简化思维在初中物理教学中实施

2022-09-21 16:46:56 来源:写作指导

摘要:本文简述“简化”思维在初中阶段的重要性,阐明初中物理教学不仅要注重科学性与严谨性,还应与学生的心理发展水平相适应.在此基础上提出初中物理教师可以从弱化定量分析、忽略次要因素、建构物理模型、运用等效思维、后续学习“留白”等方面应用“简化”思维开展物理教学,以保护学生学习物理的积极性,实现学生科学思维与解决实际问题等能力的逐级提升.

关键词:简化思维;体验探究;物理模型;等效法

牛顿说:“将复杂的现象看得简单,可以发现新规律.”物理学是一门极具简约之美的学科.从牛顿三大定律到广义相对论,再到量子理论,物理学家们都试图以一种最简约的方式,将宇宙中宏观与微观世界中的相互作用及其规律作高度的凝炼与概括.大道至简,用简洁的公式、理论将复杂的物理世界相统一,将“复杂问题简单化”是物理学研究的重要思维方法.初中学生心理发展水平处于由具体运算阶段(具体的逻辑思维时期)向形式运算阶段(无限制的逻辑思维时期)过渡的时期,对一些抽象事物的理解通常需要借助事物的表象做支持[1].“复杂问题简单化”(下文简称“简化”)的思维方法比较符合初中学生的认知水平,有助于保护学生学习物理的积极性,提高学生课堂参与度,营造生动活泼的物理教学氛围.在初中物理教学中,教师应高度重视“简化”思维的渗透,促使学生领悟“简化”的思维方法,提升学生运用知识解决实际问题等能力,进而实现核心素养的发展.本文笔者从初中物理教学实践层面,就“简化”思维在初中物理教学活动的策略与路径进行研究与探讨.

1弱化定量分析,丰富体验探究

初中学生数据分析能力相对较弱,故对一些物理概念、规律只需大致了解,不宜在定量分析上盲目拔高.案例1探究光从一种介质斜射入另一种介质中时折射角与入射角大小的定量关系.《义务教育物理课程标准(2011年版)》(以下简称《标准》)中对“光的折射”要求是:“通过实验,探究并了解光的折射现象及其特点.”[2]故课堂教学的重点应放在有关“光的折射”定性探究实验上,学生通过自主探究,了解光在不同介质中偏折的大致规律,而非定量关系.再如,探究滑动摩擦力大小与压力大小的定量关系等.《标准》对摩擦力的要求是:“通过常见事例或实验,了解摩擦力.”故在课堂教学中教师应充分创设与摩擦力相关的真实情境,设计足够多的有关摩擦力的体验活动,增强学生对摩擦力的感性认识[3].《标准》中凡要求学生“了解”“知道”的物理知识,无需在定量关系上过分较真,但要求“理解”“解释”“计算”的核心内容,则需要仔细打磨,定量分析.故初中物理教师应反复品读研究《标准》,明确“认知性目标行为动词”,熟悉学生对于各种物理知识需要达到的层次,从而实现在教学中既考虑到学科的严谨性、科学性,又兼顾学生的认知水平.

2忽略次要因素,把握核心要义

在科学探究过程中,有时通过忽略次要因素、突出主要因素的方式简化实验过程,降低研究难度,体现通过“理想化模型”的思维方法实现“简化”思维在实验探究中的应用.案例2苏科版教材“探究平面镜成像特点”实验(如图1所示),教师引导学生利用玻璃板代替平面镜,并利用两个完全相同的棋子按照教材步骤进行实验.具体操作要求:“将棋子A放在镜前,观察棋子A的像;将另一个相同的棋子B放在镜后并移动,使它与棋子A的像完全重合.”但学生在操作过程中却发现两个像,其中一个较清晰,另一个则较暗,便问教师接下来应该如何操作?教师首先让学生自己说说想法,部分学生认为应着重研究清晰的像,也有一些学生认为两个都要记录,相信很多教师在教学中也遇到这个情况.其原理大致如下:光先后经历两次界面,先由空气进入玻璃(第一个界面),同时发生反射与折射,反射的光线进入人眼形成第一个较清晰的“像”;而通过第一个界面的折射光线又在第二个界面发生反射,反射光线又回到第一个界面再发生折射,最终这部分光线历经“折射—反射—折射”进入人眼,便形成第二个不清晰的“像”.但教师在此处不宜过多地拓展,笔者建议在教学中不妨直接要求学生首先研究较清晰的像,以保证实验活动正常开展,然后在这里设下悬疑,布置作业让学生课后自主查阅资料解释此现象,亦可在充分学习“光的折射”知识后,再就此话题展开讨论.在物理课堂中遇到一些计划外的“生成”实属普遍,教师应理性对待,既要尊重事实,鼓励学生勇于质疑,又应考虑课堂的整体架构,合理分配时间,不宜在次要因素上过分纠缠,把握核心要义即可.

