物理核心素养之科学思维的教学心得

物理核心素养之科学思维的教学心得

东莞市第二高级中学

柴志刚

摘要：科学思维是物理学科核心素养之一，主要包括科学推理、科学论证、质疑创新等要素。本文通过分析高中物理学生比较棘手的问题——功的计算，谈一下在遇到难点之后如何引导学生进行科学推理，化难为易，如何让“发展学生的物理学科核心素养”在常规的教学中落地。

关键词：高中物理；科学推理；变力做功；转换研究对象

功的计算公式：，该公式只适用于恒力做功。当遇到变力做功或者物体的位移不易计算的问题时，可以通过科学推理来转换研究对象间接地计算功。以上观点是本文要解决的第一个问题，即为什么要转换研究对象，下面将通过实例进一步分析说明，同时在分析的过程中还要阐明另外一个问题：为什么能够转换研究对象？

一、实例分析

（一）变力做功问题

此类问题不能直接用公式进行计算，必须想办法“化变力为恒力”，而转换研究对象是一种非常实用的方法。

【例1】如图1所示，固定的光滑竖直杆上套着一个滑块，滑块用轻绳系着绕过光滑的定滑轮。现以恒定的拉力拉绳，使滑块从点由静止开始上升，一直运动至点。已知滑块质量为，拉力大小为，滑轮到竖直杆的距离为，则滑块由到过程轻绳对滑块做了多少功？

图1

解析：

①从问题出发，由于轻绳对滑块的拉力是变力，不能直接用公式进行计算；

②由于轻绳质量不计，则无机械能，更没有机械能的变化，只是起到“传递能量”的作用，即力F对轻绳做的功等于轻绳对滑块做的功，所以可以研究力F对轻绳做的功；（这是为什么能够转化研究对象的原因）

③以轻绳的端点为研究对象，在滑块从A点运动至C点的过程中，轻绳端点的位移为，且力F与位移的夹角为零，由公式，可得

由以上分析可知，通过转换研究对象，可以把变力做功问题转化为恒力做功问题，进而运用最基本的公式进行解题，达到“化一般为特殊”的目的。

（二）物体的位移不易求解的恒力做功问题

此类问题能直接用公式进行计算，但在计算物体的位移时容易出现错误或不易求解，此时我们也可以通过转换研究对象“化难为易”。

【例2】如图2所示，一木块前端有一滑轮，轻绳的一端系在右方固定处，水平穿过轻质滑轮，另一端用恒力拉住，保持两股绳之间的夹角不变。当用力拉绳使木块前进位移时，不计绳与滑轮间的摩擦力，则力做了多少功？

解析：

方法一：以绳的端点为研究对象

①从问题出发，由于力F是恒力，可以直接用公式进行计算；

②由于轻绳不能视为质点，则要以轻绳的端点为研究对象，如图3所示，在木块前进位移的过程中，轻绳端点的位移为，力与位移的夹角为；（容易出错）

③由公式，可得

方法二：以滑轮（可以包括木块）为研究对象

①由于轻绳质量不计，则无机械能，更没有机械能的变化，只是起到“传递能量”的作用，即力对轻绳做的功等于轻绳对滑轮做的功，所以可以研究轻绳对滑轮做的功；（这是为什么能够转化研究对象的原因）

②轻绳对滑轮的力如图4所示，两股绳对滑轮都有力，合力为

;

③滑轮的位移为，与的夹角为，由

得

由以上两种方法分析可知，答案是一致的，可以想互验证。第一种方法在求解位移时容易犯“位移与同向”的错误或者不易求解，而第二种方法通过转换研究对象，滑轮的位移就是，达到“化难为易”的目的。

