基于高中物理大概念教學下的解題能力思考

沈金賢

(福建省詔安第一中學,福建 漳州 363500)

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》第一次明確地提出將以學科大概念為核心,要讓課程的內容結構化,強調了大概念教學理念的重要性[1].與傳統的教學方式不同,大概念教學以一種整體性的方式呈現知識,幫助學生將零散的知識點整合為一個完整的概念框架.這樣有助于學生更好地理解和記憶知識,提高學習效果[2].本文將結合具體實例,對高中物理大概念教學下的解題能力培養作一定的實踐探析.

1 大概念的涵義

大概念旨在幫助學生建立起對某個學科或領域的整體框架和基本概念的理解,讓學生掌握知識的內在邏輯和相互關系.它不僅注重學生對具體知識點的掌握,更重要的是培養學生的綜合思考能力和批判性思維能力.對解決目前知識點繁多、學習無效等問題具有一定的促進作用.

2 大概念與解題

在對題目進行求解時,要深入挖掘知識的內涵,逐步把握知識的內部結構,掌握知識的本質,形成一個以大概念統領下的知識框架網,只有這樣,學生才能將零散的知識點匯集到大概念思想中,才能夠做到舉一反三,提升自己的解題能力.高中物理的大概念有物質觀、運動與相互作用觀、能量觀三個主要條目,下面結合實例具體分析大概念對學生解題思維的影響.

2.1 “物質觀”解題研究

例1現有兩根足夠長的直導線按圖1所示放在同一平面上.已知EO與O′Q在一條水平線上,OF與PO′在同一條水平線上,且兩根導線相互絕緣.兩根導線通有大小相等的電流I,其方向如圖所示.若一根無限長直導線通過電流I時,所產生的磁場在距離導線d處的磁感應強度大小為B,則圖中與導線距離均為d的M點和N點處的磁感應強度大小分別為 ( ).

圖1 導線示意圖

A.B、0 B.0、2B C.2B、2B D.B、B

分析該題隸屬于“物質觀”大概念下的“磁場”,考查學生對磁場疊加的知識點.根據安培定則,兩根導線在M處的磁感應強度方向分別為垂直紙面向里和垂直紙面向外,所以M處的磁感應強度為零;同理,兩根導線在N處的磁感應強度方向均垂直紙面向里,所以M處的磁感應強度為2B.B選項正確.

思考物質觀是物理學研究的基礎,通過研究物質的基本特性、結構和變化等方面,可以更好地理解物質的本質和性質.通過磁場的講解,將其融入物質觀的整體概念中.讓學生對電荷的概念、正負電荷、電場、磁場、電磁場、電磁波及原子、質子與中子等各種與物質觀相關的具體知識進行整合學習,掌握物質觀的大概念知識框架.類比了解場與場之間,物質與物質之間的聯系.在遷移、反思與概括中形成物質觀的解題思路,培養學生解決物理問題的能力.

2.2 “運動與相互作用”解題研究

例2如圖2所示,一滑雪道由AB和BC兩段滑道組成,其中AB段傾角為θ,BC段水平,AB段和BC段由一小段光滑圓弧連接,一個質量為2 kg的背包在滑道頂端A處由靜止滑下,若1 s后質量為48 kg的滑雪者從頂端以1.5 m/s的初速度、3 m/s2的加速度勻加速追趕,恰好在坡底光滑圓弧的水平處追上背包并立即將其拎起,背包與滑道的動摩擦因數為μ=1/12,重力加速度取g=10 m/s2,sinθ=7/25,cosθ=24/25,忽略空氣阻力及拎包過程中滑雪者與背包的重心變化,求:

圖2 滑雪道滑道示意圖

(1)滑道AB段的長度;

(2)滑雪者拎起背包時這一瞬間的速度.

