徐祥寶

(蘇州市教育科學研究院,江蘇 蘇州 215004)

1 引言

習題課是物理課堂教學的重要課型,也是中學物理教學必不可少的一個重要環(huán)節(jié)．物理解題的功能在于讓學生在解決問題的過程中加強概念辨析、進一步深刻理解概念,讓學生在解決問題的過程中理解規(guī)律、掌握規(guī)律,讓學生在解決問題的過程中運用知識、進行遷移拓展提升能力,從而實現(xiàn)物理思維方法的教育功能和培育物理學科核心素養(yǎng)[1]．

所以,解題是學習物理的必由之路．由于物理習題中的情景緊密聯(lián)系生活、科技,且在物理習題中各物理量之間的時間、因果、空間等等關系都盡情展現(xiàn),物理事件環(huán)環(huán)相扣,整個物理問題就是一個有機整體,其復雜性使解題教學成為抓住物理核心素養(yǎng)教育的非常重要的任務,利用物理解題實施物理核心素養(yǎng)教育是行之有效的[2]．因此,只要教師從解題入手,培養(yǎng)學生的反思意識,必將有利于學生物理素質的提高,真正體現(xiàn)物理解題的教育功能．

2 解題教學之困惑

在具體實施解題教學時,師生通常會有諸多困惑．

(1) 教師之困惑.

在具體進行解題教學時,許多教師認識到:審題是解對題的前提,對物理題的審題主要是明確題中告知的已知條件、隱含條件以及求什么．在具體進行解題教學時,許多教師也都明白:要讓學生既聽懂、又學會,就必須對學生進行思維訓練．因此,許多教師采用:一題多解,提高學生思維的深度;一題多變,提高學生思維的廣度;一題多測,提高學生發(fā)散思維能力;多題歸一,提高學生聚合思維的能力[3];以此來培養(yǎng)學生的思維能力,提升學生的核心素養(yǎng)．

更有甚者,有的教師為了提高學生的解題能力,甚至總結了解決物理實際應用題目的一般程序.

① 審題．提取題目中與物理模型有關的信息,如:物理現(xiàn)象、物理事實、物理情景、物理狀態(tài)、物理過程等.

② 提取題目中的主要因素,尋找關鍵詞.

③ 搜索與已有知識(如:實體、系統(tǒng)、過程等)相近的或直接的聯(lián)系,通過類比分析、聯(lián)想概括、邏輯推理或原型啟發(fā)等,建立物理模型,將新情景問題轉化為常規(guī)問題.

④ 選擇與物理模型相關的物理規(guī)律求解[4]．

然而,實際情況是:有些試題教師講了許多遍,學生自己也做了許多遍,甚至考試還考了許多遍,但結果是題目稍有變化學生仍然是錯了許多遍．所以,教師困惑:為什么學生會“一聽就懂、一點就通、一變就蒙、一做就錯”;為什么教師講得越明白學生會感到越糊涂呢?

(2) 學生之困惑.

解題教學后,聽到學生最多的聲音是“上課時我能聽懂老師講的內容,可是到自己做的時候就不會了”,“對于相對復雜的問題,我們普遍會處于無目標狀態(tài),不知道自己下一步要做什么,也不知道該從什么地方下手去做,更不知道怎樣才能得出符合要求的結果,解題效率很低,更不用說提升物理核心素養(yǎng)了”．

所以,學生困惑:為什么教師想到的解題方法我就想不到呢?物理真的這樣難學嗎?

3 原因分析與解決方法

(1) 原因之分析.

在具體解題時,已知條件和求什么學生一般較易找到．但隱含條件如何尋找?哪些屬于關鍵詞?解題的切入點在哪里?待求量和已知量之間到底存在怎樣的關系?對于這些問題,學生是非常茫然的．平時解較復雜的題目,這些關鍵點都是在老師的點撥下獲得的,學生可能不是真正弄懂的,所以學生會感到有些試題老師講了很多遍,自己做了很多遍,考試考了很多遍,結果題目稍有變化還是錯了很多遍[5]．

最主要的原因是碎片化解題．

由于學生的課堂學習時間是有限的,且教材是按照教學內容進行排列的,因此相同的方法往往是在知識學習的同一階段使用的,不同的知識學習階段使用不同的方法,無疑方法的使用是碎片化的．上面教師所講的解題一般程序仍然是碎片化的,沒有形成范式和套路,可操作性不強,學生依舊不知道如何審題、怎樣尋找隱含條件、如何確定關鍵詞,解題思路迷茫,解題方向不明確．如果平時解題教學僅僅是碎片的堆砌,就缺少前后聯(lián)系思考和抽象的想象,這樣的過程難以讓學生形成對方法的認識,難以掌握真諦,更難獲取通用的高層次規(guī)律．所以,只有讓學生掌握了解決一類問題的一般方法,學生才能在正確的解題思維指導下,科學、合理地解決問題,學生才能真正學會如何去思考,學會用什么方法去解決,學會如何找到突破口,讓解決物理問題變得更輕松,學習更有趣,效率更高．所以我們必須把主動權交給學生,使學生獲得分析問題、解決問題的鑰匙,大大提高解決問題的能力,提升核心素養(yǎng)．

(2) 解決之方法.

