蔡夢(mèng)璉 陳麗琴

摘 ? 要：等效法作為重要的科學(xué)思維方法，在課堂教學(xué)中顯化非常必要。通過(guò)深入挖掘和歸納整理教材中的等效法內(nèi)容，在課堂上充分顯化等效法的教育，引導(dǎo)學(xué)生在物理概念建立和規(guī)律形成中學(xué)習(xí)等效法，在實(shí)驗(yàn)探究中理解等效法，在習(xí)題解答中應(yīng)用等效法，從而進(jìn)一步開拓學(xué)生思維，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)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(jìn)，科學(xué)思維方法教育日益成為高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，在落實(shí)立德樹人和培養(yǎng)核心素養(yǎng)方面發(fā)揮著積極作用。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）明確指出物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，其中科學(xué)方法屬于科學(xué)態(tài)度與責(zé)任中的科學(xué)本質(zhì)，屬于對(duì)科學(xué)本身全面的、哲學(xué)性的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。課程標(biāo)準(zhǔn)提出的課程目標(biāo)要求學(xué)生“能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論”[ 1 ]，把科學(xué)方法教育上升到學(xué)科本質(zhì)的高度，充分體現(xiàn)了科學(xué)方法教育的重要性?？茖W(xué)方法分類較多，其中等效法是高中物理科學(xué)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(xué)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(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題變換為簡(jiǎn)單的理想問(wèn)題來(lái)研究的一種常用的科學(xué)思維方法。在物理教學(xué)中可以從以下策略對(duì)等效法進(jìn)行顯化教育。

1 ?挖掘教材顯化等效法教育內(nèi)容

盡管課程標(biāo)準(zhǔn)與教材編寫者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到科學(xué)方法教育重要性，但是在具體落實(shí)在教材編寫上，科學(xué)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(xué)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(jié)中定義重心為“可以認(rèn)為重力集中作用在一個(gè)點(diǎn)上，我們把這個(gè)作用點(diǎn)是為重力的等效作用點(diǎn)，稱為物體的重心”[ 2 ]，雖然提到“等效作用法”，但沒有說(shuō)明等效法的定義，不利于學(xué)生理解。教師要明確告訴學(xué)生應(yīng)用等效法并介紹等效法概念。在“力的合成”一節(jié)中合力定義中強(qiáng)調(diào)合力可以等效代替幾個(gè)共點(diǎn)力，沒有明確指出這種方法為等效法并說(shuō)明等效法的應(yīng)用，也是等效法隱性處理，沒有顯化出來(lái)，不利于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)。教師要明確提出合力與分力是等效替代，告訴學(xué)生合力的概念是用等效法建立的。因此，教師教學(xué)中，應(yīng)采取等效法顯化教學(xué)，幫助學(xué)生形成清晰的科學(xué)思維方法認(rèn)識(shí)和邏輯推理過(guò)程。

總之，教師在教學(xué)前要確定等效法教育的內(nèi)容，并根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)把教材中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的科學(xué)方法顯化出來(lái)，整理出等效法所對(duì)應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容（見表1），確定等效法顯化教育的內(nèi)容。

2 ?在課堂教學(xué)中顯化等效法教育

教師明確等效法教學(xué)內(nèi)容，精心準(zhǔn)備教學(xué)設(shè)計(jì)，思考如何顯化知識(shí)點(diǎn)的等效法。在課堂教學(xué)中，主要通過(guò)以下三個(gè)方面開展等效法顯化教育。

2.1 ?在物理概念建立和規(guī)律形成的等效法顯化教育

物理概念和規(guī)律是物理現(xiàn)象、物理過(guò)程的概括化和抽象化的思維而建立形成的，在建立形成過(guò)程中所包含的許多科學(xué)方法，通過(guò)顯化，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念規(guī)律的過(guò)程中領(lǐng)悟其中的科學(xué)方法，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)思維具有重要的意義。

物理概念建立和規(guī)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(shí)點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)。其次，在建立物理概念過(guò)程中開展等效法顯化教育。再次，在形成物理規(guī)律過(guò)程中開展等效法顯化教育。最后，在課堂小結(jié)中顯化科學(xué)方法。

以“科學(xué)探究：力的合成”為例，首先，確定教學(xué)目標(biāo)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(shí)驗(yàn)探究力的平行四邊形定則中理解等效法。其次創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，提出教學(xué)問(wèn)題。演示生活中提水桶現(xiàn)象，一個(gè)學(xué)生提一桶水，兩個(gè)學(xué)生提同一桶水，引導(dǎo)學(xué)生觀察并對(duì)水進(jìn)行受力分析。通過(guò)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(xué)生合力的概念是用等效法建立的。為了讓學(xué)生理解等效的實(shí)質(zhì)，提出思考問(wèn)題：誰(shuí)等效誰(shuí)，什么等效，等效的體現(xiàn)是什么，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生回憶重心概念的建立用了什么科學(xué)方法。教師給出兩把彈簧秤、一個(gè)鉤碼設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究合力和分力的定量關(guān)系。學(xué)生就會(huì)利用前面建立的物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、定量研究。學(xué)生會(huì)把前面用到的等效法遷移到這里，設(shè)計(jì)出兩把彈簧秤提鉤碼，測(cè)出兩個(gè)互成角度力F1、F2大小與方向，用一把彈簧提鉤碼秤，測(cè)出力F，根據(jù)等效法F就是F1、F2合力。接下來(lái)就是研究F和F1、F2存在什么一種定量關(guān)系。力是矢量，要用力的圖示法記錄，通過(guò)觀察三邊，猜想假設(shè)為三角形或四邊形，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)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(guò)程中，再次應(yīng)用等效法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。本節(jié)課中二次應(yīng)用等效法，等效法的教育得到充分鞏固，對(duì)提升學(xué)生的科學(xué)思維具有重要意義。

