培養學生根據概念來解決能量問題的思維習慣

夏上

【摘要】 當今初中物理教學中，教師為了應對考試，在課堂教學中多數是把概念，理論硬塞給學生，然后進行重復機械的題海戰術，以為這樣學生就已經掌握了知識點。其實，我們更應如何回歸物理本質，讓學生學會根據概念去分析和解決問題。如何有效地培養學生良好的思維習慣是物理教學要解決的核心問題。

【關鍵詞】 思維習慣 解決問題的能力 能量流向圖

【中圖分類號】 G633.7

【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1992-7711（2020）02-156-020

皮亞杰的認知心理學理論告訴我們：個體發展的過程就是已有的圖式或認知結構不斷得到豐富和發展的過程。在使用各種工具實現能量轉化及轉移時都有效率的問題，而能量的形式是多樣的，但效率的定義是唯一的，應從效率的定義，了解各工具的工作過程，根據效率的定義，分析各種器件的效率。要突破這個難點，必須幫助學生分析問題、掌握規律，從而讓學生建立起解決效率類題目的基本思路和技巧。

一、目前初中《能量》復習課中教學存在的問題

物理學的任何規律都有其適用條件及范圍，沒有萬能的規則。老師在教學中想盡快讓學生記住一些概念，有時會讓學生記一些不是本質的東西，如“輸出機械能就是電動機，輸出電能就是發電機”。這句話原只適用于比較電動機與發電機，學生把它變成一個規律，看到輸出機械能就寫電動機。其實歸因就是學生還沒有掌握根據物理概念規律解決問題。學生正確掌握根據物理概念和規律解決問題的主要思維障礙主要來自于以下三方面：1、相關知識的干擾;2、概念規律不清;3、思維定勢的消極影響。所以老師在引導學生掌握利用物理概念規律解決問題的時候應該從上述三方面去入手。如在廣州中考考察了一道關于能量的題目，具體如下：

1.某機器的能量流向圖如圖1所示，據此推測該機器可能是

A.熱機

B.電動機

C.發電機

D.電熱水器

本道題的難度是0.57.訪談學生（包括一些成績比較好的學生）發現：做錯的學生中有一半是看到輸出有機械能就選擇電動機。這個屬于思維定勢的消極影響，學生做了大量類似的練習，但沒有提煉出規則，只知道背情景，思維定勢以為所有輸出機械能就是電動機，輸出電能就是發電機。解決這種問題應該先根據效率的定義，找出哪部分是輸出的有用功，哪部分是輸入的總功，然后再分析問題。因此，教師在復習中應重視對習題的歸納、分析和整理，教會學生先理解效率的概念再利用能量流向圖去分析，不僅僅是背情景。

二、調整教學策略，培養學生根據物理概念來解決問題的思維習慣

1.借助能量流向圖，正確理解效率的概念

物理概念的表述有三種方法：一是用語言文字表述;二是用數學公式表示;三是用圖像表現出來。本人認為，在能量復習模塊中，利用圖像表現物理的概念更有效。例如在計算各種效率題目的時候，學生可能馬上想到的就是代入公式進行計算，對于常見的情景可能問題不大，但對于新情景學生就無從下手了。我們應該借助能量流向圖，正確理解效率的概念。機械能、電能、內能、光能之間的轉化，對于一個系統來說，經過一個過程，初始能量等于系統末了的能量加上消耗的能量。什么叫效率？效率就是有用能量與總能量的比值。哪一個是總的能量？哪一個是我們需要得到的能量？還有哪些消耗的能量？這樣的引導等同于教會學生解這類題型的思維方法，在多次訓練后，學生慢慢會養成思維習慣，能提高學生的學科素養。以后遇到不同的情景也會自然而然地運用這思維習慣去解決問題。教師指導學生分析整個能量的轉化過程和轉化的方向，目的就是給學生一個清晰的邏輯線，學生有一清晰的邏輯線就可以串接各知識點，大大降低學生的學習難度，避免死記硬背。當學生懂得了效率的概念以及能量流向的規律后其實就已經掌握了正確的思維方式。

2.設計復習專題，引導學生通過物理概念來解決實際效率的問題

物理概念規律建立完之后，接下來主要問題需要解決是物理規律的運用，并構建相關的知識網絡，使能量相關的知識形成一個有機的整體。初中提到的與效率有關的大致有燈的發光效率、電熱類用電器的熱效率、電動機的效率和熱機的效率。教師可以先引導學生解決其中一個情況，其它的讓學生按照具體的思維去完成。以下以燈的發光效率為例子，介紹一下如何引導學生通過物理概念來解決實際效率的問題。

