卞志榮 劉 琦

(江蘇省天一中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214101)

1 問(wèn)題的提出

多年來(lái)的課堂觀察發(fā)現(xiàn)不少教師在教學(xué)中尤其是習(xí)題課教學(xué)中“重知識(shí),輕方法”、“重解題,輕分析”、“重表象,輕本質(zhì)”的現(xiàn)象比較普遍,使得教學(xué)效果和對(duì)學(xué)生的素養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)生了較大的偏差.學(xué)生學(xué)習(xí)狀況表現(xiàn)為: (1) 被動(dòng)接受,迷信權(quán)威,批判精神和創(chuàng)造思維明顯不足; (2) 只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林,知識(shí)浮于表面,本質(zhì)認(rèn)識(shí)不足,遷移能力差,不能舉一反三; (3) 鉆研精神不足,知難而退,對(duì)學(xué)科本質(zhì)認(rèn)識(shí)不到位,解題時(shí)優(yōu)柔寡斷,決策能力較低.

舉例來(lái)說(shuō),高二學(xué)生對(duì)電流表、電壓表的認(rèn)識(shí)往往定勢(shì)于初中的認(rèn)知即用電壓表測(cè)電壓應(yīng)并聯(lián)于被測(cè)電路中;用電流表測(cè)電流應(yīng)串聯(lián)到被測(cè)電路中,在此基礎(chǔ)上高二又深入學(xué)習(xí)了電流表的工作原理和電表的改裝,應(yīng)該說(shuō)學(xué)生對(duì)電表的認(rèn)知能力得到了較大的提高,可是好多學(xué)生遇到如圖1所示的電路時(shí)仍然感到驚奇、納悶,甚至百思不得其解.解決這類(lèi)問(wèn)題仍顯得力不從心,甚至束手無(wú)策.造成這種現(xiàn)象的原因就是沒(méi)有真正理解電流表和電壓表的本質(zhì):電流表就是能顯示自身電流的小電阻;電壓表就是能顯示自身電壓的大電阻.尚若知道這一點(diǎn),即使第一次見(jiàn)到上述電路也就不足為奇了.像這樣的案例在高中物理教學(xué)中舉不勝舉.可見(jiàn),加強(qiáng)學(xué)科本質(zhì)的教學(xué)顯得尤為重要.這不僅是學(xué)科教學(xué)的要求,也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑,當(dāng)然也是教學(xué)質(zhì)量高位持續(xù)發(fā)展的有效抓手,我們沒(méi)有理由不予以高度重視.

圖1

2 從高考中“輕質(zhì)模型”的考查談學(xué)科本質(zhì)教學(xué)的重要性

“輕質(zhì)模型”即指質(zhì)量不計(jì)的輕繩、輕桿、輕彈簧等,是高中物理中常見(jiàn)而重要的理想模型.近幾年高考中常有涉及.統(tǒng)計(jì)顯示,此類(lèi)試題得分率相當(dāng)之低,究其原因反映了學(xué)生對(duì)輕質(zhì)模型的本質(zhì)認(rèn)識(shí)明顯不足.我們?cè)谄綍r(shí)與學(xué)生交流中了解到,一些學(xué)生見(jiàn)到此類(lèi)問(wèn)題就心驚膽戰(zhàn),還有一些學(xué)生感覺(jué)即使解答正確仍心存疑慮.究其原因從客觀上來(lái)說(shuō),以輕質(zhì)模型為背景的力學(xué)試題,綜合性強(qiáng),能力要求高;但從主觀上來(lái)說(shuō),我們平時(shí)的教學(xué)中對(duì)學(xué)科本質(zhì)教育的重視不夠或有缺失之處.

2.1 輕彈簧模型

問(wèn)題呈現(xiàn):2004年四川高考有這樣一道題:如圖2所示,4個(gè)完全相同的彈簧都處于水平位置,他們的右端受到大小皆為F的拉力作用,而左端的情況各不相同: ①中彈簧的左端固定在墻上； ②中彈簧的左端受大小也為F的拉力作用； ③中的彈簧的左端拴一小物塊,物塊在光滑的桌面上滑動(dòng)； ④中彈簧的左端拴一小物塊,物塊在有摩擦的桌面上滑動(dòng).若認(rèn)為彈簧的質(zhì)量都為0,試比較上述4種情況彈簧的伸長(zhǎng)量l1、l2、l3、l4的大小關(guān)系.

