培养学生根据概念来解决能量问题的思维习惯

夏上

【摘要】 当今初中物理教学中，教师为了应对考试，在课堂教学中多数是把概念，理论硬塞给学生，然后进行重复机械的题海战术，以为这样学生就已经掌握了知识点。其实，我们更应如何回归物理本质，让学生学会根据概念去分析和解决问题。如何有效地培养学生良好的思维习惯是物理教学要解决的核心问题。

【关键词】 思维习惯 解决问题的能力 能量流向图

【中图分类号】 G633.7

【文献标识码】 A

【文章编号】 1992-7711（2020）02-156-020

皮亚杰的认知心理学理论告诉我们：个体发展的过程就是已有的图式或认知结构不断得到丰富和发展的过程。在使用各种工具实现能量转化及转移时都有效率的问题，而能量的形式是多样的，但效率的定义是唯一的，应从效率的定义，了解各工具的工作过程，根据效率的定义，分析各种器件的效率。要突破这个难点，必须帮助学生分析问题、掌握规律，从而让学生建立起解决效率类题目的基本思路和技巧。

一、目前初中《能量》复习课中教学存在的问题

物理学的任何规律都有其适用条件及范围，没有万能的规则。老师在教学中想尽快让学生记住一些概念，有时会让学生记一些不是本质的东西，如“输出机械能就是电动机，输出电能就是发电机”。这句话原只适用于比较电动机与发电机，学生把它变成一个规律，看到输出机械能就写电动机。其实归因就是学生还没有掌握根据物理概念规律解决问题。学生正确掌握根据物理概念和规律解决问题的主要思维障碍主要来自于以下三方面：1、相关知识的干扰;2、概念规律不清;3、思维定势的消极影响。所以老师在引导学生掌握利用物理概念规律解决问题的时候应该从上述三方面去入手。如在广州中考考察了一道关于能量的题目，具体如下：

1.某机器的能量流向图如图1所示，据此推测该机器可能是

A.热机

B.电动机

C.发电机

D.电热水器

本道题的难度是0.57.访谈学生（包括一些成绩比较好的学生）发现：做错的学生中有一半是看到输出有机械能就选择电动机。这个属于思维定势的消极影响，学生做了大量类似的练习，但没有提炼出规则，只知道背情景，思维定势以为所有输出机械能就是电动机，输出电能就是发电机。解决这种问题应该先根据效率的定义，找出哪部分是输出的有用功，哪部分是输入的总功，然后再分析问题。因此，教师在复习中应重视对习题的归纳、分析和整理，教会学生先理解效率的概念再利用能量流向图去分析，不仅仅是背情景。

二、调整教学策略，培养学生根据物理概念来解决问题的思维习惯

1.借助能量流向图，正确理解效率的概念

物理概念的表述有三种方法：一是用语言文字表述;二是用数学公式表示;三是用图像表现出来。本人认为，在能量复习模块中，利用图像表现物理的概念更有效。例如在计算各种效率题目的时候，学生可能马上想到的就是代入公式进行计算，对于常见的情景可能问题不大，但对于新情景学生就无从下手了。我们应该借助能量流向图，正确理解效率的概念。机械能、电能、内能、光能之间的转化，对于一个系统来说，经过一个过程，初始能量等于系统末了的能量加上消耗的能量。什么叫效率？效率就是有用能量与总能量的比值。哪一个是总的能量？哪一个是我们需要得到的能量？还有哪些消耗的能量？这样的引导等同于教会学生解这类题型的思维方法，在多次训练后，学生慢慢会养成思维习惯，能提高学生的学科素养。以后遇到不同的情景也会自然而然地运用这思维习惯去解决问题。教师指导学生分析整个能量的转化过程和转化的方向，目的就是给学生一个清晰的逻辑线，学生有一清晰的逻辑线就可以串接各知识点，大大降低学生的学习难度，避免死记硬背。当学生懂得了效率的概念以及能量流向的规律后其实就已经掌握了正确的思维方式。

