盧義剛

(江蘇省南京市金陵中學龍湖分校,江蘇 南京 211500)

引子:(某市2019年中考試題)利用圖1所示甲、乙裝置(燃燒皿內(nèi)燃料和燒杯內(nèi)液體未畫出),既可以比較不同液體的比熱容,又可以比較不同燃料的熱值.要求僅根據(jù)溫度計示數(shù)的變化完成實驗,則兩個實驗都需要控制相同的

圖1

(A) 液體種類. (B) 燃料種類.

(C) 液體質(zhì)量. (D) 燃料質(zhì)量.

這是一道中考原創(chuàng)題,命題的思想來自于教材中相似實驗的比較.圖示的裝置安排非常巧妙,采用同一套器材,可以考查學生對熱學兩個相似實驗設計環(huán)節(jié)的認知和相關思想方法的厘清.當燃燒皿中放入相同燃料,燒杯中放入不同液體,就可以完成“探究不同物質(zhì)吸熱升溫現(xiàn)象”的實驗,實現(xiàn)“比較不同液體的比熱容”;若在燃燒皿中放入不同燃料,燒杯中放入同種液體,則可以完成“比較質(zhì)量相等的不同燃料燃燒時放出的熱量”的實驗,實現(xiàn)“比較不同燃料的熱值”.結(jié)合題意可知:兩個實驗都需要控制相同的液體質(zhì)量,即答案選C.

1 考試結(jié)果分析與思考

經(jīng)中考閱卷后數(shù)據(jù)統(tǒng)計,選擇正確答案C的比例為52%,選擇A的比例為12%,選擇B的比例為10%,選擇D的比例為26%.這樣的結(jié)果與此題是“C”等級的命題難度是相匹配的(該等級得分率為50%～70%).

考生選擇答案A或B的錯因分析:實驗目的不明,即沒有真正理解“比較不同液體的比熱容”(或比較不同燃料的熱值)中就已隱含要求液體的種類(燃料的種類)不同;進一步分析可知,由于平時學習中對實驗目的的不明確,造成對相似實驗的比較與認知就更為“貧瘠”了.

考生選擇D的錯因分析:對“比較不同液體的比熱容”中的吸收熱量相同是采用“相同的熱源,通過控制相同的加熱時間來實現(xiàn)”的不理解.究其根本原因是他們在平時學習中,只注重對某個實驗或某個知識點的學習,而缺乏實驗與實驗之間的綜合比較,從而形成“相似”認知上的狹隘性,在遇到類似的原創(chuàng)題時,就缺乏了明辨的“關鍵能力”.

從錯誤率48%可透視出初中學生在物理學習時的“比較”意識較為淡薄,對相似實驗的“比較”認識還不夠充分;其終極原因在于初中物理教師在教學中對“比較”思想教育的不重視,相關的滲透不夠深入,從而造成學生的相應思維能力未能上升到更高層次.以下結(jié)合教學實踐,淺析在初中物理教學中如何滲透“比較”思想,以促進學生思維能力的提升.

2 比較思想在初中物理教學中的重要性

在義務教育階段,完整的物理教育主要包括物理知識、物理方法、物理思想、物理觀念和物理精神教育.若把物理教育比作大樹,則物理知識和方法是樹葉和樹枝,物理思想是樹干,物理觀念和物理精神則是樹根,它們彼此之間相輔相成,共生共長.物理思想的形成源于物理知識和方法,是對物理知識和方法的總結(jié)、提煉與內(nèi)化,即教師在完成物理知識和方法教學的基礎上,指導學生對物理知識和方法進行進一步總結(jié)提煉,內(nèi)化為物理思想,實現(xiàn)會從物理學科的角度來思考問題,進而由原來的知識方法層面提升至物理觀念和物理精神的境界.[1]故物理思想教育是學生形成物理觀念和物理精神的重要途徑.當然,我們要厘清物理思想和物理思維的關系,通俗說“物理思維”是“想”,即“想的過程”;而“物理思想”則是“想的內(nèi)容”;它們彼此間互聯(lián)互通,互相促進.

物理思想一般包括“比較、守恒、轉(zhuǎn)化、可逆、等效、假設、對稱、相對性”等思想,其中“比較思想”在初中物理教學中應用極為廣泛.[2]比較是確定事物之間差異點和共同點的一種抽象思維方法.[3]學生通過比較,可以找出不同學段概念或規(guī)律的表述、內(nèi)涵、外延等方面的共同點和差異,從而更好地了解自己對概念或規(guī)律的認識發(fā)展過程,并深化對概念或規(guī)律的理解.

