聚焦科學思維培養 提升物理解題能力

貴州 胡道成

科學思維是我國中學物理課程目標的重要組成部分，也是物理學科核心素養的核心?？茖W思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認知方式；是基于經驗事實構建物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑并進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格。新課程標準提出的“科學思維”包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新幾個方面。教師在高考命題以科學知識為載體，以科學思維為核心，因此聚焦科學思維能力的培養，是提高學生解題能力的關鍵。在高考備考復習中教師要充分開發知識內容與思想方法的雙重價值，為學生的思維發展創造一個最佳的情境，把思考和想象的空間留給學生，把認知和理解的過程留給學生，讓他們在獲取知識的同時訓練思維能力，有效提升學生的解題能力。

一、對“模型建構”思維的考查

物理模型是一種理想化的物理形態，將復雜的實際情境抽象為理想模型是研究物理問題的基本方法，這個過程就是“模型構建”，需要利用抽象化、理想化、簡化、類比等方法把研究對象的物理學本質突顯出來，形成概念或實物體系，即為解題所需要的物理模型。建構模型是一種重要的科學思維方法，教學過程中要讓學生體會建構物理模型的思維方法，理解物理模型的適用條件，能通過建構模型來研究問題。從本質上說，分析物理問題的過程就是將研究對象或過程加以合理地簡化，突出主要因素，忽略次要因素，從而構建物理模型。通過分析、判斷、比較等思維得出一幅清晰的物理圖景，把陌生問題通過類比轉化成熟悉的常規物理模型，是解決物理問題的關鍵。

【例1】(人教版3-2補充習題)如圖1所示，在操場上，兩同學相距L=10 m左右，在東偏北、西偏南11°的沿垂直于地磁場方向的兩個位置上，面對面將一并聯銅芯雙絞線，像甩跳繩一樣搖動，并將線的兩端分別接在靈敏電流表上。雙絞線并聯后的電阻R為2 Ω，繩搖動的頻率配合節拍器的節奏，保持f=2 Hz。如果某同學搖動繩子的最大圓半徑h=1 m，電流表的最大值I=3 mA。

圖1

(1)試估算地磁場磁感應強度的數量級并寫出B的數學表達式。(用R,I,L,f,h等已知量表示)

(2)將兩人的位置改為與剛才方向垂直的兩點上，那么電流表的讀數是多少？

【分析與解答】(1)想象我們站到兩個同學站立的直線上某同學的后面一定距離處，當兩個同學搖動雙絞線時，我們可以近似地認為他們正在讓一根長度為L的直導線做最大圓半徑為h的圓周運動，得到如圖2所示的模型。

圖2

(2)將兩人的位置改為與剛才方向垂直時，搖動一周穿過回路的磁通量的變化量為零，電流表的示數為零。

【點評】題目以搖繩發電為背景素材，考查學生的模型建構能力(圓周運動模型)，解題的關鍵在于將雙絞線抽象、簡化后視為一根長直導線，通過從同學背后去觀察而想象出長直導線在做圓周運動。解決問題的過程，實際上就是還原命題者設置的物理模型的過程，抓住了“模型建構”這個關鍵，也就把握了問題的實質。在備考復習中我們講解習題時要注重把知識的來龍去脈及整體邏輯思維過程留給學生去探尋，提升學生認識理解能力與遷移應用能力，理清知識的“生長點”和“延伸點”，才能通過想象和類比來“建立模型”。

涉及建立物理模型的試題本身充滿了“創新性”，可以肯定這種命題方式在未來會得到繼承和發揚。復習階段要把斜面模型、傳送帶模型、子彈打木塊模型、板塊模型、圓周運動類模型、平拋運動類模型、運動的合成與分解模型、楞次定律模型、電磁感應中的最終穩態模型等讓學生熟悉化，樹立模型意識，增強模型識別與遷移應用能力，為迅速解決問題提供保障。

二、對“科學推理”思維的考查

科學推理是人們思維活動的過程，是根據一個或幾個已知的判斷及對已有的知識和經驗，在某種情境和過程中推出可能性結論的思維過程。物理學中關于模型的構建，需要學生根據已有的事實，經過觀察、猜想、比較后，再進行歸納、類比、估算等思維活動，從而得出結論的過程。它不是完全憑空想象，而是根據一定的知識和方法作出探索性的判斷。選擇題是考查學生科學推理能力較為常見的命題形式，在備考復習中教會學生去經歷基于證據的、嚴密的邏輯推理是一個值得推崇的復習策略。

【例2】(2019年全國卷Ⅰ15題)如圖3所示，空間存在一方向水平向右的勻強電場，兩個帶電小球P和Q用相同的絕緣細繩懸掛在水平天花板下，兩細繩都恰好與天花板垂直，則

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圖3

A.P和Q都帶正電荷

B.P和Q都帶負電荷

C.P帶正電荷，Q帶負電荷

D.P帶負電荷，Q帶正電荷

【分析與解答】由于兩個帶電小球之間一定存在庫侖力的作用，同時也因為它們處于重力場和勻強電場中而必然要受到重力和電場力的作用。一旦選擇單個小球為研究對象就難以找到突破口，轉而把兩個小球視為一個整體，則它們之間的相互作用力屬于內力，可暫且不計。對P、Q整體而言，因為兩細繩都恰好與天花板垂直，足以說明在水平方向上整體所受的電場力必然為零，根據F=qE可推知總電荷量q必為零，這只能是P、Q帶有等量異種電荷，選項AB錯誤；然后隔離出P小球進行受力分析，假設P帶正電荷，則Q帶負電荷，這樣勻強電場和電荷Q對它的作用力方向都向右，絕緣細繩不可能與天花板垂直，所以只能是P帶負電荷Q帶正電荷，選項C錯誤，D正確。