2.2 ?在物理實(shí)驗(yàn)中顯化等效法的教育

教師深入分析實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的科學(xué)方法，確定等效法的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)等效法教學(xué)內(nèi)容的顯化分析，高中物理教材中含有等效法的學(xué)生實(shí)驗(yàn)有“探究?jī)蓚€(gè)互相角度的力的合成規(guī)律”“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量關(guān)系”“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)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(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，等效法隱藏在實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理中，具有隱蔽性強(qiáng)、不易覺察、容易被忽略的特點(diǎn)。

對(duì)此，首先，從實(shí)驗(yàn)原理中顯化等效法。小車質(zhì)量M， 盤和砝碼質(zhì)量m。當(dāng)M＞m時(shí)，可以近似認(rèn)為繩子對(duì)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(dāng)作繩子力，體現(xiàn)了一種等效替代關(guān)系。

其次，在實(shí)驗(yàn)步驟中顯化等效法。實(shí)驗(yàn)前要調(diào)整長(zhǎng)木板與水平桌面的夾角來(lái)平衡小車的摩擦力，輕推小車，當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上打的點(diǎn)是均勻分布，就說(shuō)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(yīng)用了等效法。

再次，在數(shù)據(jù)處理中顯化等效法。本實(shí)驗(yàn)用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)加速度a與小車質(zhì)量成相反變化，為一條曲線，無(wú)法得到它們的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)嘗試做出a-1/M圖像，獲得a-1/M線性關(guān)系，應(yīng)用了曲改直法，也是等效替代法。

總之，教師要認(rèn)真挖掘教材，剖析各種科學(xué)方法，明確告訴學(xué)生，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)方法在實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用。

2.3 ?在物理習(xí)題教學(xué)中顯化等效法教育

物理習(xí)題的求解中需要應(yīng)用許多的科學(xué)方法，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)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?dú)w納整理，如等效法在變力做功的巧用、“等效電源”的應(yīng)用等。典型的用等效法解題的專題內(nèi)容見表2。

下面以“等效法在電場(chǎng)中應(yīng)用”為例，說(shuō)明在物理習(xí)題教學(xué)中顯化等效法教育。

例題：如圖2一個(gè)質(zhì)量為m，電荷量-q小球在場(chǎng)強(qiáng)E=水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)空間中，小球從C點(diǎn)以v0水平速度向右拋出后經(jīng)一段時(shí)間又回C點(diǎn)的正下方D點(diǎn)。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(chǎng)力作用，所以小球在電場(chǎng)中做曲線運(yùn)動(dòng)，把曲線運(yùn)動(dòng)沿兩個(gè)互相垂直的力方向進(jìn)行分解，化曲為直，用勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律就迎刃而解。

小結(jié)：等效適用條件為勻強(qiáng)電場(chǎng)且電場(chǎng)力與重力垂直，等效實(shí)質(zhì)是運(yùn)動(dòng)過(guò)程等效，曲線運(yùn)動(dòng)過(guò)程與兩個(gè)勻變速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程等效。

等效法在電場(chǎng)中應(yīng)用比較多，除了過(guò)程等效，還有力的作用等效。如帶電小球在勻強(qiáng)電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力為恒力，重力與電場(chǎng)力的合力也是恒力，這個(gè)合力可稱等效重力，可以認(rèn)為小球只受等效重力作用，這樣就構(gòu)建了一個(gè)新的重力場(chǎng)空間。用等效重力解決勻強(qiáng)電場(chǎng)中帶電體在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題就輕而易舉。此外還有模型等效，點(diǎn)電荷與接地金屬板（原本不帶電）感應(yīng)電荷的產(chǎn)生電場(chǎng)分布與等量異種電荷的電場(chǎng)分布正好一半相同，因此這兩種電場(chǎng)模型等效，用等量異種電荷的模型解決問(wèn)題就顯得簡(jiǎn)單。

習(xí)題課中要結(jié)合具體題目引導(dǎo)學(xué)生對(duì)等效法應(yīng)用進(jìn)行分類，不同的習(xí)題情境，等效的本質(zhì)和內(nèi)涵也會(huì)不同，讓學(xué)生知道等效可分為“作用上的等效、過(guò)程上的等效、模型上的等效”[ 3 ]、物理量上的等效等，進(jìn)一步明確等效法的適用條件、理解等效法的本質(zhì)與內(nèi)涵。通過(guò)專題訓(xùn)練，使學(xué)生靈活應(yīng)用等效法，化繁為簡(jiǎn)，化難為易，從而提高自己的科學(xué)思維能力。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

等效法的顯化教育使學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的理解更加透徹，更好掌握物理知識(shí)，有效地提高解決問(wèn)題的能力，落實(shí)了高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)，有利于實(shí)現(xiàn)立德樹人的根本任務(wù)。因此，科學(xué)方法的顯化教育，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和學(xué)科核心素養(yǎng)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(qiáng)化科學(xué)方法顯化教育，為提升學(xué)生的科學(xué)思維水平和培養(yǎng)核心素養(yǎng)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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