思維呈現(xiàn)下的物理習(xí)題教學(xué)

摘 要：本文提出了物理習(xí)題教學(xué)中思維呈現(xiàn)的3種方式，總結(jié)了思維呈現(xiàn)下物理習(xí)題教學(xué)的5個(gè)對(duì)策，為物理核心素養(yǎng)在物理習(xí)題教學(xué)中的落實(shí)提供了重要的方法。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；思維呈現(xiàn)；物理習(xí)題教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）7-0076-5

1 思維呈現(xiàn)下物理習(xí)題教學(xué)的提出

華羅庚曾經(jīng)指出，“學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)最好到數(shù)學(xué)家的紙簍里去找材料，不要只看書(shū)上的結(jié)論，他在書(shū)上寫(xiě)給你看的結(jié)論不過(guò)兩三行，可是他在寫(xiě)出這兩三行以前不知花了多少心血，經(jīng)歷了多少困難與挫折，稿紙不知用了多少?gòu)?。他成功的歷程就是由這些稿紙記錄下來(lái)的?！痹谶@里，紙簍中呈現(xiàn)的就是數(shù)學(xué)家的思維過(guò)程，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)需要數(shù)學(xué)思維的呈現(xiàn)過(guò)程，物理習(xí)題教學(xué)亦同此理。一方面，思維呈現(xiàn)下的物理習(xí)題教學(xué)，能充分展現(xiàn)物理思維的全貌，讓學(xué)生獲得真實(shí)的思維體驗(yàn)；另一方面，“科學(xué)思維”是高中物理核心素養(yǎng)的四要素之一，思維呈現(xiàn)下的物理習(xí)題教學(xué)對(duì)提升學(xué)生的核心素養(yǎng)大有裨益，值得我們?nèi)ド钊氲难芯俊?/p>

2 物理習(xí)題教學(xué)中思維呈現(xiàn)的方式

2.1 出聲方式

有一種思維叫出聲思維?！俺雎暋笔撬季S呈現(xiàn)的一種方式。有時(shí)，學(xué)生在“出聲”的過(guò)程中，突然間自己就想明白了。這種“出聲”方式，或者是學(xué)生一個(gè)人低聲自問(wèn)自答，或者是學(xué)生在課堂中相互交流。在后一種方式下，如果插入同學(xué)或教師的質(zhì)問(wèn)，可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)思維上的盲點(diǎn)，能更好地解決物理問(wèn)題。

2.2 作圖方式

作圖方式是學(xué)生思維呈現(xiàn)的另一種方式，包括作過(guò)程分析圖、受力分析圖、光路圖等方式，甚至包括作各種思維導(dǎo)圖的方式。作圖的過(guò)程，是將文字轉(zhuǎn)化為物理圖景的過(guò)程，作圖能夠呈現(xiàn)物理思考的全過(guò)程。

2.3 推理方式

推理方式是從問(wèn)題開(kāi)始的地方出發(fā)，一步一步地推斷下來(lái)，缺什么條件，就補(bǔ)上相應(yīng)的條件，直到物理問(wèn)題最終解決。對(duì)于一些一下子看不出物理模型，找不到物理方法的物理習(xí)題，這種方式尤為有用。

3 思維呈現(xiàn)下物理習(xí)題教學(xué)的對(duì)策

3.1 基于出聲方式的教學(xué)對(duì)策

根據(jù)思維呈現(xiàn)的出聲方式來(lái)看，物理習(xí)題教學(xué)的對(duì)策有兩種，分別是提問(wèn)式說(shuō)題和學(xué)生講壇式說(shuō)題。

1. 提問(wèn)式說(shuō)題

提問(wèn)式說(shuō)題是指通過(guò)提問(wèn)說(shuō)清概念，說(shuō)出關(guān)鍵，說(shuō)出運(yùn)動(dòng)過(guò)程，說(shuō)出物理圖景的一種說(shuō)題方式。通過(guò)說(shuō)的過(guò)程，讀懂題意，明了整個(gè)物理過(guò)程。

案例1 如圖1所示是公路上的“避險(xiǎn)車(chē)道”，車(chē)道表面是粗糙的碎石，其作用是供下坡的汽車(chē)在剎車(chē)失靈的情況下避險(xiǎn)。質(zhì)量m=2.0×103 kg的汽車(chē)沿下坡行駛，當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)剎車(chē)失靈的同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力，此時(shí)速度表示數(shù)v1=36 km/h，汽車(chē)?yán)^續(xù)沿下坡勻加速直行l(wèi)=350 m、下降高度h=50 m時(shí)到達(dá)“避險(xiǎn)車(chē)道”，此時(shí)速度表示數(shù)v2=72 km/h。

