高中物理教學實踐中等效法顯化教育的策略

蔡夢璉 陳麗琴

摘 ? 要：等效法作為重要的科學思維方法，在課堂教學中顯化非常必要。通過深入挖掘和歸納整理教材中的等效法內容，在課堂上充分顯化等效法的教育，引導學生在物理概念建立和規律形成中學習等效法，在實驗探究中理解等效法，在習題解答中應用等效法，從而進一步開拓學生思維，落實物理學科核心素養。

關鍵詞：高中物理；等效法；顯化教育；策略

引言

隨著全面深化教育改革的推進，科學思維方法教育日益成為高中物理學科核心素養的重要組成部分，在落實立德樹人和培養核心素養方面發揮著積極作用。《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）明確指出物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任四個方面，其中科學方法屬于科學態度與責任中的科學本質，屬于對科學本身全面的、哲學性的基礎認識。課程標準提出的課程目標要求學生“能運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、找出規律、形成結論”[ 1 ]，把科學方法教育上升到學科本質的高度，充分體現了科學方法教育的重要性。科學方法分類較多，其中等效法是高中物理科學方法中一種重要的方法。本文以高中物理等效法顯化教育的策略為例分析科學方法顯性教育重要性。

等效法指在某種物理意義效果相同的前提下，復雜的實際問題變換為簡單的理想問題來研究的一種常用的科學思維方法。在物理教學中可以從以下策略對等效法進行顯化教育。

1 ?挖掘教材顯化等效法教育內容

盡管課程標準與教材編寫者已經認識到科學方法教育重要性，但是在具體落實在教材編寫上，科學方法教育顯化的力度依然不足。例如司南版高中物理教材僅顯化了理想模型法、比值定義法和控制變量法、圖像法等幾種常用的科學方法，卻隱性處理了其它常用的重要方法，例如等效法。以司南版高中物理教材必修一（2020版）為例，在“重力與重心”一節中定義重心為“可以認為重力集中作用在一個點上，我們把這個作用點是為重力的等效作用點，稱為物體的重心”[ 2 ]，雖然提到“等效作用法”，但沒有說明等效法的定義，不利于學生理解。教師要明確告訴學生應用等效法并介紹等效法概念。在“力的合成”一節中合力定義中強調合力可以等效代替幾個共點力，沒有明確指出這種方法為等效法并說明等效法的應用，也是等效法隱性處理，沒有顯化出來，不利于教師教學和學生學習。教師要明確提出合力與分力是等效替代，告訴學生合力的概念是用等效法建立的。因此，教師教學中，應采取等效法顯化教學，幫助學生形成清晰的科學思維方法認識和邏輯推理過程。

總之，教師在教學前要確定等效法教育的內容，并根據課程標準把教材中各個知識點所對應的科學方法顯化出來，整理出等效法所對應的知識內容（見表1），確定等效法顯化教育的內容。

2 ?在課堂教學中顯化等效法教育

教師明確等效法教學內容，精心準備教學設計，思考如何顯化知識點的等效法。在課堂教學中，主要通過以下三個方面開展等效法顯化教育。

2.1 ?在物理概念建立和規律形成的等效法顯化教育

物理概念和規律是物理現象、物理過程的概括化和抽象化的思維而建立形成的，在建立形成過程中所包含的許多科學方法，通過顯化，讓學生在學習物理概念規律的過程中領悟其中的科學方法，對提高學生的科學思維具有重要的意義。

物理概念建立和規律形成中開展等效法顯化教育可以分解為以下具體步驟。首先，確定開展等效法的知識點的教學目標。其次，在建立物理概念過程中開展等效法顯化教育。再次，在形成物理規律過程中開展等效法顯化教育。最后，在課堂小結中顯化科學方法。

以“科學探究：力的合成”為例，首先，確定教學目標為從力作用的等效性理解合力和分力的概念，知道力的合成遵循平行四邊形定則，在實驗探究力的平行四邊形定則中理解等效法。其次創設教學情境，提出教學問題。演示生活中提水桶現象，一個學生提一桶水，兩個學生提同一桶水，引導學生觀察并對水進行受力分析。通過桶的兩次受力分析建立合力、分力概念，要明確提出合力與分力是等效替代，告訴學生合力的概念是用等效法建立的。為了讓學生理解等效的實質，提出思考問題：誰等效誰，什么等效，等效的體現是什么，同時引導學生回憶重心概念的建立用了什么科學方法。教師給出兩把彈簧秤、一個鉤碼設計實驗研究合力和分力的定量關系。學生就會利用前面建立的物理模型進行實驗設計、定量研究。學生會把前面用到的等效法遷移到這里，設計出兩把彈簧秤提鉤碼，測出兩個互成角度力F1、F2大小與方向，用一把彈簧提鉤碼秤，測出力F，根據等效法F就是F1、F2合力。接下來就是研究F和F1、F2存在什么一種定量關系。力是矢量，要用力的圖示法記錄，通過觀察三邊，猜想假設為三角形或四邊形，通過實驗數據進行驗證，得出平行四邊形定則。由此可見在探究平行四邊形定則的過程中，再次應用等效法設計實驗方案。本節課中二次應用等效法，等效法的教育得到充分鞏固，對提升學生的科學思維具有重要意義。

