例谈彰显等效思维方法的教学策略

2018-09-10江小安张其凤

中学理科园地 2018年4期

江小安　张其凤

摘要：等效思维是进行科学研究的一种重要思维方法，在高中物理中应用也很广泛，立足教学实践，以课例形式，从帮助学生建构理想模型的意识和能力、建立和理解物理概念、找规律并形成结论、拓展解析和解决问题的途径四方面，尝试研究在课堂教学中彰显等效思维方法的策略。

关键词：高中物理；等效思维；转换；化繁为简

引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确了“科学思维”是物理学科核心素养的一个方面，并明确给出物理课程的总目标[ 1 ]。这就要求教师立足于物理学科核心素养培养的课程目标，把科学思维方法教育穿插在日常教学过程来设计课时教学。

1 等效思维方法及其基本特征

为了认识复杂事物的本质规律，我们常常从事物的等同效果出发，将其转化为等效的、简单的、熟悉的、易于研究的物理事物进行研究。等效思维方法就是在保证某种效果相同的这一基本点出发的，将实际的、复杂的物理现象、物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、熟悉的、易于研究的物理现象、物理问题和物理过程来处理的一种科学思维方法（如图1所示）。其目的是通过转换思维活动的作用对象来降低思维活动的难度[ 2 ]。

运用等效思维方法研究问题时，强调的是相比较事物间某一方面有等同效果，并非指两事物间的各个方面都效果相同。因此一定要明确相比较的事物等同效果是在什么条件下、什么范围内、什么过程中。

在中学物理中，我们通常可以把所遇到的等效分为：物理模型等效、物理量等效、物理过程等效、物理图形等效等[ 2 ]。本文以司南版物理（选修3-2）“交变电流的产生”课时教学为例，利用等效思维方法帮助学生建构理想模型的意识和能力、建立和理解物理概念、找规律并形成结论、拓展解析和解决问题的途径四方面，谈一谈如何在教学中彰显等效思维方法做法。

2 等效思维方法在课堂教学设计中的策略研究

2.1 唤起学生原本动机，利用等效思维方法帮助学生构建物理模型意识和能力

在引入环节流程。先观看視频，生活中大型交流发电机（厂）；再课堂演示交流发电机模型，同时观察电流表指针或示波器显示。进而可由学生讨论总结交流电定义。

事实上，物理学中在研究解决物理问题的过程中，常常用简化了的物理模型来代替复杂的物理原型进行思维的方法，更好地理解其工作原理。本课教材中教学用实物模型就是把实际发电机进行简化和模仿，是为更加明晰交流发电机的本质特征和产生规律。实际课堂教学中我们再次把演示用手摇发电机多匝线圈等效简化一个矩形线圈，放在两个磁极产生的磁场中；教师板画、学生作业中我们又一次把两磁极产生的磁场等效简化、抽象匀强磁场磁感线（如图2所示）。这样一来，学生的思维方向明确，思维活动易于切入。

其实，理想变压器模型、电能的输送过程示意图等也都是对实际物体的抽象，把复杂实际问题简化等效了，只讨论其工作原理。

2.2 激发学生深层思维，利用等效思维的方法帮助学生建立和理解物理概念

在交变电流的描述教学环节，因交变电流大小和方向都随时间作周期性变化，为了方便对交变电流进行测量、计算等，就必须从交变电流产生的效果上规定一种等效替代物理量。但是中学阶段由于数学知识的掌握原因，教材中只给出了正弦式交变电流的有效值是峰值的，往往造成学生学习时只是记住结论，不能理解其本质。所以，课堂教学设计中要突显出从交变电流和恒定电流对电阻做功过程的等效角度引入。一交流电源（u=Umsin？棕t）对电阻R供电，在时间t（周期T的整数倍）内交变电流做功为W；如果某恒定直流电源向同一电阻供电时，在相同时间内也做功为W，即W=UIt。那么，交变电流所做的功可用直流电所做的功来代替（如图3所示）。此时交流电压u=Umsin？棕t的有效值就为U，交流电流i=Imsin？棕t的有效值就为I。在一过程中的电流热效应作用效果相同情况下，就用了一种恒定电流（简单形式）代替另一种周期性变化电流（复杂形式）。可见，等效替代的思想是理解和计算交变电流的有效值的核心思想。

其实，交变电流能通过电容器的教学设计也可运用等效思维分析。直流电不能通过电容器，因为电容器两极板被绝缘介质隔开了；电容器接到交流电源两端时，实际上自由电荷也没有通过两极板间的绝缘介质。但瞬间电压在不断变化，假设电容器极板原先是带电的，当正极板这边电压开始下降的时候，外界等效看成正极板带的正电荷就减少了（其实是电子增加了），正极板的电势就开始下降，那么为了维持电荷平衡，负极板上的电子就要开始减少，电子从负极板那里流出去了，这个时候，在负极板这里就会有电流产生，等效表现出交流“通过”电容器。

2.3 启发学生异中求同，利用等效思维方法帮助学生寻找规律、形成结论

结束阅读后，笔者通过设计以下两个问题，发散学生思维，突破本课中“交变电流变化规律”的教学点的异中求同思考。

问题（1）：线圈转动过程中哪些边切割磁感线，感应电流方向如何？

问题（2）：线圈转动过程中，穿过线圈磁通量如何变化？

通过生生互动，师生互动，自由、充分讨论交流：能否从磁通量变化角度，应用法拉第电磁感应定律来得到交变电流的变化规律。

再次如图4所示，设线框经t时间转过的角度？兹=？棕t，穿过线框abcd的磁通量？准=Bl1l2cos？棕t，所以一匝线圈产生感应电动势大小为e=？准'（t）=Bl1l2？棕sin？棕t。

这样，在一定范围内本质相同的不同规律之间的等效代替，从两个不同角度定量得到交变电流的变化规律。开扩学生思维，促进思维品质提升。

其实，交变电流变化规律的表达形式上，有数学形式：e=Emsin？棕t；u=Umsin？棕t；i=Imsin？棕t。有图象表达（如图5乙、丙所示）。这样数形结合也是一种形式不同，本质相同的等效替代。

2.4 指导学生练习应用，利用等效思维方法，帮助学生拓展解析、解决问题的途径

多年教学实践表明，学生在反复运用科学思维方法研究问题过程中，科学思维方法掌握了，运用物理知识解决实际问题能力也就提高了。如有效值概念得到了理解巩固。

再如，2016全国Ⅰ卷16（题目略，如图6），应用等效负载思维方法求解变压器问题比较简洁方便，通熟易懂[ 3 ]。具体分析解答如下。

可见，等效思维方法是一种化繁为简，化难为易的有效解决问题的科学方法。