3 初中物理教學中滲透比較思想的實施路徑

3.1 建立物理概念，滲透比較思想

蘇科版物理八(上)教材中,針對速度概念建立的教學,借助了“比較紙錐下落的快慢” 的活動,先讓兩個錐角不同的紙錐從同一高度同時釋放,在比較中總結(jié)出比較紙錐運動快慢的兩種方法,即相同時間比路程和相同路程比時間,得出影響物體運動快慢的兩個因素——運動路程和運動時間,總結(jié)出要比較運動快慢,則需控制兩個因素中某一因素相同,將運動快慢的比較轉(zhuǎn)化為另一個可觀察或可測量的量的比較;然后提出“若兩個紙錐從不同高度同時釋放,怎樣去比較它們的運動快慢”新問題?因此時影響物體運動快慢的兩個因素均不同,則利用前面的比較方法均行不通,最終想到只有讓兩個影響因素進行“比值”,方可以實現(xiàn)控制在分母的那個量相同,從而實現(xiàn)將運動快慢的比較轉(zhuǎn)化為在分子的那個量的比較,即引出s/t或t/s的兩種比值方式,再結(jié)合人的習慣認知,最終實現(xiàn)對速度概念的建立.[4]因有了速度概念的建立基礎,故在后續(xù)相似的概念建立中,只要及時滲透比較思想,一切將會顯得非常簡單、簡潔,不再繁瑣.

如蘇科版物理八(下)教材中壓強概念的建立,《課標》對此概念的教學要求是達到“理解”層面,故既是教學重點,又是教學難點.那么,教學中應采取何種方法進行有效突破來幫助學生建構(gòu)此概念呢?滲透比較思想,當是最佳選擇.教學中通過“探究影響壓力作用效果的因素”活動,得出對于相同材料的受壓面,影響壓力作用效果有兩個因素——壓力和受力面積,同時總結(jié)出比較壓力作用效果的兩種方法,即相同受力面積下比壓力和相同壓力下比受力面積;然后提出若壓力和受力面積均不同,怎樣去比較壓力作用效果的大小?到此時,教師只要及時引導學生將此情景與速度進行比較,學生定會很快聯(lián)想到應用F/S或S/F進行比較,最終順理成章地自我總結(jié)出壓強的概念和定義式,所有的困難必將迎刃而解,所有的認知達成必將水到渠成.這不僅實現(xiàn)了重難點的突破,也提升了學生的思維遷移能力.

3.2 提煉物理規(guī)律，應用比較思想

光的反射定律和光的折射規(guī)律都是描述線與線的位置關系、角與角的大小關系,在規(guī)律描述中都要涉及到對應兩條光線和法線的比較,這充分說明這兩個規(guī)律內(nèi)容及研究方法之間的相似性.若教師認識到此“相似”,在教學中巧妙應用比較思想,就可以舉重若輕地悄然突破重難點,順利總結(jié)歸納出相關規(guī)律.

圖2

在“探究光的反射規(guī)律”實驗中,首先通過生活中現(xiàn)象及相關活動比較出反射光線和入射光線彼此間可能存在“對稱”關系,再通過活動比較發(fā)現(xiàn)它們都分布在同一平面內(nèi)且與反射面垂直;為了更加簡潔描述此關系,從而引入“法線”模型(見圖2),最終提煉出光的反射定律.[5]有了光的反射定律的學習基礎,在進行光的折射規(guī)律教學中,只需應用比較思想,找出與光的反射中的同與不同、變與不變,即可順利提煉總結(jié)出折射規(guī)律.這不僅讓學生通暢順利地達成認知,而且會幫助學生形成一定的比較能力,在后面的應用中更能駕輕就熟,起到事半功倍的效果.

再如光現(xiàn)象中的成像問題,一直以來是中考中的考點,學生學習中的難點、混淆點;盡管教師在平時教學中下了“很多功夫”,可收效甚微!若在成像規(guī)律教學或復習中,充分應用比較思想,利用物距與像距的關系就可以宏觀解決所有規(guī)律中成像的大小問題;若將小孔成像中的小孔與凸透鏡的光心對應,則可以將小孔成像與凸透鏡成實像的性質(zhì)相匹配.這樣,不僅可以幫助師生大大減負,達到既定目標,更能提高學生的綜合認知與分析比較歸納能力.