【點評】試題以帶電小球在勻強電場中的受力平衡為背景，考查學生對電場力、庫侖定律、平衡條件、牛頓第三定律及受力分析的掌握情況，真正的難點在于能恰當使用整體法和隔離法，對兩個小球的帶電情況需要進行假設、推理、討論。備考復習中教師要強化學生的證據意識、重視培養學生在分析論證過程中遵循嚴密的邏輯推理思路，抓住基本的物理知識，在“識記、理解、應用”的基礎上，達到“分析、綜合”的思維層次，從而得出可靠的結論。

三、對“科學論證”思維的考查

科學論證是面向未確定的科學問題，通過社會性的協作過程，為自己的觀點提供支持，并批駁相應的觀點，以解決問題并獲取知識的活動。物理解題過程中的科學論證能力，是個體面對具體的物理現象或問題時，根據物質觀、能量觀、相互作用觀及相應的物理概念、規律、原理等物理知識，通過嚴密的科學推理而得出自己結論的過程。教師通過有目的、有計劃地引導學生進行模型識別，根據物理規律結合物理方法列出相應的表達式、進行正確的計算等科學論證可以提升學生的解題能力。教師要有意識地引導學生經歷一個自主參與、將物理知識與思想方法內化、領悟后對所學知識進行歸納、整理并進行遷移運用的過程。

【例3】(2019年江蘇高考第8題)如圖4所示，輕質彈簧的左端固定，并處于自然狀態。小物塊的質量為m，從A點向左沿水平地面運動，壓縮彈簧后被彈回，運動到A點恰好靜止。物塊向左運動的最大距離為s，與地面間的動摩擦因數為μ，重力加速度為g，彈簧未超出彈性限度。在上述過程中

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圖4

A.彈簧的最大彈力為μmg

B.物塊克服摩擦力做的功為2μmgs

C.彈簧的最大彈性勢能為μmgs

【點評】本題考查受力分析、論證能力，涉及功的計算和能量守恒定律、動能定理的應用，體現了考查核心素養的“能量觀念”要求，意在考查學生的理解能力與科學論證能力。備考復習中教師要注意引導學生針對物理情境分析清具體的運動過程及其滿足的基本規律，在“過程剖析”前后階段速度關系”上認真分析，充分利用“能量觀念、相互作用觀念”及具體的物理概念、規律作為推理論證及列式進行求解。

四、對“質疑創新”思維的考查

質疑創新是運用創新思維綜合已有的研究成果和證據對他人的結論提出否定意見，提出新觀念、發現新規律，建立新理論模型的過程。高中物理概念的形成、規律的發現都蘊含著物理創新思維的成分，對于培養學生的創新思維具有重要價值。在核心素養背景下，高考題有意考查學生質疑創新能力的意圖已初見端倪，值得備考復習時予以足夠的關注。

【例4】(2019年北京卷21題節選)(1)伽利略曾研究過平拋運動，他推斷：從同一炮臺水平發射的炮彈，如果不受空氣阻力，不論它們能射多遠，在空中飛行的時間都一樣。這實際上揭示了平拋物體________。

A.在水平方向上做勻速直線運動

B.在豎直方向上做自由落體運動

C.在下落過程中機械能守恒

(2)牛頓設想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點就一次比一次遠，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛星。同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會從做平拋運動逐漸變為做圓周運動，請分析原因。

對于(2)小題，結合實際情境，物體初速度較小時，其運動范圍很小，我們是站在“地面”上來研究問題的，實際上我們的視域是基于地面而把它視為一個只在重力作用下、以某個初速度水平拋出的物體來看待的，也就粗略地認為地球引力是個恒力——重力(實際上地球引力與重力并不相同)，這就滿足了課本中所說的“只在重力作用下，初速度沿水平方向的運動——平拋運動”，但隨著物體初速度的增大，運動范圍將會變得越來越大，在“地面”上的問題也就變成了在“地球”上的問題，地球對物體的引力便不能看作方向豎直向下的恒力；當物體初速度達到第一宇宙速度時，物體將繞地球做圓周運動而成為人造地球衛星。

【點評】這種意在考查學生質疑創新能力的問題往往需要學生對物理概念、規律、原理的由來非常清楚，而且要求學生具有獨立思考意識、能夠基于充足的證據下提出不同的見解，擁有深厚的物理學知識的同學才能順利作答。可以預見，許多實驗題會從“質疑創新”能力要求方面來命題，在教學過程中，教師應注重引導學生深刻理解和熟悉各種基本概念和基本規律，認真分析題目所給的問題情境及物理現象，然后以理論和事實為依據，一步步的進行邏輯推理和論證，闡釋自己充足的理由。當然，教會學生表達也至關重要，許多學生大致知道理由，但不能用物理語言來作出準確的表達，需要教師平時注意培養學生使用物理概念、規律、原理的物理語言表達能力。

總之，只有學生的科學思維能力得到實質性提高，懂得怎樣去尋找解決問題的方法，才能使解題的思維活動得到應有的改善和更新，才能獨立地解決更多的新問題。教師培養學生的科學思維能力要從思維的深刻性、廣闊性、獨立性、靈活性和邏輯性等方面著手，要以具體題目為載體，引導學生在深刻理解物理基本概念和規律的基礎上，準確提取解題所需信息，明晰物理過程，增強建模意識，學會獨立思考，自覺運用物理思想方法，善于使用證據實現符合邏輯思維的推理、論證和列式計算，在實踐中提升自己的科學思維能力，才能適應核心素養背景下的新高考。