培養科學思維 提升解題技能
——例談2018年南京中考電學綜合試題

趙妍妮 陳 晨

(1. 南京市秦淮外國語學校,江蘇 南京 210000; 2. 南京市金陵中學仙林分校中學部,江蘇 南京 210000)

1 培養學生科學思維的重要性認識

自新課改以來,中學物理教育界一直積極倡導培養學生的物理核心素養，而培養學生的科學思維能力又是核心素養的核心．科學思維能力主要包括思維的深刻性、廣闊性、獨立性、邏輯性和靈活性等內容．在物理教學中要關注學生思維品質和思維能力的提升,使學生運用思維很好地理解和掌握相關物理概念和規律,運用所學知識解決物理問題,逐步培養學生的物理閱讀素養、邏輯思維能力以及物理建模意識,提升自己的物理思維水平,從而促進自身核心素養的形成與發展．

2 凸顯科學思維培養的電學綜合試題的考查及研究意義

在初中物理教學中,電學一直是最為重要的教學內容,也是中考考察的重點和難點．初中階段電學的教學內容主要包括電路的基本結構和基本物理量、歐姆定律、電功率,電磁等,廣度大難度深,會涉及到很多物理思想、方法、觀念等,而這恰恰為培養學生的科學思維提供了土壤．在平時的教學中,教師在授課時借助所講知識、典型例題提高學生的邏輯思維水平,增強物理模型意識,培養物理閱讀素養．而在中考評價中,通過試題進行考察,能夠有效評價學生在科學思維上的發展狀況．通常電學綜合試題在中考中難度較大,區分度較為明顯,并且命題人經常會將電學和其他方面的知識(如光、熱、簡單機械等)相結合命制試題進行考查,試題的層次性、綜合性很強．在解決這些問題的過程中學生需要充分調動自己已有的知識技能,研究方法,進行一定的思維演繹和邏輯推理,建立合適的物理模型并運用一定的數學方法進行解題,能夠真正考查學生科學思維的發展情況．同時加強對中考電學綜合試題的研究,有助于教師在平時教學中通過試題滲透對學生科學思維的培養,從而提升學生的解題技能．

3 2018年南京中考電學綜合試題的案例分析

3.1 試題呈現

在中考中,電學綜合試題通常都作為壓軸題出現在中考試卷中,作為全卷最難的部分,壓軸題對學生的科學思維能力有著較高的要求．試題的位置一般都放在最后一題,題目的閱讀量適中,非常注重與生產生活相聯系,以實際生活中的問題為載體,考查的內容都是具有較強綜合性的電學問題．題目一般會設置3至4問,難度由易到難,環環緊扣,需要學生從宏觀上把握問題,熟悉整個物理過程．這里筆者以2018年南京市中考電學綜合題為例進行分析.

例題.在綜合實踐活動中,科技小組設計了一個能反映水平風力大小的裝置,如圖1(甲)所示,電源電壓恒為16 V,R0為定值電阻,L為額定電壓是2.5 V的小燈泡,其I-U關系的部分數據如圖1(乙)所示,AB為長14 cm、阻值60 Ω粗細均勻的電阻絲(電阻絲的阻值與長度成正比),OP為質量、電阻均不計的金屬細桿,下端連接一個重2 N的圓球P.閉合開關S,無風時,OP下垂并與A端接觸,此時電流表示數為0.2 A;有風時,OP繞懸掛點O轉動,風對球的作用力F方向始終水平向右,已知OA為10 cm,OP始終與AB接觸良好且無摩擦.求:

(1) 電流表示數為0.2 A時,燈泡的電阻為________Ω.

(2) 無風時R0消耗的電功率.

(3) 為保護電路,允許風對球施加的最大作用力.

圖1 2018年南京市中考物理第28題圖

3.2 分析動態電路,彰顯邏輯思維

由題目可知,這是一個動態電路問題,需要學生具備一定的邏輯分析能力．通過分析圖像可以得到如下的動態變化過程:當有風吹過時,金屬細桿向右移動,此時變阻器AB接入電路的阻值隨著長度的變小而變小,根據歐姆定律可知,電路中的總電流變大,因此電流表的示數應該變大,小燈泡和R0兩端電壓都增大,又由于電源電壓不變(初中階段忽略電源內阻),因此變阻器AB兩端電壓變小,其整個邏輯思維如圖2所示．

圖2 邏輯分析過程

根據邏輯思維圖,我們還可以看出當風力增大時,電路中的電流在變大,變阻器兩端的電壓也在變大,即成正相關關系．因此如果要通過此電路來顯示風力的大小,可以用電流表或在變阻器AB兩端并上電壓表作為風力表進行記錄．通過分析電路,學生在頭腦中形成動態電路結構,從而有利于之后問題的求解．

3.3 提取關鍵信息,凸顯閱讀素養

一般來說電學綜合題需要學生進行計算得到最后的結果,因此僅僅對物理變化過程進行分析是遠遠不夠的,還必須要能夠從題目中找到關鍵信息,并進行相關計算,即考察學生的物理閱讀素養．例如題目中提到,當無風時,電流表示數為0.2 A．根據這句話學生應當提取出以下信息:此時變阻器AB全部接入電路,阻值為60 Ω,同時學生還需要根據0.2 A的電流值從圖1(乙)中找出此時小燈泡兩端的電壓值為1 V．根據這些信息,利用串聯電路電壓特點和歐姆定律就可以求出定值電阻R0兩端電壓,從而求出R0的電功率．通過剛剛的求解過程學生還應注意到題目中電流的限制條件．一般情況下電路中的限制條件可以是電流或者電壓的最大最小值,取值范圍可能是閉合區間,也可能是半開半閉區間．而本題中命題者僅設計了電流的限制條件,電路中的電流不能超過小燈泡額定電流,通過圖1(乙)可以找出小燈泡的額定電流為0.3 A．再根據剛剛的邏輯分析,得到電路中電阻不能過小,所以風力不能過大,當風力F最大時,電流值為0.3 A．通過關鍵信息的提取,再結合之前的動態分析,前兩個問題基本可以解決．