3.3 甄別“相似”實驗，立足比較思想

初中學生因為考試科目多,學業(yè)負擔重,思維能力弱,故而在認知上常會對初中物理中“相似” 實驗辨別不清,本文中“引子”就是典型案例.若要甄別“相似”實驗,立足比較思想是關鍵.教師在“相似”實驗教學中,只要從二者的實驗目的、實驗原理、實驗器材、研究對象及所涉及到的物理方法等方面進行充分比較,就能抽絲剝繭找出它們彼此間的異同點,達到“甄別”目的.如在“引子”中兩個“相似”實驗相同點是使用同一套實驗裝置,都涉及到Q吸=cmΔt,都采用了轉(zhuǎn)化法將所要研究的問題轉(zhuǎn)化為溫度計的示數(shù)變化,在轉(zhuǎn)化過程中都涉及到控制變量思想等;不同點是實驗目的不同、研究對象不同、熱源不同等(前者實驗目的是比較不同物質(zhì)的比熱容,研究對象是燒杯內(nèi)液體,相同的熱源即相同的加熱方式;后者實驗目的是比較不同燃料的熱值,研究對象是燃燒皿中的燃料,不同的熱源等).

再如“探究阻力對物體運動的影響”和“探究動能大小與哪些因素有關”也是一對相似度極高、學生極易混淆的“相似”實驗.利用比較思想可以挖掘出它們有以下共同點:器材都涉及到斜面、小車和長木板,都是利用同一斜面的高度控制小車剛到達水平面時的速度;研究對象具有一致性,都是從斜面上滾下的小車;最終實驗結(jié)論的獲得都是通過比較物體在水平面移動的距離;實驗中都涉及到控制變量法、轉(zhuǎn)化法和比較法等,共同點之多,混淆那是定然.但若繼續(xù)深刻比較,則其不同之處也會很顯然:首先是二者的實驗目的不同,前者是研究力與運動的關系,后者恰是研究動能與質(zhì)量、速度的關系;其次是實驗器材的不同,前者多了毛巾、棉布和玻璃板,后者則多了鉤碼和小木塊;再者實驗結(jié)論獲得的證據(jù)來源不同,前者是通過觀察研究對象在不同表面上移動距離的遠近來直接比較力與運動關系,而后者則是通過觀察比較木塊被撞后的移動距離遠近來間接比較研究對象的動能大小;前者運用理想實驗法而后者則無.如此,立足比較思想,再“相似”實驗,也能甄別清楚,學生的邏輯思維能力也會得到充分訓練和極大提升.

3.4 訓練“變式”習題，借助比較思想

中、高考部分試題之所以“難”,學生在考試中之所以會非常棘手,其原因并非是 “偏、難、怪、繁”,而是因為這些試題的命制出自“原創(chuàng)”而已;“原創(chuàng)”不是“瞎創(chuàng)”,其根仍在課標、教材之中,考的仍是曾經(jīng)的考點和曾遇過的考題,只不過提問的角度變了,思維的順序變了,讓學生既感覺“似曾相識”,可又無從下手.深究其原因,仍然是平時教學中對比較思想的不重視、不滲透,從而造成思維能力低下,應考時的茫然那是必然.

圖3

如某市2019年中考物理另一道試題:如圖3是能巧測未知電阻R2阻值的實驗電路.圖中電源電壓恒定,R為電阻箱,R0為定值電阻(阻值未知).要求僅利用電阻箱讀數(shù)表達R2的阻值.按照以下步驟,請在空白處填上適當內(nèi)容.

(1) 將開關接a,調(diào)節(jié)電阻箱和滑動變阻器滑片P至適當位置,記下________;

(2) 將開關接b,調(diào)節(jié)________,保持________不變,記下________;

(3) 則R2=________.