圖2

本質(zhì)方法:好多學(xué)生都能根據(jù)牛頓第三定律和二力平衡,判斷出①、②兩種情況中彈簧伸長(zhǎng)量是相等的,即l1=l2.但對(duì)于③、④兩種情況卻感到困惑,誤認(rèn)為③中左端拴著小物塊在光滑水平面上運(yùn)動(dòng),l3應(yīng)最小;④中桌面有摩擦,l4最大.錯(cuò)誤的原因是想當(dāng)然,沒(méi)有根據(jù)輕彈簧模型的本質(zhì)屬性細(xì)致分析:因?yàn)檩p彈簧的質(zhì)量為0,由牛頓第二定律得到:彈簧所受合力必為0,故彈簧兩側(cè)所受拉力必相等.所以無(wú)論彈簧是否一端固定還是與物體相連;無(wú)論物體是在光滑平面還是在粗糙平面上運(yùn)動(dòng),彈簧的形變量都相同.

2.2 輕繩模型

圖3

問(wèn)題呈現(xiàn):2011年江蘇高考最后一道選擇題:如圖3所示,傾角為α的等腰三角形斜面固定在水平面上,一足夠長(zhǎng)的輕質(zhì)綢帶跨過(guò)斜面的頂端鋪放在斜面的兩側(cè),綢帶與斜面間無(wú)摩擦.現(xiàn)將質(zhì)量分別為M、m(M>m)的小物塊同時(shí)輕放在斜面兩側(cè)的綢帶上.兩物塊與綢帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)相等,且最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力大小相等.在α角取不同值的情況下,下列說(shuō)法正確的有

(A) 兩物塊所受摩擦力的大小總是相等.

(B) 兩物塊不可能同時(shí)相對(duì)綢帶靜止.

(C)M不可能相對(duì)綢帶發(fā)生滑動(dòng).

(D)m不可能相對(duì)斜面向上滑動(dòng).

本質(zhì)方法:多數(shù)學(xué)生對(duì)本題有疑問(wèn),關(guān)鍵是沒(méi)有認(rèn)識(shí)到輕繩模型的本質(zhì):輕質(zhì)綢帶質(zhì)量不計(jì),由牛頓第二定律得到輕質(zhì)綢帶所受合力必為0,則M與m對(duì)綢帶的摩擦力必大小相等,方向相反,這是解決本題的關(guān)鍵.其它選項(xiàng)要判斷M與m相對(duì)綢帶或斜面是否滑動(dòng),就要分析M與m的重力沿斜面方向的分力與摩擦力的大小關(guān)系,故必須對(duì)傾角進(jìn)行討論,討論時(shí)一定要抓住本質(zhì)屬性:FfM=Ffm.

2.3 輕桿模型

圖4

(1) 若彈簧的勁度系數(shù)為k,求輕桿開(kāi)始移動(dòng)時(shí),彈簧的壓縮量x;

(2) 求為使裝置安全工作,允許該小車(chē)撞擊的最大速度vm;

(3) 討論在裝置安全工作時(shí),該小車(chē)彈回速度v′和撞擊速度v的關(guān)系.

本質(zhì)方法:輕彈簧與輕桿均屬輕質(zhì)模型,雖然本題中將這兩個(gè)模型組合在一起,再加平時(shí)教學(xué)不大提及的表述“勁度系數(shù)足夠大”成為了干擾因素,學(xué)生首次見(jiàn)到這樣的裝置就被嚇懵了,但透過(guò)表面現(xiàn)象,其仍沒(méi)有改變輕質(zhì)模型的本質(zhì)“質(zhì)量為0,所受合力必為0”,分析解決問(wèn)題時(shí)必須牢牢抓住這一點(diǎn).