3.4 明晰物理過程,巧選物理模型

圖3 杠桿模型示意圖

學生經過動態電路分析和關鍵信息的提取,已經逐步意識到風力F和電流值I成正相關關系,而如何將這兩個物理量建立聯系則成為了本題最后一問的關鍵.這就需要學生具備一定的物理建模能力．根據所給電路圖回憶之前學習過的物理知識,可以聯系到杠桿模型,將金屬細桿OP看做杠桿,可知O點為支點,風力和金屬細桿的重力分別為作用在杠桿上的兩個力,如圖3所示．利用杠桿平衡條件及數學相似三角形的知識即可求出風力F的大小．杠桿模型在初中物理中非常常見,很多實際生活問題都能與杠桿相聯系,學生需要從實際問題中抽象出杠桿模型.這就需要學生具有一定的模型意識,能夠從實際問題中建立模型,運用模型的相關知識解決問題．此外,這個問題也蘊含著力的合成與分解的知識,其結果與利用杠桿模型計算所得相同,在評價層面上體現了初高中銜接思想．

4 基于培養學生科學思維的教學建議

4.1 明晰物理過程,培養邏輯思維

初中學生的物理思維還處在發展階段,思維深度還有所欠缺,對于復雜問題往往不能理清其中的邏輯關系,從而導致解題無從下手．因此在中考復習過程中,對于思維含量較大的問題(如電學綜合題),教師需要放慢節奏,抓住其中的物理本質,讓學生理清其中的物理過程,從剛開始第一個物理量的變化開始,根據定理定律逐步引導直到找出所有物理量的變化關系,讓整個變化過程一目了然地呈現在學生面前．例如上文中提到的2018年第28題為例,本質上都是由于風力這個非電學量引起的AB接入電路的阻值這個電學量的變化,這是問題的物理本質,也是解決這道題的關鍵．因此在題目講解結束后,教師繼續提問學生本題的解題關鍵在哪,通過讓不同學生進行回答得到全體學生都認同的答案,抓住問題的物理本質．此外,教師還可以在講解完后對題目進行變化,檢查學生是否完全掌握．例如詢問學生“改為在R0兩側并聯上電壓表,求風對球的最大作用力”;或者追加一問“若想提高測量風力的范圍,應該如何改進”．通過改變條件或者追問讓學生理清題目中物理量之間的邏輯關系,加深對題目的理解,提升自己的物理思維．

4.2 注重物理方法,培養科學思維

在平時的教學中除了要重視物理知識的教學,教師更要關注學生對物理方法的理解和掌握,在教學中滲透物理方法,讓學生從不同的角度看問題,尋找多種解決辦法,從而促進學生的科學思維的發展．例如在復習密度時,教師引導學生思考有哪些方法可以比較不同物體的密度．每一個學生都有自己的方法,大多數學生第一時間會想到用密度計算公式,數值較大的密度大．也有學生會想到相同體積比較質量,或者相同質量比較體積．但會有少部分學生想到可以通過圖像方式進行判斷,如果某一物體的質量——體積圖像傾斜程度較大(初中不涉及斜率),物體的密度就大．甚至有些學生會想到利用壓強、浮力的相關知識比較不同液體的密度．當然這是個開放性的問題,答案遠遠不止這些,設置該問題的目的并非讓學生像考試一樣去解題,而是需要學生跳出思維局限,尋找多種判斷方法．教師在聆聽的過程中應不斷給予評價和反饋,并鼓勵學生繼續嘗試新的方法,讓學生繼續思考,會不會還有其他不同的答案,這對學生科學思維的培養是質的飛越．

4.3 提高審題能力,培養閱讀素養

圖4 I-U圖像

審題能力的提高是學生提升解題技能的重要一環．它不僅僅包括看清題目中的物理量、數值求解對象,更包括對題目題意的理解,文字更深處關鍵條件的剖析.這也是學生物理閱讀素養的體現．物理閱讀素養可以認為是學生對題目關鍵條件的理解．題目中關鍵條件的呈現方式多種多樣,例如文字(字詞、篇章)、符號(數值、字母、表達式)、圖像(原始圖、示意圖、函數圖,電路圖)等,對這些關鍵條件的解讀和理解是解決問題的關鍵,不同的學生對關鍵條件的理解是不一樣的,因此教師在平時教學中要注重閱讀方法的指導．例如在講解圖像問題時,通常分為3步進行,一看軸:看橫縱坐標所代表的物理量以及單位;二看線:看線的類型,變化趨勢(直線、曲線,是否單調變化);三看點,看端點、拐點,交點、若有坐標紙看格點．如圖4所示:這是甲、乙兩個電阻的I-U圖像,從整體趨勢上來看,甲是一條直線,乙是一條曲線,學生要能夠提取出甲電阻不變,乙電阻變化的信息．進一步研讀,發現當甲、乙兩端電壓為2.5 V時,流過甲、乙的電流相同,此時它們電阻相等．最后,還要讓學生進一步分析若兩電阻串聯,圖像需要如何閱讀,若并聯又應如何閱讀,從而進行相關問題的求解．因此教師在課堂教學中,要不斷培養學生的物理閱讀素養,能夠深挖題目中隱含的關鍵條件,并進行總結歸納,整理出解決方法．通過常規教學的不斷滲透和教師引導,從而提升學生的物理閱讀素養．

4.4 鍛煉抽象思維,培養模型意識

圖5 杠桿模型圖