增強實踐意識 提升解題素養

顧建新

(江蘇省泰興市教師發展中心，江蘇 泰興 225400)

實踐意識是人類意識的重要組成部分,是由能力支配行為的一種感性認識,是客觀存在的實踐情景在人們頭腦中的反射和能動的反映,它反映了把理論或文字符號跟實踐情景相聯系的意愿和能力.在高中物理的學習和問題解決過程中,實踐意識又體現了把物理知識和實踐情景相關聯的水平以及把文字符號轉化為實踐情景的自覺性.[1]

實踐意識的培養源于真實的體驗和感悟,實踐性是其本質特征,只有通過自主體驗、實踐探索、感悟提升才能將思想意識逐漸內化為解題者的基本能力和核心素養.

解題素養是解題者對特定的物理問題及其求解過程由感性上升到理性的認知活動；是基于先天條件和后天學習養成的一種自覺的本能反應；是解題者基于具體的解題實踐活動,將其所擁有的物理學科知識跟個人的實踐生活經驗予以充分的融合、內化和提煉,形成新的、個性化的認知結構,并據此提升、固化,形成的一種有助于解題理論和解題實踐相互促進的綜合性的個人素養；[2]是學生物理學科核心素養中高階素養的顯性特征.

良好的解題素養對于提高物理解題效率,發展學生心智,培養良好的思維品質,形成解決物理問題的方法結構,培養創新思維和創造能力,提升物理學科核心素養都有著重大意義.

基于皮亞杰的認知發展理論和信息加工理論,喬際平老先生將物理解題過程概括為如圖1所示的物理問題認知過程:采用模型化的手段將實際問題抽象處理成物理問題,運用規律采用數學化的手段將物理問題轉化成數學問題,再經過推理和計算得到問題的結果,進而對實際問題進行檢驗和評價.[3]

學生對物理問題認知過程處理的熟練程度反映了其解題素養的層次,而決定學生不同層次的原因不僅僅是知識的欠缺,很大程度上是對于實際問題抽象處理的能力,而這種能力常常依賴于學生的體驗感悟、實踐意識.

新高考為了突出對學生綜合能力的全面考察,各省市的高考試卷中都在逐年不斷增加情境化試題的數量和質量.情境化試題提供了真實的情境,物理規律和原理更加隱蔽,避免了學生解題中直接套用公式,讓物理問題的解決更有實際意義,更加體現了中學物理學習的核心價值.

解決這類問題,必須利用物理知識分析、判斷、簡化、抽象文字表述,將情境化的實際問題轉變成非情境化的物理問題,再利用物理知識、數學工具,以及必要的生活體驗、感悟、直覺,進行推導、驗算、解決問題.簡而言之,就是要具備良好的物理解題素養.增加學生的實際體驗,增強學生的實踐意識,讓學生在實踐中感悟和升華,這是提升學生解題素養的重要途徑.

1 增強實踐意識,提高數據處理能力

圖2

(2011年江蘇高考物理第4題)如圖2所示,演員正在進行雜技表演,由圖可估算出他將一只雞蛋拋出的過程中對雞蛋所做的功最接近于

(A) 0.3 J. (B) 3 J.

(C) 30 J. (D) 300 J.

本題的難度系數為0.29,相當于當年只有不到6%的考生答對這道題.這是一道貼近生活,能夠緊密聯系實際的估算題,所要考察的知識點都是高中物理階段的核心基礎知識.要解此題,首先,要正確建構拋體運動的物理模型,厘清功能之間的轉化關系;其次,做好兩個估算:一是依據生活經驗估算一只雞蛋的質量,二是依據圖中雞蛋的軌跡估算雞蛋拋出上升的高度.這道題充分體現了新課程“重生活”、“重實踐”、“重情感”的基本理念,讓那些平時肯動腦筋、會學習,能注重生活、聯系實際的同學真正有收獲,此題又具有極高的區分度,是一道真正體現新課程理念的的物理好題.

其實本題就是源于教材后的“發展空間”:估算人拋石塊時手對石塊做功的多少.要解決好這類估算問題,一定要注重實踐,關心生活,靈活運用,這對中學物理的教學也起到了良好的導向作用.

2 增強實踐意識,發展問題轉化能力

(2016年全國理綜Ⅰ卷第17題)利用3顆位置適當的地球同步衛星,可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通訊.目前,地球同步衛星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍.假設地球的自轉周期變小,若仍僅用三顆同步衛星來實現上述目的,則地球自轉周期的最小值約為

(A) 1 h. (B) 4 h.

(C) 8 h. (D) 16 h.

圖3

本題的難度系數為0.27,相當于當年只有不到3%的考生答對本題.本題主要考察同步衛星、開普勒第三定律,這些知識點對于考生來說都不是大的問題,本題主要難在審題上,難在將題中抽象的文字描述轉化為“同步衛星”運動模型的物理建構上.首先,根據題中文字描述“假設地球的自轉周期變小”,得到同步衛星運動周期也變小,進而判斷同步衛星運動半徑也變小,但依然要滿足“僅用三顆同步衛星,可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通訊”這一條件,可知最終任意兩衛星的連線必與地球相切(如圖3所示),最后,利用數學關系得到,在此臨界狀態下,衛星的軌道半徑恰好等于地球半徑的2倍,此時衛星的周期即為地球自轉的最小周期.