從以上幾道高考題的評(píng)析,至少給筆者兩點(diǎn)啟示:

(1) 教學(xué)中要加強(qiáng)模型的本質(zhì)研究.這類(lèi)題目得分率極低,考出了平時(shí)教學(xué)的薄弱之處:教師對(duì)輕質(zhì)模型只是強(qiáng)調(diào)不計(jì)質(zhì)量,沒(méi)有深入挖掘不計(jì)質(zhì)量帶來(lái)的本質(zhì)變化.現(xiàn)歸納大致有以下幾點(diǎn): ① 輕質(zhì)物體具有獨(dú)特的性質(zhì).因其質(zhì)量為0,在任何情況下所受的合力必須為0.② 輕質(zhì)模型具有依賴(lài)性和被動(dòng)性.當(dāng)其受到外界影響時(shí),它會(huì)隨時(shí)改變自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),滿(mǎn)足外界的需求做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng),不需要反應(yīng)時(shí)間與過(guò)程.③ 輕質(zhì)物體受到的合力雖然為0,但既可表現(xiàn)為勻速運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),又可處于非平衡狀態(tài).加速度可以為任意值,且在極短的時(shí)間內(nèi),其速度變化可以無(wú)窮大,故其速度可以突變.

(2) 教師轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念.變“灌輸式”為“探究式”教學(xué),讓學(xué)生經(jīng)過(guò)體驗(yàn)、探究和研究,提煉方法,發(fā)展能力,提高素養(yǎng),才能在遇到新的情景問(wèn)題時(shí)能進(jìn)行有效突破,這正是高考擔(dān)當(dāng)?shù)倪x拔功能所在.

3 落實(shí)學(xué)科本質(zhì)教育的案例分析

高中物理所有實(shí)際問(wèn)題都是有模型依據(jù)的,蘊(yùn)涵著本質(zhì)的規(guī)律,物理習(xí)題教學(xué)是學(xué)生體會(huì)和實(shí)踐物理模型方法,提高分析能力的重要場(chǎng)所,教師應(yīng)加以重視和給予方法指導(dǎo),進(jìn)行方法總結(jié).現(xiàn)以電學(xué)為例加以具體說(shuō)明.

圖5

案例1.在許多精密的儀器中,如果需要較精確地調(diào)節(jié)某一電阻兩端的電壓,常常采用如圖5所示的電路.通過(guò)兩只滑動(dòng)變阻器R1和R2對(duì)一阻值為500Ω左右的電阻R0兩端電壓進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào).已知兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的最大阻值分別為200Ω和10Ω. 關(guān)于兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的連接關(guān)系和各自所起的作用,下列說(shuō)法正確的是

(A) 取R1=200Ω,R2=10Ω,調(diào)節(jié)R1起粗調(diào)作用.

(B) 取R1=10Ω,R2=200Ω,調(diào)節(jié)R2起微調(diào)作用.

(C) 取R1=200Ω,R2=10Ω,調(diào)節(jié)R2起粗調(diào)作用.

(D) 取R1=10Ω,R2=200Ω,調(diào)節(jié)R1起微調(diào)作用.

圖6

本質(zhì)方法:并聯(lián)電路的總電阻與小電阻接近,因此小電阻對(duì)并聯(lián)電路影響大,用小電阻做粗調(diào);串聯(lián)電路的總電阻與大電阻接近,因此大電阻對(duì)串聯(lián)電路影響大,用大電阻做粗調(diào).

案例2.在如圖6所示電路中,閉合電鍵S,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P向下滑動(dòng)時(shí),4個(gè)理想電表的示數(shù)都發(fā)生變化,電表的示數(shù)分別用I、U1、U2和U3表示,電表示數(shù)變化量的大小分別用ΔI、ΔU1、ΔU2和ΔU3表示,下列比值正確的是

圖7

案例3.某同學(xué)根據(jù)提供的如下實(shí)驗(yàn)器材,進(jìn)行了選擇,設(shè)計(jì)出測(cè)量金屬絲的電阻率的電路(已知其長(zhǎng)度為L(zhǎng),直徑為D,電阻小于50Ω).要求操作簡(jiǎn)便,又盡可能有較高的測(cè)量精度,并能得到多組數(shù)據(jù).