最好的解決方法是結構化解題,讓學生掌握解決一類問題的一般方法．

結構化方法解題,就是培養(yǎng)學生建立科學解題思想,讓學生用學到的學科知識利用科學的方法解決問題,結構化方法解題是基于結構化思維的一種解題方法．

所謂結構化思維,就是在思考分析解決問題時,以一定的流程順序進行的一種范式和套路．掌握結構化思維,就能熟練使用某種方法有效地解決某一類問題．

4 結構化解題模式簡介

結構化解題模式能讓學生自然而然的確定解題切入點,在確定切入點的基礎上自然而然地尋找一系列的問題鏈——將一道習題變成一個問題鏈,將一個復雜的問題轉化為一個個簡單但具有相互關聯(lián)的小問題．讓學生在解決一個個小問題的過程中自然而然的去審題、去分析過程、去找相關的關鍵詞、去分析相關圖像、去建模,從而能自然而然的尋找到隱含條件,順利解決問題．所以,我們將結構化解題模式也稱作“自然而然法”解題模式,此模式具有很強的可操作性．

“自然而然法”解題模式主要凸顯三個方面.

4.1 具體應用分析法的思路

物理習題紛繁復雜,不要幻想一下子解決整個問題．如果能把大問題(較復雜的問題)分解成若干個小問題(較為簡單的子問題),逐個將小問題(子問題)解決,最終就可完整的解決大問題(較復雜問題)．笛卡爾也曾說過:“把你所考慮的每一個問題,按照可能和需要分成若干個部分使它們更易于求解．”對分解出來的子問題進行解答,然后再經過疊加或組合就可得到原問題的答案[5]．

這就是化整為零各個擊破的策略,它是攻克復雜問題的一大法寶．如何在已知與未知之間建立橋梁?可有兩個方向,也就是說解決問題有兩種思路,即綜合法和分析法．所謂綜合法,就是從條件到結論的思維方式．從給定的條件出發(fā),朝著結論的方向一步步推導,然后順利到達終點,這就是綜合法．如果是從結論到條件的思維方式,則就稱之為分析法．我們首先盯住結論,問想要得到這個結論需要知道什么條件?為了得到這個條件又需要知道哪個條件,為了那個條件又需要證明什么?這樣一步步推導,順利到達已知的條件,整個問題解決就結束了．比較而言,分析法更容易讓人把握住思路,就中學生的認知特點和能力而言,分析法的思路是值得推薦的,它往往可以直達問題的本質．

分析法如何應用于物理解題?

首先,我們要解決什么問題,那么,理所當然這個問題就該是解決的切入之處,所以所求量就是切入點．其次,隱含條件是什么? 我們首先盯住這個所求量,思考想要得到這個所求量需要知道什么條件?為了得到這個條件又需要知道另外的什么條件?依次推導,可順利到達已知的條件,整個問題解決就結束了[1]．其中構建所求(未知)量和已知條件之間的橋梁,就是它們中間的過渡條件,也就是所謂的隱含條件．所以,隱含條件就是求解未知量的物理規(guī)律(公式)或結論等．思維程序如圖1所示．

圖1

案例1.(為了簡潔的說明問題,選取初中習題作為案例).

小明家使用的是天然氣熱水器,其最大容積為40 L．裝滿15 ℃的水后進行加熱,當水的溫度達到40 ℃時,小明家的天然氣表的示數(shù)從2365.89 m3變?yōu)?366.05 m3．已知天燃器的熱值為3.2×107J/m3,求該熱水器的熱效率．

(2) 解答過程(倒過來寫).

水的質量為m=ρ水V水=1×103kg/m3×40×10-3m3=40 kg，

水吸收的熱量為Q有用=Q水吸=cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×40 kg×(40 ℃-15 ℃)=4.2×106J;

燃氣的體積為V燃氣=V2-V1=2366.05 m3-2365.89 m3=0.16 m3;

燃氣燃燒放出的總熱量為Q總=qV燃氣=3.2×107J/m3×0.16 m3=5.12×106J;

分析法突出了解題思路的結構性與邏輯性．

4.2 呈現(xiàn)思維可視化的過程

“自然而然法”解題模式引入思維導圖,思維導圖作為一種思維可視化的工具,可將問題解決的思路和過程呈現(xiàn)出來,不僅有利于學生學會如何分析、思考、解決問題,而且有利于學生進行反思．上題解題時邊分析邊記錄的思維導圖如圖2所示．