高考中的難題之所以難,大多數并非是所考查的知識有多難,很多時候恰恰是難在能力、意識和習慣等方面,因為關鍵的解題條件是隱藏在文字之下的,需要通過學生自覺地轉化進行發掘,只有把題中的文字敘述轉化為恰當的物理情境之后,才能進一步形成物理解題的條件和要求,進而運用數學方法加以解決,得到問題的答案.

因此,具有自發轉化題目物理情境的意識和能力對解題來說具有關鍵意義,這就需要增強學生的實踐意識,對物理情境能進行具體分析,打破思維定勢,創造性地分析和解決具體問題,最大限度地培養學生的物理思維能力,而不是簡單的生搬硬套.

3 增強實踐意識,培養高效建模能力

圖4

(2015年江蘇物理第13題)如圖4所示,做磁共振(MRI)檢查時,對人體施加的磁場發生變化時會在肌肉組織中產生感應電流.某同學為了估算該感應電流對肌肉組織的影響,將包裹在骨骼上一圈肌肉組織等效成單匝線圈,線圈的半徑r=5.0 cm,線圈導線的橫截面積A=0.80 cm2,電阻率ρ=1.5 Ω·m,勻強磁場方向與線圈平面垂直,若磁感應強度B在0.3 s內從1.5 T均勻地減小為0,求(計算結果保留一位有效數字)

(1) 該圈肌肉組織的電阻R;

(2) 該圈肌肉組織中的感應電動勢E;

(3) 0.3 s內該圈肌肉組織中產生的熱量Q.

本題基于醫療器械 “磁共振”這一生活情境,主要考查電阻定律、法拉第電磁感應定律以及電熱的相關知識.這是計算題的第1題,從知識要求以及試卷結構上來講該題的難度應該不大,但事實上最終的得分率比預期的要低很多.主要原因是該題的問題情境較新,考生沒能根據題中文字描述,將“將包裹在骨骼上一圈肌肉組織等效成單匝線圈”,建立正確的環形電阻模型,導致沒能準確理解和區別題中描述的“線圈半徑”和“線圈導線的橫截面積”,以致第一問就沒能做對,直接就影響到另外兩問的解答.

建模是人類最重要的研究問題的方法之一,是認識自然界本質和規律的必經之路.要正確建立恰當的物理模型,只有基于實踐的體驗,理性的認識,抽象的思維,物理的直覺,避開表面現象的干擾,透過現象抓住問題的本質,緊扣主要因素,忽略次要因素,對實際情境進行必要的簡化和抽象,將實際情境轉化為理想化的物理模型,讓實際問題具體化、形象化.[4]

4 增強實踐感知,提升抽象問題處理能力

習題教學是高中物理教學的重要組成部分,是提升學生解題素養的重要途徑,在習題教學中努力創設情境,增加學生體驗,培養問題轉化能力,提升物理感知,讓解題情境直觀而豐滿.

圖5

例如,高一在學完“力的合成與分解”之后,筆者都會通過下題來檢測學生對相關知識的掌握和理解情況.如圖5所示,重為G的物體在兩根細繩的懸掛下處于靜止狀態.細繩AC、BC與豎直方向的夾角分別為θ1=60°,θ2=30°,求細繩AC、BC對物體的拉力各多大?

不少學生由于剛接觸合力與分力,經常會把AC、BC邊的長度當成分力的大小作平行四邊形,造成細繩AC對物體的拉力大于BC對物體拉力的錯誤結論.

筆者并沒有直接糾正學生的錯誤,而是帶領學生到操場上玩單杠,讓學生親自體驗,形成強烈的主觀感悟,認識到自己的答案和真實體驗之間的不同,然后再引導學生去分析原因,找出問題來.通過實踐體驗,學生不僅解決了實際的問題,更重要的是培養了學生解決問題時聯系生活實際的實踐意識,增強了解決問題的物理感知,有時物理感知常常成為解決棘手問題的有效突破口.

圖6

(2013年江蘇高考物理高考第2題)如圖6所示,“旋轉秋千”中的兩個座椅A、B質量相等,通過相同長度的纜繩懸掛在旋轉圓盤上.不考慮空氣阻力的影響,當旋轉圓盤繞豎直的中心軸勻速轉動時,下列說法正確的是

(A)A的速度比B的大.

(B)A與B的向心加速度大小相等.

(C) 懸掛A、B的纜繩與豎直方向的夾角相等.

(D) 懸掛A的纜繩所受的拉力比懸掛B的小.

解決本題,一定要抓住A、B兩個座椅角速度相同,再利用圓周運動的知識分析選項.但如果我們關注了生活中“旋轉秋千”這一常見現象,我們便會立馬判斷出處于外側的懸掛座椅B的纜繩比懸掛A的纜繩與豎直方向的夾角要大,再畫出受力草圖,簡單加以分析,答案便一目了然.

物理的直覺和感知是提高物理解題能力的重要手段,而這不是純粹的知識所能夠替代的,它的生長必須要經歷實踐,通過真實的體驗來感悟,進而內化為物理解題的基本素養.

學習物理,并不一定就是為了將來從事跟物理相關的工作,重要的是為了通過物理學習,培養良好的科學素養,正如趙凱華先生所說:“一個人學了物理之后干什么都可以干,那他的物理就沒有白學.”[5]提升學生物理學科的解題素養,也并非僅僅是為了解決幾道題目,重要的是在提升解題素養的過程中培養學生的思維品質、創新能力與科學精神, 為學生終生發展奠定基礎.提升解題素養,只靠系統的知識是不夠的,還得通過實踐體驗,在體驗感悟中提升學生的解題素養,在問題解決中實現試題的育人價值.