林延依

[摘 ? 要]習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)中最常見的課型之一，培養(yǎng)和發(fā)展科學(xué)思維是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重中之重。在基礎(chǔ)年級習(xí)題教學(xué)中教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學(xué)生應(yīng)用物理觀念思考問題，構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，應(yīng)用相關(guān)規(guī)律分析解答問題，在此過程中，還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑創(chuàng)新，不斷提升學(xué)生的科學(xué)思維。

[關(guān)鍵詞]習(xí)題教學(xué);科學(xué)思維;模型建構(gòu)

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）32-0038-04

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式;是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論的質(zhì)疑和批判，并進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[1]。培養(yǎng)和發(fā)展科學(xué)思維是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重中之重。在基礎(chǔ)年級習(xí)題教學(xué)中，如何體現(xiàn)“模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”等科學(xué)思維四要素呢？筆者以下面習(xí)題教學(xué)為例，對這個問題進行探究。

[例題]如圖1甲所示，不計電阻的平行金屬導(dǎo)軌豎直放置，導(dǎo)軌間距為[L=1 m]，上端接有電阻[R=3 Ω]，虛線[OO′]下方是垂直于導(dǎo)軌平面的勻強磁場?，F(xiàn)將質(zhì)量[m=0.1 kg]、電阻[r=1 Ω]的金屬桿ab，從OO′上方某處垂直導(dǎo)軌由靜止釋放，桿下落過程中始終與導(dǎo)軌保持良好接觸，桿下落過程中的[v-t]圖像如圖1乙所示。（取[g=10 m/s2]）求：

（1）磁感應(yīng)強度B;

（2）桿在磁場中下落0.1 s的過程中電阻R產(chǎn)生的熱量。

一、審題斷意，再現(xiàn)情境

審題是破解題意的第一步，也是解題最為關(guān)鍵的一步，審題出錯，猶如拉直牛角——白費功夫。審題絕不僅僅是從頭到尾一字不漏地讀題，還要精準(zhǔn)找到研究對象，提取關(guān)鍵詞，挖掘隱含條件，然后在大腦里形成一個生動而清晰的物理情境或物理過程，這關(guān)系到對題意的整體把握。

師：金屬桿、平行導(dǎo)軌、磁場都是題中涉及的物體，哪個物體是研究對象？

生：金屬桿。

師：提取關(guān)鍵詞。

生：不計電阻、靜止釋放。

師：“靜止釋放隱含”的條件是初速度為零，題干有沒有告訴你金屬桿與平行導(dǎo)軌之間接觸面光滑？

生：沒有。

師：桿軌之間到底有沒有摩擦呢？如何知曉？

生：結(jié)合v-t圖像。

師：v-t圖像中圖線的斜率反映哪個物理量？這個物理量多大？可以反映什么問題？

生：斜率[ΔvΔt=a]，反映加速度a，求出[a=10 m/s2]，剛好等于重力加速度g，反映[0～0.1 s]這段時間內(nèi)金屬桿只受重力，桿軌之間不存在摩擦力，說明桿軌只是接觸沒彈力，而且金屬桿靜止釋放，初速度為零，判斷金屬桿做自由落體運動。

師：[v-t]圖像反映金屬桿經(jīng)歷了幾個物理過程？兩段圖線分別反映金屬桿做什么運動？

生：2個。前一段時間做自由落體運動，后一段時間做勻速直線運動。

引導(dǎo)學(xué)生提煉歸納，具體步驟是：“一定二取三挖掘;四受五斷六建模”。見下表：

通過審題，學(xué)生不但能夠找準(zhǔn)研究對象——金屬桿，還能挖掘出隱含條件——初速度為零，結(jié)合圖像，綜合應(yīng)用運動與相互作用的物理知識思考問題，初步斷定物體經(jīng)歷了自由落體運動和勻速直線運動兩個物理過程。還對桿軌之間是否存在摩擦力提出疑問，進而結(jié)合v-t圖像進行科學(xué)論證，推出桿軌之間不存在摩擦力。這一過程不僅讓學(xué)生體驗科學(xué)推理之美，還讓學(xué)生認(rèn)識到尊重客觀數(shù)據(jù)、尊重客觀依據(jù)和物理規(guī)律的重要性。

二、深剖細(xì)析，構(gòu)建模型

模型構(gòu)建是科學(xué)思維的重要組成部分，能否將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，是課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)思維的第四水平等級。因此，引導(dǎo)學(xué)生對問題進行深剖細(xì)析，然后正確地構(gòu)建相應(yīng)的物理模型是解決問題的重點和難點。

