培养科学思维 提升解题技能——例谈2018年南京中考电学综合试题

赵妍妮 陈 晨

(1. 南京市秦淮外国语学校,江苏 南京 210000; 2. 南京市金陵中学仙林分校中学部,江苏 南京 210000)

1 培养学生科学思维的重要性认识

自新课改以来,中学物理教育界一直积极倡导培养学生的物理核心素养，而培养学生的科学思维能力又是核心素养的核心．科学思维能力主要包括思维的深刻性、广阔性、独立性、逻辑性和灵活性等内容．在物理教学中要关注学生思维品质和思维能力的提升,使学生运用思维很好地理解和掌握相关物理概念和规律,运用所学知识解决物理问题,逐步培养学生的物理阅读素养、逻辑思维能力以及物理建模意识,提升自己的物理思维水平,从而促进自身核心素养的形成与发展．

2 凸显科学思维培养的电学综合试题的考查及研究意义

在初中物理教学中,电学一直是最为重要的教学内容,也是中考考察的重点和难点．初中阶段电学的教学内容主要包括电路的基本结构和基本物理量、欧姆定律、电功率,电磁等,广度大难度深,会涉及到很多物理思想、方法、观念等,而这恰恰为培养学生的科学思维提供了土壤．在平时的教学中,教师在授课时借助所讲知识、典型例题提高学生的逻辑思维水平,增强物理模型意识,培养物理阅读素养．而在中考评价中,通过试题进行考察,能够有效评价学生在科学思维上的发展状况．通常电学综合试题在中考中难度较大,区分度较为明显,并且命题人经常会将电学和其他方面的知识(如光、热、简单机械等)相结合命制试题进行考查,试题的层次性、综合性很强．在解决这些问题的过程中学生需要充分调动自己已有的知识技能,研究方法,进行一定的思维演绎和逻辑推理,建立合适的物理模型并运用一定的数学方法进行解题,能够真正考查学生科学思维的发展情况．同时加强对中考电学综合试题的研究,有助于教师在平时教学中通过试题渗透对学生科学思维的培养,从而提升学生的解题技能．

3 2018年南京中考电学综合试题的案例分析

3.1 试题呈现

在中考中,电学综合试题通常都作为压轴题出现在中考试卷中,作为全卷最难的部分,压轴题对学生的科学思维能力有着较高的要求．试题的位置一般都放在最后一题,题目的阅读量适中,非常注重与生产生活相联系,以实际生活中的问题为载体,考查的内容都是具有较强综合性的电学问题．题目一般会设置3至4问,难度由易到难,环环紧扣,需要学生从宏观上把握问题,熟悉整个物理过程．这里笔者以2018年南京市中考电学综合题为例进行分析.

例题.在综合实践活动中,科技小组设计了一个能反映水平风力大小的装置,如图1(甲)所示,电源电压恒为16 V,R0为定值电阻,L为额定电压是2.5 V的小灯泡,其I-U关系的部分数据如图1(乙)所示,AB为长14 cm、阻值60 Ω粗细均匀的电阻丝(电阻丝的阻值与长度成正比),OP为质量、电阻均不计的金属细杆,下端连接一个重2 N的圆球P.闭合开关S,无风时,OP下垂并与A端接触,此时电流表示数为0.2 A;有风时,OP绕悬挂点O转动,风对球的作用力F方向始终水平向右,已知OA为10 cm,OP始终与AB接触良好且无摩擦.求:

(1) 电流表示数为0.2 A时,灯泡的电阻为________Ω.

(2) 无风时R0消耗的电功率.

(3) 为保护电路,允许风对球施加的最大作用力.

图1 2018年南京市中考物理第28题图

3.2 分析动态电路,彰显逻辑思维

由题目可知,这是一个动态电路问题,需要学生具备一定的逻辑分析能力．通过分析图像可以得到如下的动态变化过程:当有风吹过时,金属细杆向右移动,此时变阻器AB接入电路的阻值随着长度的变小而变小,根据欧姆定律可知,电路中的总电流变大,因此电流表的示数应该变大,小灯泡和R0两端电压都增大,又由于电源电压不变(初中阶段忽略电源内阻),因此变阻器AB两端电压变小,其整个逻辑思维如图2所示．

图2 逻辑分析过程

根据逻辑思维图,我们还可以看出当风力增大时,电路中的电流在变大,变阻器两端的电压也在变大,即成正相关关系．因此如果要通过此电路来显示风力的大小,可以用电流表或在变阻器AB两端并上电压表作为风力表进行记录．通过分析电路,学生在头脑中形成动态电路结构,从而有利于之后问题的求解．

3.3 提取关键信息,凸显阅读素养

一般来说电学综合题需要学生进行计算得到最后的结果,因此仅仅对物理变化过程进行分析是远远不够的,还必须要能够从题目中找到关键信息,并进行相关计算,即考察学生的物理阅读素养．例如题目中提到,当无风时,电流表示数为0.2 A．根据这句话学生应当提取出以下信息:此时变阻器AB全部接入电路,阻值为60 Ω,同时学生还需要根据0.2 A的电流值从图1(乙)中找出此时小灯泡两端的电压值为1 V．根据这些信息,利用串联电路电压特点和欧姆定律就可以求出定值电阻R0两端电压,从而求出R0的电功率．通过刚刚的求解过程学生还应注意到题目中电流的限制条件．一般情况下电路中的限制条件可以是电流或者电压的最大最小值,取值范围可能是闭合区间,也可能是半开半闭区间．而本题中命题者仅设计了电流的限制条件,电路中的电流不能超过小灯泡额定电流,通过图1(乙)可以找出小灯泡的额定电流为0.3 A．再根据刚刚的逻辑分析,得到电路中电阻不能过小,所以风力不能过大,当风力F最大时,电流值为0.3 A．通过关键信息的提取,再结合之前的动态分析,前两个问题基本可以解决．