此題來自蘇科版物理九(上)教材中一道WWW練習改編,考查學生對等效替代思想的理解和領悟,只不過作了一些“變式”罷了:電阻箱連接的位置從支路改到干路,干路中多了一個保護電阻R0,測R2阻值的實驗步驟打破了“先大象后石頭”的等效替代思維定勢等(曹沖稱象).但恰恰是這些“變式”,給學生帶來了困難:首先是對定值電阻和滑動變阻器在此實驗中的作用不明,不能及時排除,從而造成解題的干擾;其次,因這個測量電路的“新穎”——電阻箱位置的變化,給學生帶來了“相似”和“糾結(jié)”,似曾見過,卻又不同;再者,等效替代法測電阻一般都是先接入待測電阻,后接入電阻箱,而此題卻又違反“常規(guī)”.所有這些都造成學生應答時非常茫然、迷霧重重,一時難以找到正確的解題思路,最后只有“亂答”,得分率自然低下.若教師在平時教學中注重借助比較思想進行“變式”訓練,則學生就會很容易判斷出,此題中的定值電阻R0作用就是保護電路,無需多考慮;而滑動變阻器在此電路中已是“重復”、“多余”,干擾而已,可以剔除;電阻箱在此則是雙功能,即實現(xiàn)電流表的調(diào)節(jié),又實現(xiàn)利用兩次阻值之差來等效替代待測電阻R2.如此,所有問題將迎刃而解.

由上可知,在平時習題教學與練習中,不能光靠死教、苦學、刷題,而是要多注重“變式”訓練.在訓練中教師要善于借助比較思想,尋找“變與不變”,尋找解題規(guī)律,幫助學生構(gòu)建新的解題體系,從而獲得觸類旁通、舉一反三的能力,并使學生的歸納演繹思維能力得以培養(yǎng)和提升.

3.5 設計創(chuàng)新實驗，依托比較思想

比較是深化思想,產(chǎn)生新的物理思想和理論的重要方法.[6]愛因斯坦說:“知識不能單從經(jīng)驗中得出,而只能從理智的發(fā)明同觀察到的事實兩者的比較中得出.”創(chuàng)新思維的培養(yǎng)依托比較思想,在平時實驗教學中多注重同一實驗的不同方法比較,多注重對原實驗和創(chuàng)新改進后實驗的比較,都是產(chǎn)生創(chuàng)新思維的源泉.

如“探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗中,教師可以提出以下問題引導學生對原實驗過程進行比較性思考:在測量滑動摩擦力時彈簧測力計示數(shù)為何會時大時小?在測量滑動摩擦力過程中你覺得有何不妥之處?你對原有測量有何改進意見等?在學生提出自己的設想后,教師應鼓勵學生及時動手設計進行實驗驗證,并將改進后實驗與原先實驗進行比較,讓學生在質(zhì)疑、創(chuàng)新和比較過程中收獲喜悅和成功,同時創(chuàng)新意識和思維能力也得以培養(yǎng)和發(fā)展.

再如針對電阻的測量實驗,除了常規(guī)的伏安法和等效替代法外,還可以借助一只電表和已知阻值的定值電阻(或已知最大阻值的滑動變阻器)進行創(chuàng)新設計并完成測量.由于許多一線教師對這類測量的本質(zhì)并未完全明辨,從而“想當然”的造成很多說法:安安法、伏伏法、短路法、滑片法等,說法不一,種類繁多,使學生“迷惑”與“糾結(jié)”于其中,又怎能以此去精準設計創(chuàng)新實驗來完成測量呢?若教師在教學中善于將這類測量的各種方法與伏安法進行本質(zhì)性比較,就不難發(fā)現(xiàn),其實所有的這類測量方法的本質(zhì)都是“伏安法”,只不過是將伏安法測量中所缺少的“伏”或“安”改由“電流表和定值電阻串聯(lián)”或“電壓表和定值電阻并聯(lián)”來替代而已;如此,學生豈會再有創(chuàng)新設計的煩惱!所以,教學中依托比較思想,不僅可以化繁為簡,減輕學生的學習負擔,更會激發(fā)他們對“權(quán)威”的質(zhì)疑,并形成新的想法,主動精準設計創(chuàng)新實驗,激活創(chuàng)新思維,使一切成為“皆有可能”.

4 結(jié)語

綜上所述,物理教師在教學中要重視物理思想教育,善于利用比較思想等作為“干”,嫁接在“根”與“枝葉”之間,深耕于課堂,邁向于素養(yǎng),讓學生從“學會物理”走向“會學物理”,最終實現(xiàn)思維能力等素養(yǎng)的提升.這是物理教學的核心價值,是我們物理人的終身職責和不懈追求.