師：物理模型可以分為物質(zhì)模型、狀態(tài)模型和過程模型。假如從物質(zhì)模型來看，這道題屬于什么模型？

生：單桿雙軌模型。

師：從過程模型來分呢？

生：自由落體運動模型+勻速直線運動模型。

師：金屬桿進入磁場后不斷切割磁感線是我們常見的什么模型？

生：電磁感應(yīng)模型。

師：電磁感應(yīng)模型分為幾類？該題屬于哪一類？

生：[兩類感生（磁場變化引起）動生棒平動切割（ √ ）棒轉(zhuǎn)動切割]

師：棒平動切割模型是電磁感應(yīng)中最典型的模型，回路閉合，它往往還結(jié)合什么知識點？

生：閉合回路歐姆定律。

師：該回路是純電阻電路還是非純電阻電路？

生：純電阻電路。

師：那我們又可以進一步把這道題看成是“自由落體+電磁感應(yīng)+純電阻閉合回路”三個模型的組合題。

師：力是改變物體運動狀態(tài)的原因，金屬桿進入磁場后做勻速直線運動，可以反映什么呢？

生：勻速意味著金屬桿處于平衡狀態(tài)，所受合外力為零。

師：除了受到豎直向下的重力以外，通電的導(dǎo)體桿在磁場中受到什么力？

生：安培力。

師：安培力的大小和方向與重力滿足什么關(guān)系？

生：安培力與重力等大反向，二力平衡。

此環(huán)節(jié)，教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境，逐步引領(lǐng)學(xué)生通過科學(xué)推理，正確構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

三、演繹推理，質(zhì)疑創(chuàng)新

正確構(gòu)建物理模型相當(dāng)于揭開了掩蓋問題真相或過程本質(zhì)特征的神秘面紗。構(gòu)建物理模型之后 ，套用相應(yīng)的物理規(guī)律就可以解答問題。

師：磁感應(yīng)強度B怎么求？

全體學(xué)生表示高度認(rèn)同，掌聲響起。

師：一題可以多解，同學(xué)們不要只限于某個思路，要大膽質(zhì)疑創(chuàng)新，學(xué)會從多個角度思考問題、解決問題。

師：如果你是出題者，可以在第一個物理過程中設(shè)置什么問題來考查考生呢？

生：求桿軌之間的摩擦力;求金屬桿下落的初位置距離OO'的高度h。

師：剛才我們判斷摩擦力為零，那h如何獲得？

生：通過[v-t]圖像中圖線與時間軸所圍面積代表位移來求。

師：如果改變金屬桿靜止釋放的初位置與[OO']之間的高度h，其他物理量均不改變，那金屬桿的運動狀態(tài)和運動過程會不會有所變化呢？請以小組為單位思考討論，推理一下，試著畫出新的[v-t]圖像。

教師在這個解答環(huán)節(jié)里，巧設(shè)問題，不但能夠讓學(xué)生體會“等效”的物理思想，促進學(xué)生形成清晰的運動與相互作用觀念和能量觀念，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑創(chuàng)新，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。通過小組合作討論分析，不但能讓學(xué)生體驗合作的樂趣，享受合作的成果，還能鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力，提高學(xué)生的邏輯思維能力。

四、觸類旁通，知識遷移

遷移能力是學(xué)生對已知知識進行橫向和縱向發(fā)散的能力[2]。教師在基礎(chǔ)年級習(xí)題教學(xué)中要重視對學(xué)生知識遷移能力的培養(yǎng)，可以借助常規(guī)模型，不斷改變物理情景，促進學(xué)生對知識的強化、發(fā)散、遷移，讓學(xué)生學(xué)會舉一反三、觸類旁通，從而提高解決問題的效率。

[情景遷移1]（2019年漳州一模）如圖6，間距為d足夠長的光滑導(dǎo)軌[PQ]、[MN]平行放置，所在平面與水平面夾角為[θ]，[PM]間接一阻值為R的電阻，空間存在磁感應(yīng)強度大小為B，方向垂直導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，一質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒ab由靜止沿導(dǎo)軌下滑，經(jīng)一段時間后穩(wěn)定。下滑過程中棒始終與導(dǎo)軌垂直且保持良好接觸，已知導(dǎo)體棒電阻為r，不計導(dǎo)軌電阻，重力加速度大小為g，求穩(wěn)定后

