V，，R1=8Ω，R2為變阻器（0-20Ω），當(dāng)變阻器R2的取值為多大時(shí)，R2獲得的電功率最大？此時(shí)R2的功率是多大？

解：若已知電源的輸出功率隨外阻的大小變化關(guān)系模型如圖4乙所示：

顯然，在上題中，求解滑動(dòng)變阻器消耗的功率時(shí)，因其變量較多，若直接用物理公式求解較困難。但使用模型等效法進(jìn)行求解，可使問(wèn)題變簡(jiǎn)單，進(jìn)一步提高學(xué)生的邏輯思維能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

筆者從高中物理常見(jiàn)的問(wèn)題中簡(jiǎn)單地探討了等效法的具體應(yīng)用，但等效法的應(yīng)用是十分廣泛的，在諸如等效電路相關(guān)計(jì)算、交變電流的有效值、通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力等問(wèn)題中都利用了等效法的思想，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。而且等效法也給我們的工作和生活，特別是科學(xué)研究帶來(lái)了很大的方便，必須充分理解和掌握這一基本方法[2]。

參考文獻(xiàn)

[1]楚安夫.力學(xué)中的等效概念與方法. 山東：聊城師院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.1997

[2]李鴻征，鄭文杰. 等效概念在教學(xué)中的應(yīng)用. 河南： 焦作大學(xué)學(xué)報(bào). 2001