（1）求從發(fā)現(xiàn)剎車(chē)失靈至到達(dá)“避險(xiǎn)車(chē)道”這一過(guò)程汽車(chē)動(dòng)能的變化量；

（2）求汽車(chē)在下坡過(guò)程中所受的阻力；

（3）若“避險(xiǎn)車(chē)道”與水平面間的夾角為17 °，汽車(chē)在“避險(xiǎn)車(chē)道”受到的阻力是在下坡公路上的3倍，求汽車(chē)在“避險(xiǎn)車(chē)道”上運(yùn)動(dòng)的最大位移（sin17 °≈0.3）。

學(xué)生存在的問(wèn)題是：（1）概念不清。在生活中，很多經(jīng)常開(kāi)車(chē)的教師都未見(jiàn)過(guò)“避險(xiǎn)車(chē)道”，何況學(xué)生。絕大多數(shù)學(xué)生根本就沒(méi)聽(tīng)過(guò)這個(gè)概念。由于圖中路牌沒(méi)有常規(guī)的指向箭頭，很多學(xué)生讀不懂題中路牌的含義，弄不清左、右兩條哪一條是避險(xiǎn)車(chē)道。（2）過(guò)程不清。題中所言的一段文字也令人費(fèi)解。比如，“公路上的‘避險(xiǎn)車(chē)道，車(chē)道表面是粗糙的碎石，其作用是供下坡的汽車(chē)在剎車(chē)失靈的情況下避險(xiǎn)”這段文字。一方面，圖中的路面看上去都挺光滑，看不出哪個(gè)是粗糙的碎石路；另一方面，很多學(xué)生搞不清汽車(chē)在“避險(xiǎn)車(chē)道”上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。學(xué)生根據(jù)“供下坡的汽車(chē)在剎車(chē)失靈的情況下避險(xiǎn)”這句話，認(rèn)為汽車(chē)在避險(xiǎn)車(chē)道上行駛的過(guò)程是一個(gè)沿斜面向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。按照這個(gè)思路來(lái)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)第（3）小題的最大位移竟然是0，這顯然有悖常理。

思維呈現(xiàn)下的提問(wèn)式說(shuō)題：

（1）路標(biāo)怎么看？

學(xué)生說(shuō)題：如圖2所示，就是一條指向非常明確的避險(xiǎn)車(chē)道。左邊地上有一個(gè)向下的白色箭頭，表示汽車(chē)正常行駛時(shí)的下坡方向。右邊路牌上寫(xiě)著帶箭頭的“避險(xiǎn)車(chē)道”字樣，說(shuō)明該條路才是臨時(shí)避險(xiǎn)用的車(chē)道。

（2）避險(xiǎn)車(chē)道的路面怎么樣？

學(xué)生說(shuō)題：如圖2所示，右邊車(chē)道明顯是一個(gè)上坡的路面，表明汽車(chē)在避險(xiǎn)車(chē)道上的運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)上坡的行為。如圖3所示，能清楚地看出避險(xiǎn)車(chē)道表面是粗糙的碎石路面。

（3）汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程如何？

學(xué)生說(shuō)題：如圖4所示，汽車(chē)先沿著下坡路面做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，然后沖上避險(xiǎn)車(chē)道，做勻減速直線運(yùn)動(dòng)直到停下為止。

2. 學(xué)生講壇式說(shuō)題

第一、開(kāi)設(shè)學(xué)生講壇的意義。開(kāi)設(shè)學(xué)生講壇，既可以分享巧妙的解法，又可以激發(fā)學(xué)生討論，從而促成學(xué)生對(duì)問(wèn)題的深度思考。其目的是：（1）鼓勵(lì)創(chuàng)新，促成學(xué)生產(chǎn)生更好的想法；（2）使學(xué)生保存一顆好奇心，養(yǎng)成時(shí)時(shí)探索問(wèn)題的好習(xí)慣；（3）大膽質(zhì)疑，在質(zhì)疑中澄清錯(cuò)誤的觀念，提高解決問(wèn)題的能力。