【例3】如图5所示，质量为的滑块放在质量为的长木板上，放在水平地面上，与之间、与地面之间的动摩擦因数均为，的长度为，的大小不计。、之间由一绕过光滑轻质动滑轮的柔软轻绳相连，开始时位于的最左端，滑轮位于的右端。给滑轮施加一水平恒力，相对开始滑动，滑轮两侧与、相连的绳子保持水平，当从的最左端滑到最右端过程中，的位移为，则水平恒力做了多少功？

解析：

方法一：以滑轮为研究对象

①问题出发，由于力是恒力，可以直接用公式进行计算；

②滑轮的对地位移为；（容易出错）

③由公式，可得

方法二：以与为研究对象

①由于轻绳和轻滑轮的质量不计，则无机械能，更没有机械能的变化，只是起到“传递能量”的作用，即力对轻滑轮做的功等于轻滑轮对轻绳做的功，轻滑轮对轻绳做的功等于轻绳对与做的总功，所以可以研究轻绳对与做的总功；（这是为什么能够转化研究对象的原因）

②轻绳对与的拉力均为，的对地位移为，的对地位移为；

③由公式，可得轻绳对做的功，轻绳对做的功，所以轻绳对与做的总功

上面的分析过程再次说明，在求解位移时容易出现错误或不易求解，可以通过转换研究对象，达到“化难为易”的目的。

二、素养提炼

广义上的科学思维是指学生在日常学习过程中形成的对材料的感性认识及能够科学的认识材料并对其进行加工处理的理论体系。而物理学科的科学思维则是指通过对学生思维的训练引导学生养成尊重客观证据和事实、重视思维的严谨性和求知的态度的习惯，培养学生清晰的逻辑和务实的理性思考，使学生能够在日常生活当中运用科学的思维去认识问题、思考问题并解决问题。通过以上的实例分析可知，当遇到轻绳、轻杆、轻滑轮等连接物涉及的功的计算问题时，由于轻质物体，无机械能，更没有机械能的变化，只是起到“传递能量”的作用，所以我们可以通过转换研究对象，来达到“化难为易”的目的。

而在高中阶段的学习过程当中学生也应当具备一定的物理模型和能力，能够正确地运用物理的科学思维从定量和定性两个方面对物理问题进行科学的演绎推理、规律探索并最终形成合理的物理结论来解释物理学习过程当中遇到的一些实际问题。同时科学思维的培养也能够帮助学生逐步养成运用事实证据意识去评估物理问题的能力，能够通过研究合理的对问题进行描述、解释和预测，大胆质疑证据，从不同的角度思考物理问题，不断训练其批判性的物理思维。

而对学生科学思维的培养需要注意以下几点：

一、遵循逻辑性原则

逻辑性原则就是指教师在日常物理教学过程当中应当遵循逻辑法则，达到演绎和归纳的统一。使学生能够科学的认识活动的逻辑规则不仅包括让学生掌握以归纳推理为主要内容的归纳逻辑，也包括让学生掌握与演绎推理为主要内容的演绎逻辑。帮助学生养成从个别到一般在从一般到个别的反复认识的科学过程。

（一）从个别到一般的归纳思维

从个别到一般的归纳思维主要包括完全归纳法、简单枚举法和因果联系的归纳法。个别归纳法是指培养学生能够根据某类事物所有对象对其性质和相关特征进行概括归纳的推理方法。简单枚举法是指教师当培养学生在进行物理学习时能够根据部分物理对象所具有的某种属性推李到某类对象上，这种方法也叫做不完全归纳法。而因果联系的归纳法是指让学生明确任何现象的产生都是有其他现象的发生所引起的，这种引起预备引起的关系就叫做因果联系的归纳法，因果联系归纳法不只是一种简单地从个别到一般的归纳思维，在归纳过程中也结合了一些演绎推理的相关归纳法。

（二）从一般到个别的演绎思维

从一般到个别的演绎归纳思维主要包括对某些物理基本原理在相关对象方面的推导作用以及应用一般的观念对具体物体进行具体分析最终达到知识体系的整体建构的能力。从一般到个别的演绎思维把关于事物最本质和最普遍的规定作为逻辑的出发点，其能够按照事物本身的转化关系将事物的联系完整的复刻出来，从这样的演绎思维出发将某一领域的某一个学科知识总结汇总成一个较为严密的体系。

