學會思維:賦能物理高考關鍵能力

王 高

(江蘇第二師范學院,江蘇 南京 210013)

古人云:善學者,師逸而功倍;不善學者,師勞而功半.新時代物理教師教學中落地核心素養,不僅要幫助學生“學會”知識和方法,更要促進學生“會學”,就是說要學生學會思考,成為“思考能人”,以充分發展智能,培養關鍵能力.

物理高考關鍵能力包括:理解能力、推理論證能力、模型建構能力、實驗探究能力和創新能力.仔細分析可以發現:理解能力與“物理觀念”緊密相關,是物理概念、規律的深度理解與遷移應用;推理論證能力是“科學推理、科學論證”在問題解決中的綜合體現;模型建構能力是在“模型建構”的基礎上形成的重要思維能力;創新能力是以“質疑創新”為基礎的高階思維能力;實驗探究能力是物理實驗與科學探究深度整合的實踐思維能力,如圖1所示.可見,物理高考關鍵能力與學科核心素養的價值指向是一致的,其中科學思維是關鍵能力的核心.

圖1 物理核心素養與高考關鍵能力之間的關系

新時代的物理教學要求以核心素養為目標,而高考聚焦關鍵能力考查、突出思維品質與創新精神.對于學生而言,提高高考關鍵能力是最重要的任務.《禮記·中庸》中描述的求知過程是:博學之,審問之,慎思之,明辨之,篤行之.審問、慎思、明辨、篤行的核心是學會思維,學會思維賦能物理高考關鍵能力.

1 學會審問,激活思維

杜威指出:思維是從直接經驗的情境中產生的,思維的目的和結果都是由產生思維的情境決定的.情境是激發學生思維的載體,物理知識的生成與應用都是基于真實情境的.教師要訓練學生從試題情境審問、思考、分析中,抓住情境背后的物理本質,清晰其中蘊含的物理原理,并與已知的、熟悉的物理試題形成良好的鏈接.增強學以致用和活學活用的力度,培養學生分析解決實際問題的能力,實現從“解題”到“解決問題”的轉變.

例1.(2023年江蘇高考第10題) 達·芬奇的手稿中描述了這樣一個實驗:一個罐子在空中沿水平直線向右做勻加速運動,沿途連續漏出沙子.若不計空氣阻力,則圖2中能反映空中沙子排列的幾何圖形是

圖2 空中沙子排列情況

解析:達·芬奇的實驗創設了一個真實的問題情境,但學生熟悉的是某一物體在一段時間內的位置分布,即軌跡,而題中問的是同一時刻空中沙子排列的幾何形狀,比較陌生.教師可引導學生從熟悉的運動情境飛機水平勻速飛行時投彈情況(如圖3)入手,進而思考當飛機水平勻加速飛行時

圖3 飛機勻速飛行投彈

投彈情況(如圖4):沿水平方向向右做勻加速運動,豎直方向做自由落體運動,則水平方向位移增加量與豎直方向位移增加量比值一定,連線的傾角是一定的,答案為(D).這里就是模型遷移的思維方法應用,提升了學生理解能力、模型建構能力和推理論證能力.

圖4 飛機勻加速飛行投彈

2 學會慎思,進階思維

思維或思考不僅是一種能力,也是一種超越知識的價值取向.思維方法好似一只“看不見的手”,始終“牽引”著學生的物理學習.挖掘和應用思維方法可以解決“怎么做”的問題.培養綜合批判性思維、創造性思維和解決問題的能力,所以,教師的使命在于有意識地滲透思維方法并智慧地應用,幫助學生解題悟道,啟智增慧,在面對真實、陌生的問題解決中得心應手.

例2.(2022年全國高考甲卷第21題)地面上方某區域存在方向水平向右的勻強電場,將一帶正電荷的小球自電場中Р點水平向左射出.小球所受的重力和電場力的大小相等,重力勢能和電勢能的零點均取在Р點(如圖5).則射出后

圖5 小球在電場中運動

(A) 小球的動能最小時,其電勢能最大.

(B) 小球的動能等于初始動能時,其電勢能最大.

(C) 小球速度的水平分量和豎直分量大小相等時,其動能最大.

(D) 從射出時刻到小球速度的水平分量為零時,重力做的功等于小球電勢能的增加量.

解析:題中對于小球的運動需要學生分析題意構建出運動模型——類斜拋運動模型,再利用模型遵從的規律推理分析,進而實現問題的解決,培養學生的模型建構能力、推理論證能力.

帶電小球受到水平向右的電場力和豎直向下的重力作用,如圖6所示,且Eq=mg.故等效重力G′的方向與水平方向成45°.

圖6 小球在電場中的受力分析圖

當vy=0時速度最小為vmin=v1,由于此時v1存在水平分量,電場力還可以做負功,故此時電勢能不是最大,故(A)錯誤.

當速度為v1時,速度水平分量與豎直分量相等,動能最小,故選項(C)錯誤.