第二、開(kāi)設(shè)學(xué)生講壇的模式。具體的操作模式如圖5所示：

具體流程如下：課前，教師布置任務(wù)，全班學(xué)生試著求解，教師收集學(xué)生的答案，尋找典型的問(wèn)題與解決這一問(wèn)題的典型解法，確定某一學(xué)生為學(xué)生講壇的對(duì)象。所選學(xué)生不一定非要是答案正確的學(xué)生，也可以是略有差錯(cuò)的學(xué)生。通過(guò)學(xué)生講壇反而能促使有些許差錯(cuò)的學(xué)生及時(shí)地尋找錯(cuò)誤的原因。接下來(lái)就是學(xué)生詳細(xì)準(zhǔn)備，梳理自己的想法，并向同桌同學(xué)或周?chē)瑢W(xué)試講，直到試聽(tīng)同學(xué)能聽(tīng)明白為止。然后，該學(xué)生在課前講給任課教師聽(tīng)，教師就關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行質(zhì)問(wèn)，在學(xué)生解釋模糊處或難以解釋明白處進(jìn)行適當(dāng)點(diǎn)撥。課內(nèi)，該學(xué)生上講臺(tái)講解自己的心得體會(huì)。由于這一問(wèn)題其他學(xué)生事先也思考過(guò)，可能講臺(tái)上的學(xué)生講解時(shí)沒(méi)有涉及到他們的困惑處，臺(tái)下學(xué)生就會(huì)提出自己的不同看法和疑問(wèn)，這時(shí)臺(tái)上的學(xué)生就必須即時(shí)作出回應(yīng)。課堂中臺(tái)下學(xué)生的一些想法教師在課前也不可能都預(yù)料到，教師課前的質(zhì)問(wèn)只能代表一部分學(xué)生的想法，臺(tái)上學(xué)生原來(lái)通過(guò)了周?chē)瑢W(xué)和教師的質(zhì)問(wèn)，課中卻不一定能順利通過(guò)臺(tái)下其他學(xué)生的質(zhì)問(wèn)。在臺(tái)上學(xué)生無(wú)法解釋時(shí)，教師就要起到引領(lǐng)的作用，適時(shí)地組織班內(nèi)學(xué)生就問(wèn)題的關(guān)鍵處進(jìn)行討論，做好總結(jié)，以達(dá)成共同的認(rèn)識(shí)。

第三、開(kāi)設(shè)學(xué)生講壇的操作實(shí)例。

案例2 如圖6所示，甲、乙兩人在冰面上“拔河”。兩人中間位置處有一分界線，約定先使對(duì)方過(guò)分界線者為贏。若繩子質(zhì)量不計(jì)，冰面可看成光滑，則下列說(shuō)法正確的是（ ）

A.甲對(duì)繩的拉力與繩對(duì)甲的拉力是一對(duì)平衡力

B.甲對(duì)繩的拉力與乙對(duì)繩的拉力是作用力與反作用力

C.若甲的質(zhì)量比乙大，則甲能贏得“拔河”比賽的勝利

D.若乙收繩的速度比甲快，則乙能贏得“拔河”比賽的勝利

學(xué)生的學(xué)習(xí)背景：沒(méi)有學(xué)過(guò)動(dòng)量的知識(shí)。

（1）課前：學(xué)生試講后，教師質(zhì)問(wèn)。

教師：為什么甲質(zhì)量大就甲勝？

學(xué)生（方騰）：m↑→a↓=F/m→x↓= at2/2→甲勝。

（2）課中：學(xué)生方騰在解析A、B、D選項(xiàng)時(shí)遇到了來(lái)自其他學(xué)生的質(zhì)疑。

學(xué)生（方騰）：甲對(duì)繩的拉力與繩對(duì)甲的拉力是作用力和反作用力，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。甲對(duì)繩的拉力與乙對(duì)繩的拉力為一對(duì)平衡力，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。

學(xué)生（顏榮杰）質(zhì)問(wèn)：甲對(duì)繩的拉力與乙對(duì)繩的拉力為一對(duì)平衡力的話，兩者大小應(yīng)相等?？蓡?wèn)題是甲對(duì)繩的拉力怎么會(huì)與乙對(duì)繩的拉力一樣大？

學(xué)生（方騰）：……

班內(nèi)其他學(xué)生也無(wú)言以對(duì)。

教師（引領(lǐng)）：如圖7所示，對(duì)繩：如F ≠F，則F≠0，由于m=0，故a=F/m=∞，結(jié)果與實(shí)際不符，所以F=F，F(xiàn)與F乙為一對(duì)平衡力。

學(xué)生（方騰）：收繩速度的快慢并不能決定“拔河”比賽的輸贏，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