實(shí)驗(yàn)器材包括：

電流表A1(量程為10mA,內(nèi)阻r1=40Ω);

電流表A2(量程為500μA,內(nèi)阻r2=750Ω);

電壓表V(量程為10V,內(nèi)阻為10kΩ);

保護(hù)電阻R1(阻值為100Ω);

滑動(dòng)變阻器R2(總阻值約為20Ω);

電池E(電動(dòng)勢(shì)為1.5V,內(nèi)阻很小);

開(kāi)關(guān)S及導(dǎo)線(xiàn)若干.

本質(zhì)方法:測(cè)量電阻的基本方法是伏安法,但本題所給電壓表量程太大而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量,且要求方法簡(jiǎn)捷,能測(cè)得多組數(shù)據(jù).因此應(yīng)該另辟蹊徑,想到其它方法.① 已知內(nèi)阻的電流表可作為電壓表使用;已知內(nèi)阻的電壓表可作為電流表使用;若量程不夠,可以進(jìn)行電表改裝;② 若無(wú)電流表而有兩只電壓表,“伏伏法”測(cè)電阻的本質(zhì)就是用定值電阻和電壓表代替電流表的作用;同樣若無(wú)電壓表只有兩只電流表來(lái)測(cè)電阻的“安安法”其本質(zhì)是用其中的一只電流表和定值電阻代替電壓表的作用.

案例4.來(lái)自質(zhì)子源的質(zhì)子(初速度為0),經(jīng)一加速電壓為800kV的直線(xiàn)加速器加速,形成電流強(qiáng)度為1mA的細(xì)柱形質(zhì)子流.已知質(zhì)子電荷量e=1.60×10-19C.假定分布在質(zhì)子源到靶之間的加速電場(chǎng)是均勻的,在質(zhì)子束中與質(zhì)子源相距L和4L的兩處,各取一段極短的相等長(zhǎng)度的質(zhì)子流,其中的質(zhì)子數(shù)分別為N1和N2,則N1∶N2等于多少?

本質(zhì)方法:電荷的定向移動(dòng)形成電流,但其產(chǎn)生的本質(zhì)原因是:當(dāng)導(dǎo)體兩端加上電壓后,導(dǎo)體內(nèi)建立起恒定電場(chǎng),自由電荷在電場(chǎng)力的作用下加速運(yùn)動(dòng),并遵循電荷守恒定律即通過(guò)任一截面電荷量相等.

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者曾對(duì)學(xué)生解答類(lèi)似問(wèn)題進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)課堂互動(dòng)情況總結(jié)得出,發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)科本質(zhì)之科學(xué)方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用上存在以下幾種突出表現(xiàn):第一是單獨(dú)講方法能說(shuō)出點(diǎn)道道,但主動(dòng)運(yùn)用意識(shí)不強(qiáng);第二是就題論題,不能挖掘?qū)嶋H問(wèn)題所隱含的本質(zhì)方法;第三是思維停留在模仿?tīng)顟B(tài),對(duì)訓(xùn)練過(guò)的問(wèn)題或題型有駕輕就熟之感,而對(duì)未見(jiàn)過(guò)的新情景問(wèn)題表現(xiàn)出有點(diǎn)茫然;第四是習(xí)慣于死記硬背,對(duì)某些思想方法的本質(zhì)并不理解,如對(duì)半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻,根本就不知道本質(zhì)是利用并聯(lián)電路的分流原理等. 所以,在物理習(xí)題教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)研究問(wèn)題的基本思路和方法指導(dǎo),進(jìn)行科學(xué)方法的教育,達(dá)到提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力.

常言道:施教之功,貴在引導(dǎo),要在轉(zhuǎn)化,妙在“開(kāi)竅”. 筆者認(rèn)為教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一應(yīng)放在如何引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)方法去探究新的問(wèn)題,或在科學(xué)探究過(guò)程中體驗(yàn)學(xué)科本質(zhì),實(shí)現(xiàn)思維方法的轉(zhuǎn)化和物理本質(zhì)的“開(kāi)竅”.