渗透科学方法培养高阶思维能力

摘 要：以高三一轮复习《功》的教学为例，以问题为主线，渗透科学方法，重点求变力做功，组织学生经历“分析—评价—创造”的思维过程，通过一题多变、一题多问、一题多解，促进学生高阶思维的发展。

关键词：思维导图;高阶思维;科学方法

一、 问题背景

功的概念是高中物理的基本概念，在考纲中属于Ⅱ级能力要求。功是能量转化的量度，只有掌握功的概念，才能从能量观点分析解决实际问题。高三一轮复习《功》是复习《机械能》的基础，功的计算复杂多样，在教学中既要注重基本概念的复习，也要注重基本方法的归纳，让学生学会根据不同的物理情境选择不同的科学方法，提高科学思维能力。

笔者在教学实践中，以问题为主线，分析、评价学生自主构建的思维导图，从功的正负的判断、恒力及合力做功的计算、变力做功三个方面展开教学，以题说法，组织学生进行高阶学习活动。

二、 高阶思维的分类

所谓高阶思维，是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力。美国教育家布鲁姆依据思维的复杂程度从认知目标分类角度将思维过程具体分为：记忆、理解、应用、分析、评价和创造六个层次，其中记忆、理解、应用属于低阶思维，分析、评价和创造属于高阶思维。思维是可以通过教育改善和提升的，高阶思维作为高层次的思维形式，在教学中具有举足轻重的地位。

三、 教学过程及设计意图

（一） 自主建构思维导图

课前布置学生在学案中画出《功》的思维导图，课堂上投影不同学生构建的思维导图，表扬知识、方法归纳有特色的学生。学生博采众长、取长补短，完善自己的思维导图，在分析、评价、创造思维导图的过程中梳理、巩固、提升知识。

设计意图：展示学生自主构建的思维导图，调动学生的学习热情，培养学生的发散思维，促进学生对物理知识的梳理、完善、提升，达到概念复习的教学目标。

（二） 功的正负判断

例1：（多选）如图1所示，粗糙的斜面在水平恒力F的作用下向左做匀速直线运动，置于斜面上的物块与斜面保持相对静止，下面说法中正确的是（ ）

A. 斜面对物块不做功

B. 斜面对物块的支持力做正功

C. 斜面对物块的摩擦力做负功

D. 斜面对地面的摩擦力做负功

设计意图：以斜面体模型为例，学生画受力图、情景图，分析力与位移的夹角，判断功的正负。学生经历分析、评价的思维过程，有利于物理概念在头脑中的提炼与升华，形成运动和相互作用观念。本题答案为ABC。

变式1：（单选）如图2所示，斜面位于光滑的水平面上，物块置于光滑的斜面上，从地面上看，物块沿斜面下滑，此过程斜面对物块的作用力（ ）

A. 垂直于接触面，做功为零

B. 垂直于接触面，做功不为零

C. 不垂直于接触面，做功为零

D. 不垂直于接触面，做功不为零

设计意图：在例1的基础上进行变式，改变接触面的粗糙程度，撤去水平恒力F，两物体相对滑动，学生分析力与位移的夹角，判断功的正负。比较例1和变式1，虽然题目条件发生变化，但是分析方法不变，让学生在一题多变中体会多题归一。本题答案为B。

（三） 功的计算

1. 恒力和合力做功

例2：如图3所示，长为L的轻绳一端悬挂于O点，另一端固定一个质量为m的小球，用水平恒力F拉着小球运动，小球从最低点P运动到Q点，此时轻绳与竖直方向夹角为θ，求此过程小球所受的各作用力做功及合力做功。

设计意图：以小球做曲线运动为例，学生画受力图，分析各作用力的做功情况，体会恒力和合力做功的计算方法，一题多问，培养学生的科学推理能力。本题答案：重力做功为WG=-mgL（1-cosθ），水平恒力做功为WF=FLsinθ，轻绳的拉力做功为WT=0，合力做功W合=FLsinθ-mgL（1-cosθ）。

2. 变力做功

变式2：（单选）长为L的轻绳一端悬挂于O点，另一端固定一个质量为m的小球，用水平拉力F拉着小球运动，小球从最低点P很缓慢地移动到Q点，此时轻绳与竖直方向夹角为θ，如图4所示，求此过程拉力F对小球做的功。

设计意图：将例2的水平恒力换成水平拉力，小球缓慢移动，可以判断水平拉力为变力。从功能关系分析，拉力F所做的功使小球的重力势能增大。这需要学生对功与能量变化有较深刻的认识，才能在头脑中形成能量观念。本题答案为mgL（1-cosθ）。

变式3：（多选）如图5所示，长为L的轻绳一端悬挂于O点，另一端固定一个质量为m的小球，把轻绳拉到水平位置后放手，小球从位置A运动到位置B。假设小球在运动过程中受到的空气阻力f大小不变，求此过程空气阻力f对小球做的功。

设计意图：以小球的摆动为例，空气阻力是变力，将曲线分成无限个小元段，每一小元段可认为恒力做功，总功即为各个小元段做功代数和。空气阻力做负功，功的大小等于力乘路程。采用微元法将变力做功轉化为恒力做功，渗透科学方法，发展学生高阶思维的。本题答案为-12fπL。

例3：如图6所示，质量为m的物体用跨过光滑定滑轮的轻绳拉动，用恒力F把静止在水平面上的物体从位置A拉到位置B，已知定滑轮离物体上表面的高度为h，物体在位置A、B时细绳与水平方向的夹角分别为θ1和θ2，求绳的拉力对物体做的功。

设计意图：以绳拉物体为例，绳的拉力是变力，引导学生将绳子的拉力对物体做的功转化为恒力F对绳子所做的功，体会用等效转换将变力做功转化成恒力做功的方法，培养学生的创新思维。本题答案为Fhsinθ1-hsinθ2。

例4：受锤子击打的钉子进入木板，假设木板对钉子的阻力跟钉子进入木板的深度成正比，并且每次击打钉子时锤子对钉子做的功相等。已知第一次击打钉子时，钉子进入木板的深度为1 cm，则第二次击打钉子时，钉子进入的深度是多少？

设计意图：以锤子击打钉子为例，每次击打钉子时锤子对钉子做的功等于钉子克服阻力做的功。求线性变化的力做功，可以先求力的平均值，再利用功的公式W=Fscosα求解，用平均力将变力转化成恒力。引导学生画阻力大小随位移变化（F-x）的图象，图线和x轴所围图形的面积表示钉子克服阻力做的功。本题采用平均值法和图象法进行解答，一题多解，培养学生的发散思维。本题答案为0.414 cm。

四、 结束

高阶思维能力的培养离不开教学活动。恒力做功可以采用功的公式W=Fscosα求解，变力做功的方法很多，如微元法、等效转换法、平均值法、图象法等，还可以应用动能定理、能量守恒定律、W=Pt进行求解，学生需要根据题意选择合适的方法。在习题教学实践中，教师应注重情境的创设和问题的设置，在一题多变、一题多问、一题多解中，渗透科学方法，引导学生分析、评价、创造，培养学生高阶思维的能力。

参考文献：

[1]马云秀.通过科学探究 培养高阶思维能力——以“机械能守恒定律”一课教学为例[J].物理教师，2018（12）16-18.

[2]王帅.国外高阶思维及其教学方式[J].上海教育科研，2011（9）：31-34.

作者简介：

梁泽君，福建省龙岩市，福建省龙岩第一中学。