班內(nèi)又有學(xué)生質(zhì)疑：為什么收繩的速度不能決定拔河的勝負(fù)？乙收繩速度快感覺(jué)是乙勝甲敗呀！

學(xué)生（方騰）：……

教師引領(lǐng)，師生共同討論，達(dá)成以下的共識(shí)：

m< m→a↑=F/m→t相同，v↑= at→v>v→“乙收繩速度比甲快”并不能說(shuō)明“甲的速度比乙大”，實(shí)際上是“乙的速度比甲大”→相同時(shí)間內(nèi)，x↑= at2/2→x>x，乙反而失敗。

冰面上的“拔河問(wèn)題”如僅由教師講解，學(xué)生可能一聽(tīng)就過(guò)。攝于教師的威嚴(yán)，學(xué)生不敢大膽質(zhì)疑，即使心存疑慮，課中也不會(huì)提出太多的問(wèn)題，課后絕大多數(shù)學(xué)生也就會(huì)不了了之，不再多想，偶而會(huì)有個(gè)別學(xué)生在課后繼續(xù)與教師探討，但畢竟為數(shù)極少，受益面很窄。

第四、開(kāi)設(shè)學(xué)生講壇的優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)設(shè)學(xué)生講壇的優(yōu)點(diǎn)是由于學(xué)生與學(xué)生之間地位平等，少了一種課堂的威懾力，在一個(gè)學(xué)生講解后，會(huì)受到其他學(xué)生的質(zhì)問(wèn)。通過(guò)質(zhì)問(wèn)這種形式，學(xué)生就會(huì)將心中所想的展示出來(lái)，很多想法會(huì)是教師無(wú)法預(yù)設(shè)的，因?yàn)檫@是課堂的一種動(dòng)態(tài)生成，它能很好地補(bǔ)充教師預(yù)設(shè)的不足。

3.2 基于作圖方式的教學(xué)對(duì)策

根據(jù)思維呈現(xiàn)的作圖方式來(lái)看，物理習(xí)題教學(xué)的對(duì)策有兩種，分別是畫(huà)出思維導(dǎo)圖和勾畫(huà)物理圖景。

1. 畫(huà)出思維導(dǎo)圖

一方面，利用思維導(dǎo)圖將可能出現(xiàn)的各種情況都標(biāo)示出來(lái)。這樣做可使我們的思維變得更為嚴(yán)密，避免遺漏一些重要的物理因素；另一方面，利用思維導(dǎo)圖，能為順利找到破解問(wèn)題的方法服務(wù)。

案例3 在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為120匝和60匝。測(cè)得的電壓分別為8.2 V和3.6 V，據(jù)此可知電壓比與匝數(shù)比不相等，主要原因是 。

存在問(wèn)題：學(xué)生寫(xiě)不全“主要原因”。如何分析才不會(huì)遺漏？需要思維的清晰呈現(xiàn)。

思維呈現(xiàn)：首先，呈現(xiàn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)，如圖8所示。然后，根據(jù)圖8畫(huà)出如圖9所示的思維導(dǎo)圖，分析變壓器的各部分結(jié)構(gòu)在工作中存在的問(wèn)題。例如，原、副線圈導(dǎo)線的發(fā)熱問(wèn)題（即銅損問(wèn)題），鐵芯硅鋼片的發(fā)熱問(wèn)題（即鐵損問(wèn)題），鐵芯的漏磁問(wèn)題，鐵芯的振動(dòng)發(fā)聲問(wèn)題。思維導(dǎo)圖的形式有多種，圖9的思維導(dǎo)圖就是一種比較簡(jiǎn)明的表現(xiàn)形式。

2. 勾畫(huà)物理圖景

高中物理習(xí)題教學(xué)中經(jīng)常涉及到的作圖有作受力分析圖、作過(guò)程分析圖和作光路圖等，通過(guò)作圖，充分展現(xiàn)物理圖景，幫助我們降低思維上的難度，構(gòu)建合理的模型，做出正確的判斷。

案例4 2015年10月浙江選考物理卷第16題：為了從坦克內(nèi)部觀察外部目標(biāo)，在厚度為20 cm的坦克壁上開(kāi)了一個(gè)直徑為12 cm的孔，若在孔內(nèi)分別安裝由同一材料制成的如圖10所示的3塊玻璃，其中兩塊玻璃的厚度相同。比較坦克內(nèi)的人在同一位置通過(guò)玻璃能看到的外界角度范圍的大小。