【創設情境】LED燈是一種新型的環保節能燈，小夢為了探究LED燈與家用普通白熾燈的發光效率，用額定功率相同的LED燈和普通白熾燈進行實驗，發現LED燈的亮度約為普通白熾燈的十倍。

【分析原因】兩燈正常工作相同時間，記錄如下數據：

從數據中可看出，白燈溫度上升幅度很大，而LED燈溫度變化不大，原因：

1.白熾燈正常工作時電能先轉化為? ? ? ? ? ? ? 能，這些能量絕大部分散失了，只有一小部分再轉化為? ? ? ? ? ? ?能，請完成下面能量流向圖。（箭頭的粗細表示能量的多少）：

其中，有用的能量是? ? ? ? ? ? ? ? ?能（E1），總能量是? ? ? ? ? ? ? 能（W總），則白熾燈的發光效率η=? ? ? ? ? ? ?（用給出的物理量符號表示）。

2.LED燈正常工作時電能絕大部分轉化為? ? ? ? ? ? ?能，只有少部分轉化為? ? ? ? ? ? ?能，用能量流向圖表示為：

其中，有用的能量是? ? ? ? ? ? ? ? ? 能（E2），總能量是? ? ? ? ? ? ? ? 能（W電），則白熾燈的發光效率η=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （用給出的物理量符號表示）。LED燈是發光二極管，它主要的制作材料是? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（選填“超導體”、“半導體”或“納米材料”）。

這兩道題是要解決為什么用額定功率相同的LED燈比普通白熾燈亮得多的問題。在設置問題的時候引導學生從效率的概念去思考問題。效率就是有用能量與總能量的比值。額定功率相同的兩盞燈在相同的時間內消耗的電能一樣，說明總的能量一樣。通過分析能量流向圖，學生很清楚的知道LED燈和白熾燈發光是由電能轉化成光能，但它們的亮度不一樣，說明最終轉化為光能（即有用的能量）不同，根據能量守恒定律可得主要就是因為散失了的內能不同。經過這樣的分析，學生已經清楚了整個能量流向的過程以及各個能量的大小關系，再結合效率的概念，這道題的問題就解決了。接下來再進行兩道典型的效率計算問題，考察一下學生是否能利用真正的理解效率并利用效率的概念去解決問題。

【典型題目訓練】

1.若一發光效率為90%的LED燈，工作時消耗了200J的電能，可獲得多少光能？

2.如果白熾燈工作消耗的電能為100J，其中轉化為光能為10J，散失的內能是多少？白熾燈的發光效率是多少？

第一題很簡單，但如果對效率的概念還不清楚的學生基本只會把200J乘以或除以90%，答對的幾率大概是一半。老師要問清楚做錯的學生是怎么分析的，而不應該只停留在對與錯。

老師可以引導他們分析問題：先從效率的概念入手，然后借助能量流向圖清楚哪些是輸入總能量，輸出能量有哪些，我們需要的能量是哪些。再結合這道題，200J的電能應該是屬于輸入的總的能量，我們需要獲得的是光能，但同時還有部分能量是損失的，簡單畫一下能量流向圖，發光效率為90%表示有用的光能占總能量的90%，這道題就解決了。第二題解決的辦法一樣，老師應該引導學生一步一步分析問題而不是看到題目就直接作答，沒有理清各個能量之間的關系，不清楚效率是哪個與哪個的比值是無法正確解決這種效率性的題目的。這樣就可以在習題中滲透物理思維方法的培養。學生每次遇到效率問題時，都能按照正確的思維過程走，久而久之，他們就能養成好的思維習慣了。

美國實用主義教育家杜威在《我們是怎樣思考經驗與教育》中說道：“學習就是學會思維，即教育在理智方向的任務是讓學生形成清醒的、細心的、透徹的思維習慣。”培養學生利用概念和規律去解決問題的思維習慣，是初中物理教學的主要任務。在光學教學中，教師應該教會學生如何利用光路圖解決光學問題;在力學教學中，教師應該教會學生如何利用受力分析解決力學問題。同樣的，在能量教學中，應該教會學生如何利用能量流向圖來分析效率的問題。良好的思維習慣是學生學好物理的一大重要基礎。

本文系廣州市花都區教育局教研室2019年度教育科研規劃學科課題《以課堂開口思維為抓手，培養初中生的物理思維能力》（課題編號：hdjysktwl001）的研究成果。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1]張憲魁，李曉林，陰瑞華.物理學方法論[M].浙江教育出版社，2007.

[2]蔡劍.創設物理情境歸引學習過程[J].物理教師2015（4）.

[3]R·M·加涅《學習的條件和教學論》華東師范大學出版社.