2.2 ?在物理實驗中顯化等效法的教育

教師深入分析實驗中蘊含的科學方法，確定等效法的實驗。根據等效法教學內容的顯化分析，高中物理教材中含有等效法的學生實驗有“探究兩個互相角度的力的合成規律”“探究加速度與物體受力、物體質量關系”“驗證動量守恒定律”。在物理實驗教學中，教師從實驗原理、實驗儀器、實驗步驟、數據處理等方面顯化等效法的教育。

例如，在“探究加速度與物體受力、物體質量關系”實驗中，等效法隱藏在實驗原理、實驗步驟、數據處理中，具有隱蔽性強、不易覺察、容易被忽略的特點。

對此，首先，從實驗原理中顯化等效法。小車質量M， 盤和砝碼質量m。當M＞m時，可以近似認為繩子對小車的拉力大小等于盤和砝碼的重力（如圖1），在滿足一定條件下，用盤和砝碼的重力當作繩子力，體現了一種等效替代關系。

其次，在實驗步驟中顯化等效法。實驗前要調整長木板與水平桌面的夾角來平衡小車的摩擦力，輕推小車，當小車運動時紙帶上打的點是均勻分布，就說明小車勻速了，重力分力抵消摩擦力，等效與小車不受阻力，即應用了等效法。

再次，在數據處理中顯化等效法。本實驗用圖像法處理實驗數據，我們發現加速度a與小車質量成相反變化，為一條曲線，無法得到它們的函數關系，通過嘗試做出a-1/M圖像，獲得a-1/M線性關系，應用了曲改直法，也是等效替代法。

總之，教師要認真挖掘教材，剖析各種科學方法，明確告訴學生，讓學生體會科學方法在實驗探究中的應用。

2.3 ?在物理習題教學中顯化等效法教育

物理習題的求解中需要應用許多的科學方法，對提高學生的科學思維能力具有重要的意義。高中物理中用等效法解題的專題比較豐富，要歸納整理，如等效法在變力做功的巧用、“等效電源”的應用等。典型的用等效法解題的專題內容見表2。

下面以“等效法在電場中應用”為例，說明在物理習題教學中顯化等效法教育。

例題：如圖2一個質量為m，電荷量-q小球在場強E=水平向右的勻強電場空間中，小球從C點以v0水平速度向右拋出后經一段時間又回C點的正下方D點。求CD的距離。

分析：小球在受豎直向下的重力和水平方向的電場力作用，所以小球在電場中做曲線運動，把曲線運動沿兩個互相垂直的力方向進行分解，化曲為直，用勻變速直線運動規律就迎刃而解。

小結：等效適用條件為勻強電場且電場力與重力垂直，等效實質是運動過程等效，曲線運動過程與兩個勻變速直線運動過程等效。

等效法在電場中應用比較多，除了過程等效，還有力的作用等效。如帶電小球在勻強電場中受到的電場力為恒力，重力與電場力的合力也是恒力，這個合力可稱等效重力，可以認為小球只受等效重力作用，這樣就構建了一個新的重力場空間。用等效重力解決勻強電場中帶電體在豎直平面內做圓周運動的問題就輕而易舉。此外還有模型等效，點電荷與接地金屬板（原本不帶電）感應電荷的產生電場分布與等量異種電荷的電場分布正好一半相同，因此這兩種電場模型等效，用等量異種電荷的模型解決問題就顯得簡單。

習題課中要結合具體題目引導學生對等效法應用進行分類，不同的習題情境，等效的本質和內涵也會不同，讓學生知道等效可分為“作用上的等效、過程上的等效、模型上的等效”[ 3 ]、物理量上的等效等，進一步明確等效法的適用條件、理解等效法的本質與內涵。通過專題訓練，使學生靈活應用等效法，化繁為簡，化難為易，從而提高自己的科學思維能力。

3 ?結束語

等效法的顯化教育使學生對物理概念、規律的理解更加透徹，更好掌握物理知識，有效地提高解決問題的能力，落實了高中物理學科核心素養，有利于實現立德樹人的根本任務。因此，科學方法的顯化教育，對培養學生的科學思維能力和學科核心素養具有重要意義。在新的一輪課程改革中，高中物理教師要不斷強化科學方法顯化教育，為提升學生的科學思維水平和培養核心素養做出應有貢獻。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：5-6.

［2］ 司南中學物理教材編寫組.普通高中教科書 物理必修第一冊[M].山東：山東教育出版社，2020：70.

［3］ 邢紅軍.高中物理科學方法教育[M]. 北京：中國科學技術出版社，2015：140.