二、巧设实验

物理学科的科学思维的培养不仅是需要学生掌握一定的物理知识并懂得一些物理学研究的基本方法，更重要的是培养学生观察与科学思考的能力。因此为培养学生科学思维的养成教师可以通过合理设置实验的方法来帮助学生更加仔细的观察实验，在理解实验的过程当中逐步养成科学思维。

对于物理学习过程当中某些学生较难接受的结论来说教师就可以通过实验的设置来帮助学生理解知识的基础上培养学生的科学思维。例如在力的合成这部分物理知识教学时，当两个力的合力一定时，随着两个力的夹角的不断增大，这两个力也会不断增大，并且这两个力之间的夹角不可能等于180度。对于这一知识点学生很多难以理解，此时教师就可以通过一个小实验来帮助学生理解。教师可以先从班级中选择一个力气较大的学生进行辅助，然后拿出事先准备好的重物和绳子，把重物挂在绳子中间让学生尝试能否将这根绳子拉直。学生在尝试过后就会发现无论多大的力气都无法将这个绳子拉直，在此基础上再让学生去思考这个定理就能够更加容易理解。并且在自主实验探究过程当中也能够充分锻炼学生的科学思维和独立解决问题的能力。

再比如在圆周运动这部分知识教学过程中，教师也可以用一个绳子去拴住一个小球让这个小球在竖直面做圆周运动，在小球到达最高点时小球将达到其最小速度。为了让学生充分理解这一理论教师也可以在实际课堂当中为学生简单地演示一下这个实验，让学生通过仔细观察实验过程和实验结果去深入理解这个理论。

三、形象对比

运用形象对比不仅能够以生动形象的方式高效地达到教学目的，也能够让学生在类比思考当中逐步养成科学思维。而我们所说的形象对比也不是让学生跟随课本当中的定义去随意的发挥想象力去理解，而是教师通过生动形象的事例的举例来让学生进行类比和模仿，这样不仅能够达到既定的教学目标还能够实现对学生科学思维培养的目标。

例如电动势这部分概念进行讲解时，电源的电动势在数值上等于不接用电器时电源正负两极间的电压。这个定义相对来说较为抽象，学生理解起来较为困难。并且如果根据课本当中所给出的稀硫酸的试验进行实验讲解不仅具有一定的危险性，且其实验效果难以得到保障。此时教师就可以运用类比的方式进行课程讲解，电动势是电源把其他形式的能量转化成电能的本领，这种本领就相当于木匠能够运用娴熟的技巧将指定的木材制作成相应的家具和裁缝能够将指定的布料按照其想法做成不同的衣服一样。电源接入电路时，将电动势表现出来，而未接入电路时这种本领就表现不出来，所以未接入电路时电动势大小将保持不变。通过类比的方式让学生更加快速的理解电动势的相关概念，并且类比还能够较为高效的锻炼学生科学思维。

再比如“电场”这部分物理知识进行讲解时，教师就可以用树叶对风向及风力大小的检验来类比电场的强弱与检验电荷电量的大小这部分知识。让学生明确就像风的大小与树叶的大小无关一样某一点电场的强弱与检验电荷电量的大小也无关。让学生尽快明确电荷是用来检验电场的而电场的强弱是由电场本身的能量所决定的与电荷的电量无关。生动而形象的类比不仅能够通俗易懂、符合实际的让学生理解所学知识点，还能够帮助学生在类比中领会科学思维的真谛。

总而言之，在高中物理教学中，教师们需要结合学生的认知水平，抓住问题的实质，引导学生进行科学推理，运用常用的物理方法解决棘手的问题，这样才能在常规的教学中更好地发展学生的物理学科核心素养。