分析該題考查“運動與相互作用”大概念中的“直線運動”.(1)設斜面長度為L,在斜面上滑行的加速度為a1,背包質量為m1.已知m1=2 kg.首先對背包在斜面上時進行受力分析,其受到重力、支持力和斜面對其的摩擦力.由牛頓第二定律有:m1gsinθ-μm1gcosθ=m1a1.求解得,背包在斜面上的加速度為2 m/s2.設滑雪者質量為m2,初速度為v0,在斜面上滑行的加速度為a2,滑行時間為t,落后時間為t0.已知m2=48 kg,v0=1.5 m/s,a2=3 m/s2,t=1 s.根據運動學公式可知,L=1/2a1(t+t0)2,L=v0t+1/2a2t2,兩方程聯立得,t=2 s或者t=-1 s.因為時間不可能為負數,所以t=2 s.則滑道AB的長度L=9 m.(2)假設背包和滑雪者到達水平軌道時的速度分別為v1和v2,根據運動學公式有,v1=a1(t+t0)=6 m/s,v2=v0+a2t=7.5 m/s.當滑雪者拎起背包時的瞬間,系統在光滑水平上外力為0,動量是守恒的,設兩者的共同速度為v.有,m1v1+m2v2=(m1+m2)v,求解得到瞬時速度為7.44 m/s.

思考運動與相互作用是高中物理重要的一個大概念,其可劃分為諸多層級概念,包括牛頓運動定律、直線運動、圓周運動、力的合成與分解等,涉及的物理方法有整體法、隔離法、圖像法等.該例題屬于“運動與相互作用”大概念下的“直線運動”范疇.在教學過程中,教師要充分發揮自身的引導作用,基于概念圖來歸納總結物理知識點.突破學習重難點,提升學生的解題能力.

2.3 “能量觀”解題研究

如圖3所示,有一水平傳送帶以4 m/s的速度逆時針勻速轉動.A點和B點位于傳送帶兩輪圓心的正上方且AB=L1=2 m.左右兩邊各有一水平面,均與傳送帶的上表面無縫對接,右端固定一個彈簧,當彈簧處于自然長度時,左端恰好位于B點.現將一個質量為2 kg的小物塊與彈簧接觸,不進行栓接,并將其壓至圖3所示位置后由靜止釋放.已知小物塊與各接觸面間的動摩擦因數均為0.2,AP=L2=1 m,小物塊與軌道左端擋板P碰撞后按照原速率反彈,小物塊剛好返回到B點時速度減為零,取g=10 m/s2,則下列說法正確的是( ).

圖3 傳送帶及對接水平面示意圖

B.小物塊從B到A運動過程中,一定是先加速后勻速

C.剛開始時,彈簧和小物塊組成的系統具有的彈性勢能Ep滿足8 J≤Ep≤24 J

D.小物塊對傳送帶做功的絕對值與傳送帶對小物塊做功的絕對值一定相等

思考在物理學中,能量觀是指對能量的認識、理解和應用的觀點和思維方式.能量觀是物理學中的核心概念之一,貫穿物理學科各個領域的學習和研究中.能量大概念下,其涵蓋著功能關系、能量守恒、電荷守恒、恒定電流和焦耳定律諸多模塊.根據個體學習情況的不同,學生對能量觀的理解也停留在不同的層面上.一些學生目前對能量觀僅僅有一些初步理解,能夠知道能量是物體或系統所具有的能力或性質,能夠轉化和傳遞.他們能夠簡單地描述能量守恒和轉化規律,例如能量在機械運動中的轉化和損失,但對于復雜的物理情境,他們并不能很好地掌握.另一些學生可能對能量觀存在一些困惑和誤解.他們可能會混淆能量和力的概念,或者錯誤地認為能量是物質的屬性,他們還可能對能量轉化和守恒的具體過程和原理缺乏清晰的理解.還有一些學生可能只能在特定的情境下理解能量觀,而在其他情境下難以將其應用或理解.他們可能只能理解某些特定的能量轉化過程,而對其他類型的能量轉化缺乏理解.教師在講解過程中,要注重培養學生的能量觀,強調自然界中存在著多種形式的能,能量之間可以相互轉移和轉化,且在轉移和轉化中總量仍然保持不變.可以以一道例題引申出多個能量變化與守恒的情景,跳出試題本身,進行整體大概念框架的講解,讓學生具有綜合的能量觀理解和應用能力,能夠通過能量守恒和轉化的原理解釋和分析各種物理現象,能夠運用能量觀解決復雜的物理問題.

3 結束語

本文旨在探討基于高中物理大概念教學下如何提升學生的解題能力.首先,高中物理大概念教學可以為學生提供堅實的理論基礎和概念理解,為其解題能力的培養奠定基礎;其次,基于高中物理大概念教學的解題能力培養更為注重知識的理解和分析,有利于良好學習習慣的形成.在教學過程中,教師應通過合理的教學方法和策略,將大概念思維貫穿學生的學習中,從而激發學生對解題能力的思考.