存在問(wèn)題：學(xué)生建模困難。一是搞不清人眼在哪一位置觀察；二是不知道該找怎樣的邊界光線來(lái)作光路圖；三是受示意圖的影響，難以想到運(yùn)用極端的思想方法來(lái)構(gòu)建物理模型，比如將圖乙、圖丙的玻璃視為零厚度的物理模型。

思維呈現(xiàn)：首先將人眼的觀察位置定在右邊坦克孔的圓心處，然后將圖10中的圖乙、圖丙視為無(wú)玻璃的情況。根據(jù)圖11中玻璃有無(wú)的比較，可以推知有玻璃時(shí)的視角范圍更大一些。

由圖12的光路圖，可推知厚度相同的玻璃置于不同位置時(shí)，折射后將交于一點(diǎn)，說(shuō)明能看到的外界角度范圍是相等的。對(duì)于厚度不同的玻璃，1表示為厚玻璃的光路圖，2表示為較薄玻璃的光路圖，由圖12的光路圖可知，厚玻璃的視角范圍更大。

3.3 基于推理方式的教學(xué)對(duì)策

根據(jù)思維呈現(xiàn)的推理方式來(lái)看，物理習(xí)題教學(xué)的對(duì)策是從問(wèn)題的開(kāi)始處提問(wèn)。從問(wèn)題開(kāi)始處提問(wèn)，有利于物理思維的逐步呈現(xiàn)，這是一種基于推理方式的習(xí)題教學(xué)。隨著問(wèn)題的逐步深入，學(xué)生明白了所增條件的種種原因。

案例5 自由電子定向移動(dòng)速率的求解。如圖13所示為一段金屬銅導(dǎo)體。在學(xué)生學(xué)了電流的定義式后教師提出問(wèn)題：

（1）銅導(dǎo)線中的電流大小如何計(jì)算？

答：由電流的定義式I=來(lái)計(jì)算。

（2）式中Q的含義是什么？

答：指t時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量。

（3）金屬導(dǎo)體中的自由電荷是自由電子，其電荷量為e，則Q與e的關(guān)系怎樣？

答：Q=Ne，其中N為t時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的自由電子的個(gè)數(shù)。

（4）t時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的自由電子個(gè)數(shù)，即“橫截面積為s，長(zhǎng)為vt圓柱體內(nèi)自由電子的個(gè)數(shù)”。令單位體積內(nèi)自由電荷的個(gè)數(shù)為n，則N與n的關(guān)系怎樣？

答：N=ns（vt）。

（5）從微觀的角度來(lái)看，電流的大小又該如何表示？

柱體內(nèi)自由電子的個(gè)數(shù)就等于這段圓柱體內(nèi)銅原子的個(gè)數(shù)，這時(shí)，應(yīng)如何求n？

答：沿著以下的思路逐步展開(kāi)：

v=？？坩n=？？坩1 m3銅導(dǎo)體中有幾個(gè)銅原子？？坩銅原子數(shù)=物質(zhì)的量×NA？坩物質(zhì)的量=銅的質(zhì)量m/銅的摩爾質(zhì)量Mmol？坩銅的質(zhì)量m=ρV。

如再補(bǔ)充已知條件銅的摩爾質(zhì)量Mmol=64 g/mol，ρ=8.9×103 kg/m3，即可求得v的大小。

4 教學(xué)反思

常規(guī)的習(xí)題教學(xué)是直接告訴學(xué)生所有需要的已知條件后，讓學(xué)生推導(dǎo)自由電子定向移動(dòng)的速率，這樣的話，學(xué)生會(huì)淹沒(méi)在太多的已知條件中，不能充分呈現(xiàn)物理的思考過(guò)程。案例5的做法是從問(wèn)題的根源出發(fā)，從邏輯推理的方式入手，在條件不夠時(shí)，逐步增添所需的條件，它能很好地培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和處理實(shí)際問(wèn)題的能力。

總之，思維呈現(xiàn)下的物理習(xí)題教學(xué)將原本不可見(jiàn)的思維活生生地呈現(xiàn)在我們的面前，使我們“思有所依”。這是核心素養(yǎng)視域下物理習(xí)題教學(xué)的一個(gè)新興的研究方向，需要每一位物理教師去探索和總結(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡千斌.試述有效作業(yè)的設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2010，28（10）：76—77.

[2]蔡千斌.突破“區(qū)域內(nèi)高中學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展”瓶頸的調(diào)查報(bào)告[J].物理教學(xué)探討，2014，32（11）：21—23.

（欄目編輯 鄧 磊）