教學中教師應從“授魚—授漁—學漁”轉變,學漁就是學會思維,善于靈活選用思維方法(如本題中的轉化法)分析、解決問題,實現了從知識立意走向關鍵能力立意的轉變,實現從低階思維向高階思維的進階.

3 學會辨析,理性思維

學會思維的重要作用是提高人的理性精神,具有理性精神的人一般不會盲目跟著感覺走,遇事會多問幾個為什么,努力透過現象看清本質,既不盲從,也不迷信權威,堅信讓實驗說話、邏輯思維、推理有據的理性精神.讓學生從自然狀態的思考走向善于思考、科學思考,能根據已有的事實質疑、推理、論證和解釋,使理性思維成為一種習慣.杜威說過,教育在理智方面的任務是形成清醒的、細心的、透徹的思維習慣.

例3.(2019年北京高考第21題)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.

解析:平拋運動與勻速圓周運動模型學生都很熟悉,但是對于它們之間的聯系與區別缺少深度思考,認識不夠清晰,本題將兩種模型置于熟悉的“牛頓大炮”情境中,考查學生的理解能力、模型建構能力、推理論證能力和創新能力.

水平拋出物體的初速度較小時,運動距離很小,引力可以視為恒力——重力,此時物體做平拋運動;隨著拋出的初速度增大,運動空間范圍變大,引力不能再看作恒力了;當物體初速度達到第一宇宙速度時,則做圓周運動而成為地球衛星,此時的引力提供物體做圓周運動的向心力——方向時刻在變化.

分析中關鍵是要領悟兩種變化.

量變:速度增大——萬有引力從恒力(重力)變為變力(提供向心力).

質變:運動性質變化——從平拋運動(勻變速曲線運動)變為勻速圓周運動(變加速曲線運動).

這里,物理問題解決中運用了辯證思維,能進一步加深學生的理解.

我們再來研究勻速圓周運動向心加速度公式推導的另一種思路,如圖7所示.

圖7 勻速圓周運動分析圖

對于平拋運動取一個很短時間Δt,則有

x=vΔt.

平拋運動與勻速圓周運動是不同性質的運動,但在一定條件下(極短時間內)又是統一的,我們要學會應用聯系的觀點去分析、解決問題.

在培養學生理性思維時,可以按照《論語》中的“勿意、勿必、勿固、勿我”來要求.勿意——做事不能憑空猜測主觀臆斷,一切以事實證據為依據.勿必——對事物不能絕對肯定或否定,要有辯證思維.勿固——不能拘泥固執,要靈活善變.勿我——不要自以為是,要善于理性思考.

例4.(2022年上海高考第6題)運動員滑雪時運動軌跡如圖8所示,已知該運動員滑行的速率保持不變,角速度為ω,向心加速度為a,則

圖8 運動員滑雪軌跡

(A)ω變小,a變小.

(B)ω變小,a變大.

(C)ω變大,a變小.

(D)ω變大,a變大.

解析:由題意可知,運動員滑行的速率不變,做勻速率曲線運動,軌跡很像螺旋線,不是學生熟悉的圓周運動,給學生的分析帶來一定的困難.需要突破思維,構建出合理的物理模型,考查學生模型建構能力、推理論證能力和創新能力.

從運動員短時間運動來看,軌跡接近圓弧,可近似為圓周的一部分,所以,運動員的運動在短時間內可視為勻速圓周運動.

根據v=ωr可知,r減小,角速度ω增大;根據向心加速度公式a=v2/r可知,r減小,向心加速度變大,選項(D)正確.

通過微元法分析運動員的運動,發現在短時間內運動員的運動可視為勻速圓周運動,進而建構了勻速圓周運動模型.將運動員的運動視為勻速圓周運動需要大膽質疑,是思路可行的.

教師通過營造思維場,引發學生思維需求,通過深度學習、質疑反思等方式,鼓勵學生大膽質疑,培養批判精神和創造性思維,提高分析問題和解決問題的能力.

4 學會遷移,升華思維

學會思維不僅要強化思維內涵的理解,還要在遷移應用中培養創新精神和實踐能力,不斷升華思維,實現學科育人的價值.

例5.(2016年全國高考新課標卷第16題)一含有理想變壓器的電路如圖9所示,圖中電阻R1、R2和R3的阻值分別為3 Ω、1 Ω、4 Ω,A為理想交流電流表,U為正弦交流電壓源,輸出電壓的有效值恒定.當開關S斷開時,電流表的示數為I;當S閉合時,電流表的示數為4I.求該變壓器原、副線圈匝數比.

圖9 理想變壓器電路

解法1:解析法.

圖10 S斷開時電路

圖11 S閉合時電路

解法2:等效電阻法.

將變壓器和負載等效為一個電阻R′,如圖12所示.

依據題意有

高考關鍵能力是核心素養的價值體現,真實情境是關鍵能力考查的載體,教師通過情境設計,讓學生思維放飛,在思考、應用、遷移中學會思維,提高物理關鍵能力.