（1）導(dǎo)體棒的速度大小v;

（2）整個回路消耗的電功率P。

師：通過審題，我們不難發(fā)現(xiàn)例題中豎直導(dǎo)軌如今斜著放，可以構(gòu)建什么模型？

生：斜面模型。

師：通過確定研究對象和提取關(guān)鍵詞，可以發(fā)現(xiàn)什么呢？

生：仍然是研究棒靜止釋放直至最終穩(wěn)定的整個過程。

引導(dǎo)學(xué)生辨析比較，準(zhǔn)確建模：斜面模型+電磁感應(yīng)+閉合回路模型。

[情景遷移2]如圖7，水平面上有兩電阻不計的光滑金屬導(dǎo)軌平行固定放置，間距為d ，右端通過導(dǎo)線與阻值為R的小燈泡L連接，在面積為S的CDEF矩形區(qū)域內(nèi)有豎直向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度B隨時間變化如圖8，在[t=0]時，一阻值為R的金屬棒在恒力F作用下由靜止開始從ab位置沿導(dǎo)軌向右運動，當(dāng)[t=t0]時恰好運動到CD位置，并開始在磁場中勻速運動。求：

（1）[0～t0]時間內(nèi)通過小燈泡的電流;

（2）金屬棒在磁場中運動速度的大小;

（3）金屬棒的質(zhì)量m。

引導(dǎo)學(xué)生審題建模：“感生+動生+閉合回路模型”或分為“初速度為零的勻加速直線運動+勻速直線運動模型”。

平行金屬導(dǎo)軌放置的形式不同（水平、傾斜或豎直）以及導(dǎo)軌電阻是否忽略不計，桿軌之間是否考慮摩擦力，磁場是否是勻強的以及是否存在特定區(qū)域等，都會影響問題的研究。但通過以上三個例子的分析對比，可以引導(dǎo)學(xué)生辨析比較，提煉歸納它們的共性：①都屬于電磁感應(yīng)“單杠+雙軌”模型，且棒平動切割后，最終狀態(tài)都是趨向于速度穩(wěn)定的，即[a=0]達到平衡狀態(tài)，此時要特別關(guān)注研究對象在臨界狀態(tài)下的變量與不變量（即分析恒力與變力）。②往往會結(jié)合[v-t]圖、[Φ-t]圖、[B-t]圖、受力圖、電路圖等圖像，圖像能直觀反映物理過程和物理量之間的關(guān)系。讀懂圖像的關(guān)鍵是掌握識圖技巧，學(xué)會舉一反三、融會貫通。③懂得利用“等效”的物理思想解決電磁感應(yīng)模型問題，能正確畫出與物理過程對應(yīng)的等效電路圖。

以電磁感應(yīng)“單杠+雙軌”模型為載體，引導(dǎo)學(xué)生從物理觀念視角審視問題（如圖9），形成“力與運動”關(guān)系問題的一般思維路徑：確定受力對象（研究對象）→受力分析（關(guān)注力學(xué)量、電學(xué)量）→研究力與運動的關(guān)系→研究功能關(guān)系。

引導(dǎo)學(xué)生通過手繪思維導(dǎo)圖的方式（如圖10）來提煉歸納解決問題的思維路徑及思維方法，逐步將思維可視化、邏輯化。

課程標(biāo)準(zhǔn)中對科學(xué)思維的水平劃分為5個等級，要通過一道習(xí)題或者一節(jié)課就使學(xué)生的科學(xué)思維達到最高層次，那是不可能的?？茖W(xué)思維也絕非一朝一夕就能培養(yǎng)出來的，需要學(xué)生親自經(jīng)歷無數(shù)次的科學(xué)推理，逐漸感悟科學(xué)推理、邏輯推理的魅力。而教師唯一能做的就是在基礎(chǔ)年級習(xí)題教學(xué)中不斷努力優(yōu)化教學(xué)策略，巧妙設(shè)計問題情境，引領(lǐng)學(xué)生審題建模，應(yīng)用物理規(guī)律解決實際問題，大膽質(zhì)疑創(chuàng)新，實現(xiàn)對知識的深刻內(nèi)化，從而達到潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的目的。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?王亞洲.高中物理教學(xué)中學(xué)生遷移能力的培養(yǎng)策略[J].數(shù)理化解題研究，2016（36）：54.

（責(zé)任編輯 易志毅）