3.4 明晰物理过程,巧选物理模型

图3 杠杆模型示意图

学生经过动态电路分析和关键信息的提取,已经逐步意识到风力F和电流值I成正相关关系,而如何将这两个物理量建立联系则成为了本题最后一问的关键.这就需要学生具备一定的物理建模能力．根据所给电路图回忆之前学习过的物理知识,可以联系到杠杆模型,将金属细杆OP看做杠杆,可知O点为支点,风力和金属细杆的重力分别为作用在杠杆上的两个力,如图3所示．利用杠杆平衡条件及数学相似三角形的知识即可求出风力F的大小．杠杆模型在初中物理中非常常见,很多实际生活问题都能与杠杆相联系,学生需要从实际问题中抽象出杠杆模型.这就需要学生具有一定的模型意识,能够从实际问题中建立模型,运用模型的相关知识解决问题．此外,这个问题也蕴含着力的合成与分解的知识,其结果与利用杠杆模型计算所得相同,在评价层面上体现了初高中衔接思想．

4 基于培养学生科学思维的教学建议

4.1 明晰物理过程,培养逻辑思维

初中学生的物理思维还处在发展阶段,思维深度还有所欠缺,对于复杂问题往往不能理清其中的逻辑关系,从而导致解题无从下手．因此在中考复习过程中,对于思维含量较大的问题(如电学综合题),教师需要放慢节奏,抓住其中的物理本质,让学生理清其中的物理过程,从刚开始第一个物理量的变化开始,根据定理定律逐步引导直到找出所有物理量的变化关系,让整个变化过程一目了然地呈现在学生面前．例如上文中提到的2018年第28题为例,本质上都是由于风力这个非电学量引起的AB接入电路的阻值这个电学量的变化,这是问题的物理本质,也是解决这道题的关键．因此在题目讲解结束后,教师继续提问学生本题的解题关键在哪,通过让不同学生进行回答得到全体学生都认同的答案,抓住问题的物理本质．此外,教师还可以在讲解完后对题目进行变化,检查学生是否完全掌握．例如询问学生“改为在R0两侧并联上电压表,求风对球的最大作用力”;或者追加一问“若想提高测量风力的范围,应该如何改进”．通过改变条件或者追问让学生理清题目中物理量之间的逻辑关系,加深对题目的理解,提升自己的物理思维．

4.2 注重物理方法,培养科学思维

在平时的教学中除了要重视物理知识的教学,教师更要关注学生对物理方法的理解和掌握,在教学中渗透物理方法,让学生从不同的角度看问题,寻找多种解决办法,从而促进学生的科学思维的发展．例如在复习密度时,教师引导学生思考有哪些方法可以比较不同物体的密度．每一个学生都有自己的方法,大多数学生第一时间会想到用密度计算公式,数值较大的密度大．也有学生会想到相同体积比较质量,或者相同质量比较体积．但会有少部分学生想到可以通过图像方式进行判断,如果某一物体的质量——体积图像倾斜程度较大(初中不涉及斜率),物体的密度就大．甚至有些学生会想到利用压强、浮力的相关知识比较不同液体的密度．当然这是个开放性的问题,答案远远不止这些,设置该问题的目的并非让学生像考试一样去解题,而是需要学生跳出思维局限,寻找多种判断方法．教师在聆听的过程中应不断给予评价和反馈,并鼓励学生继续尝试新的方法,让学生继续思考,会不会还有其他不同的答案,这对学生科学思维的培养是质的飞越．

4.3 提高审题能力,培养阅读素养

图4 I-U图像

审题能力的提高是学生提升解题技能的重要一环．它不仅仅包括看清题目中的物理量、数值求解对象,更包括对题目题意的理解,文字更深处关键条件的剖析.这也是学生物理阅读素养的体现．物理阅读素养可以认为是学生对题目关键条件的理解．题目中关键条件的呈现方式多种多样,例如文字(字词、篇章)、符号(数值、字母、表达式)、图像(原始图、示意图、函数图,电路图)等,对这些关键条件的解读和理解是解决问题的关键,不同的学生对关键条件的理解是不一样的,因此教师在平时教学中要注重阅读方法的指导．例如在讲解图像问题时,通常分为3步进行,一看轴:看横纵坐标所代表的物理量以及单位;二看线:看线的类型,变化趋势(直线、曲线,是否单调变化);三看点,看端点、拐点,交点、若有坐标纸看格点．如图4所示:这是甲、乙两个电阻的I-U图像,从整体趋势上来看,甲是一条直线,乙是一条曲线,学生要能够提取出甲电阻不变,乙电阻变化的信息．进一步研读,发现当甲、乙两端电压为2.5 V时,流过甲、乙的电流相同,此时它们电阻相等．最后,还要让学生进一步分析若两电阻串联,图像需要如何阅读,若并联又应如何阅读,从而进行相关问题的求解．因此教师在课堂教学中,要不断培养学生的物理阅读素养,能够深挖题目中隐含的关键条件,并进行总结归纳,整理出解决方法．通过常规教学的不断渗透和教师引导,从而提升学生的物理阅读素养．

4.4 锻炼抽象思维,培养模型意识

图5 杠杆模型图