圖2

利用思維導圖解題,能夠結構化呈現(xiàn)分析過程,可以清晰地看到解題的內在思路,過程分析清晰全面,解題思路一目了然．運用思維導圖完成解題,可形成好的解題流程、使解題過程模式化,對學生解決物理問題有很大的幫助．利用思維導圖解題不會出現(xiàn)思維斷裂,有利于發(fā)現(xiàn)解題中的問題,便于思考解決對策,易于及時調整,是克服解題思維中思維障礙的有效方法．

4.3 試錯逼近多角度的指向

采用結構化思維方式,對所研究的問題進行多側面、多角度的“試錯逼近”目標,從而探索出解決問題的最佳途徑,提高解題技巧,同時也可培養(yǎng)學生處理實際問題的本領,提升核心素養(yǎng)．

案例2.(2016年青島市中考題)小雨通過如圖3(a)所示滑輪組將水中物體勻速提升至空中,他所用拉力F與繩子自由端移動的距離s的關系圖像如圖3(b)所示．物體在空中勻速上升過程中滑輪組的機械效率為85%,每個滑輪等重,不計繩重、摩擦和水的阻力．求物體的密度是多少?

圖3

在解題時,邊分析邊記錄的思維過程導圖如圖4所示．

圖4

(2) 解答過程(略).

綜上所述,我們可將“自然而然法”解題模式用下列簡化圖式圖5表示．

圖5

4.4 運用模式解決復雜問題

案例3.給你一個額定電壓為3.8V的小燈泡,一個電壓約為9V的電源,滑動變阻器一個,定值電阻R0一個,開關3個,導線若干,要求只用一個電壓表測量小燈泡的額定功率,測量時不得改變電路的連接,請設計出測量電路圖．

利用“自然而然法”解題模式,可將該比較復雜的設計問題分解成一連串簡單的有關聯(lián)的問題:如常規(guī)的功率測量→特殊測量(單表測量)→特定要求測量．

(1) 常規(guī)的功率測量設計.

設計思路導圖:

圖6 圖7

分析題意發(fā)現(xiàn),題目要求測額定功率,故所測電壓必須是額定電壓,現(xiàn)電路所測電壓不保證是額定電壓,則必須通過滑動變阻器進行調節(jié),使加在燈泡兩端的電壓為額定電壓,可設計出如圖7所示電路圖．

(2) 特殊(單表)測量設計.

設計思路導圖(如圖8):

圖8

圖9

因為是用定值電阻R0替代電流表,所以R0應接在原電流表的位置,R0也只有與燈泡串聯(lián),才能保證通過它的電流也就是小燈泡通過的電流,由此可得如圖9所示電路．

(3) 特定要求測量設計.

分析題意發(fā)現(xiàn),題目要求測量時不得改變電路的連接,故電壓表不能用來直接測量U1,但其可由串聯(lián)電路特點求得,U1等于燈與定值電阻兩端的電壓U2減去U額設計思路導圖(如圖10):

圖10

圖11

關鍵是要測出U2,但電壓表又不好移動,所以必須將b與c兩點用導線連接起來才有可能測量,如圖11所示．但此時電壓表測出的電壓并非是U2,因為R0被短接了,只有斷開ab導線,電壓表才能測出U2,所以ab導線在測U額時要連通,在測U2時要斷開,要達到該要求只能在ab導線中串接一個開關S2,如圖12所示;同理,在測U額時bc導線要斷開,在測U2時要連通,要達到該要求也只能是在bc導線中串接一個開關S3,如圖13所示．

圖12

至此測量電路圖設計完畢,問題基本完整解決．

具體操作為:滑動變阻器阻值放在最大值;閉合開關S1和S2,斷開開關S3,調節(jié)滑動變阻器使得電壓表的示數(shù)為U額并記錄；斷開S2,閉合S3,測得電壓U2并記錄．

5 結語

綜上所述,“自然而然法”解題模式具有如下優(yōu)勢.

(1) 可單刀直入找準切入點,不需化時分析;

(2) 能夠把握解題思路且指向明確;

(3) 通過化整為零各個擊破的策略,可將大(復雜)問題拆成小(簡單)問題,逐個將小(簡單)問題解決,大(復雜)問題最終就可完整解決．

(4) 可在解決一個個小問題的過程中,自然而然的有目的的且具有針對性的進行審題分析、尋找隱含條件、確定關鍵詞、進行建模和用好已知條件,在試錯逼近過程中尋找最優(yōu)解題途徑;

(5) 由于“自然而然法”解題模式應用了思維導圖,使思維過程可視化了,在分析問題過程中可防止思維斷裂,使解題方向更確定．

總之,“自然而然法”解題模式適合于任何題型和各年級段,是一種普適的可操作性強的解題范式和套路,能夠有效培養(yǎng)學生思維的嚴密性、邏輯的嚴謹性、科學辯證的分析問題的能力,特別能提升學生解決新問題的關鍵能力,培育物理學科核心素養(yǎng)．