3建构物理模型,洞悉生活物理

生活中处处存在物理,物理问题往往融于学生熟悉的生活情境之中,这就要求学生能够将具体的生活情境转化为抽象的物理模型,这种“简化”思维的应用手段在初中物理教学中应用较为丰富.案例3(某市2019中考题)某饮水机具有恒温功能,其内部简化电路如图2所示(R1、R2均为加热电阻),闭合S,当温控区温度达到60℃时,通过温度传感器与电磁铁共同作用,使饮水机进入保温状态,此时电磁铁衔铁应与(选填“a”或“b”)触点接触.分析:由电路图可知,衔铁接b触点位置时,只有电阻R1接入电路,此时电路中电阻最小,电源电压U一定,由P=U2/R可知,此时电路的功率最大,饮水机处于加热状态;当衔铁接a触点时,R1、R2串联,电路中总电阻最大,此时电路的总功率最小,饮水机处于保温状态.然而,此题得分率只有58%左右,可见较高比例考生无法准确辨别加热、保温两种工作状态下的电路结构.事后调查发现部分考生在考试时根本看不懂这道题的电路,他们认为电路图过于复杂,因此后续的电路分析便无从谈起,错误是必然.事实上,只要将本题受控电路分别与a、b相接触时的简化电路图画出,再结合电功率公式便可轻松解决该类问题.故将复杂的电路简单化,是解决这类电学题的关键.在初中阶段,应用这种“简化”思维的案例并不罕见,在初中物理教学中广泛渗透“简化”思维是当前初中物理教学的重要环节,应该引起广大初中物理教师的足够重视.于复杂的生活情境中建立物理模型,便于学生洞悉事物的本质,也有利于学生更轻松地解释很多生活中的物理现象,提高运用知识解决问题的能力[4].

4运用等效思维,促进思维进阶

利用“简化”思维解决电磁类问题,其实质是“等效”思维的运用,学会将复杂电路等效为简化电路图是解决电学问题的关键.故教师在教学中要善于引导学生运用等效思维实现“简化”,同时促进学生思维有效进阶.案例4如图3所示电路装置,较多学生刚开始看不懂该电路,解释汽车启动的原理更无从谈起.此时教师切不可急于求成、强行灌输,而应适时地放慢61节奏,鼓励学生尝试画出旋转钥匙(相当于闭合开关)前后控制电路与受控电路的简要等效电路图.在学生画电路图的过程中,必然要对电路结构进行思维加工,那么离准确认识电路便更近一步.若学生仍感到困难,则教师可将问题再进一步细化:“钥匙相当于开关,那么钥匙在控制电路还是受控电路中?”“开关闭合前,控制电路和受控电路是否工作?判断依据是什么?请画出等效电路图.”“闭合开关后,控制电路是什么状态?杠杆会怎样转动?受控电路又是什么状态?”“再断开开关后,控制电路又是什么状态?杠杆又会怎样转动?为什么?受控电路呢?”等.某学生在教师鼓励引导下画出了经等效、简化处理后的汽车启动原理图(如图4所示).事实上学生画出的等效电路图可能各不相同,有的甚至不太科学、严谨,但重要的是学生能在画图过程中真正参与思考,并结合自己绘制的等效电路图对汽车启动的工作原理进行大致描述.比如,要能说出图中开关1代表的汽车部件名称,电阻1代表的元件名称,开关2的运作机制等等.以上运用等效思维将复杂的电路装置等效成简单又熟悉的电路图,能有效地将复杂的电学问题简单化[5],促使学生脱离复杂的电路形态,揭开复杂电路最本真的面目,使学生能够真正理解电路结构、工作状态及原理.这种利用等效思维将物理问题简化的方式,是激发学生积极深入思考的有效手段,也是学生分析问题、处理信息等能力提升和思维进阶的重要路径.

5重视简化条件,后续学习“留白”

教师在渗透、实施“简化”思维过程中亦发现诸多不足,如“学生定量研究的抽象逻辑思维能力不足,容易导致学生形成错误的前概念、前规律,误认为简化后的物理模型就是事物的本真”等,以至于对学生后续物理学习产生不良影响.案例5初中阶段通常忽略电源内阻,认为电源电压恒定不变.但进入高中阶段后,学生会发现由于电源内阻的存在,随着外电路电阻值变化,必将导致输出电压发生改变.这种初高中阶段的不一致势必会影响学生高中物理电学知识的学习.再如介绍串联与并联电路及其特点时,部分教师会误导学生“并联电路各支路间用电器工作互不影响”,但事实上并联电路各支路虽独立工作,但由于工作的支路数量改变必然会影响外电路总电阻值的变化,那么原支路所分电压也必将发生变化,原支路的用电器实际电功率发生变化也是必然,最终“并联电路各支路间用电器工作是相互影响的”[6].只是初中阶段教师在教学中将其“简化”,使复杂的电路结构简单化,降低学生学习难度,但却使学生形成错误的前观念,对学生后续高中物理学习造成障碍.故初中物理教师在教学中既要善于将复杂问题简单化,又应留有余地说“有条件的话”,以防对学生后续学习造成不良影响.初中物理教师在日常物理教学中,应充分研究《课标》、教材、教法,既要确保知识的科学性、严谨性,又应兼顾学生的“最近发展区”,做到以研促教、“大道”至简.当然,应用“简化”思维进行初中物理教学时也应注意把握好“尺度”,避免绝对化,这样才能有效提升学生思维与解决实际问题等能力,为后续物理学习埋下“契机”.

参考文献:

[1]封小超,王力邦.物理课程与教学论[M].北京:科学出版社,2005.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2012.

[3]闫金铎,郭玉英.中学物理教学概论(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2019.

[4]张鹤,柏露枝.简化科学思维回归物理本真[J].物理教师,2019,40(12):18-20.

[5]卢义刚.重视比较思想提升思维能力[J].物理教师,2020,41(04):26-29.

[6]卢义刚,殷正徐,程万美.基于初高中衔接的初中物理教学案例———如何向初中学生解释与“电源内阻”有关的问题[J].物理教师,2016,37(09):32-34.

作者:卢义刚 单位:金陵中学龙湖分校