2.设计复习专题，引导学生通过物理概念来解决实际效率的问题

物理概念规律建立完之后，接下来主要问题需要解决是物理规律的运用，并构建相关的知识网络，使能量相关的知识形成一个有机的整体。初中提到的与效率有关的大致有灯的发光效率、电热类用电器的热效率、电动机的效率和热机的效率。教师可以先引导学生解决其中一个情况，其它的让学生按照具体的思维去完成。以下以灯的发光效率为例子，介绍一下如何引导学生通过物理概念來解决实际效率的问题。

【创设情境】LED灯是一种新型的环保节能灯，小梦为了探究LED灯与家用普通白炽灯的发光效率，用额定功率相同的LED灯和普通白炽灯进行实验，发现LED灯的亮度约为普通白炽灯的十倍。

【分析原因】两灯正常工作相同时间，记录如下数据：

从数据中可看出，白灯温度上升幅度很大，而LED灯温度变化不大，原因：

1.白炽灯正常工作时电能先转化为              能，这些能量绝大部分散失了，只有一小部分再转化为             能，请完成下面能量流向图。（箭头的粗细表示能量的多少）：

其中，有用的能量是                 能（E1），总能量是              能（W总），则白炽灯的发光效率η=             （用给出的物理量符号表示）。

2.LED灯正常工作时电能绝大部分转化为             能，只有少部分转化为             能，用能量流向图表示为：

其中，有用的能量是                  能（E2），总能量是                能（W电），则白炽灯的发光效率η=                            （用给出的物理量符号表示）。LED灯是发光二极管，它主要的制作材料是                   （选填“超导体”、“半导体”或“纳米材料”）。

这两道题是要解决为什么用额定功率相同的LED灯比普通白炽灯亮得多的问题。在设置问题的时候引导学生从效率的概念去思考问题。效率就是有用能量与总能量的比值。额定功率相同的两盏灯在相同的时间内消耗的电能一样，说明总的能量一样。通过分析能量流向图，学生很清楚的知道LED灯和白炽灯发光是由电能转化成光能，但它们的亮度不一样，说明最终转化为光能（即有用的能量）不同，根据能量守恒定律可得主要就是因为散失了的内能不同。经过这样的分析，学生已经清楚了整个能量流向的过程以及各个能量的大小关系，再结合效率的概念，这道题的问题就解决了。接下来再进行两道典型的效率计算问题，考察一下学生是否能利用真正的理解效率并利用效率的概念去解决问题。

【典型题目训练】

1.若一发光效率为90%的LED灯，工作时消耗了200J的电能，可获得多少光能？

2.如果白炽灯工作消耗的电能为100J，其中转化为光能为10J，散失的内能是多少？白炽灯的发光效率是多少？

第一题很简单，但如果对效率的概念还不清楚的学生基本只会把200J乘以或除以90%，答对的几率大概是一半。老师要问清楚做错的学生是怎么分析的，而不应该只停留在对与错。

老师可以引导他们分析问题：先从效率的概念入手，然后借助能量流向图清楚哪些是输入总能量，输出能量有哪些，我们需要的能量是哪些。再结合这道题，200J的电能应该是属于输入的总的能量，我们需要获得的是光能，但同时还有部分能量是损失的，简单画一下能量流向图，发光效率为90%表示有用的光能占总能量的90%，这道题就解决了。第二题解决的办法一样，老师应该引导学生一步一步分析问题而不是看到题目就直接作答，没有理清各个能量之间的关系，不清楚效率是哪个与哪个的比值是无法正确解决这种效率性的题目的。这样就可以在习题中渗透物理思维方法的培养。学生每次遇到效率问题时，都能按照正确的思维过程走，久而久之，他们就能养成好的思维习惯了。

美國实用主义教育家杜威在《我们是怎样思考经验与教育》中说道：“学习就是学会思维，即教育在理智方向的任务是让学生形成清醒的、细心的、透彻的思维习惯。”培养学生利用概念和规律去解决问题的思维习惯，是初中物理教学的主要任务。在光学教学中，教师应该教会学生如何利用光路图解决光学问题;在力学教学中，教师应该教会学生如何利用受力分析解决力学问题。同样的，在能量教学中，应该教会学生如何利用能量流向图来分析效率的问题。良好的思维习惯是学生学好物理的一大重要基础。

本文系广州市花都区教育局教研室2019年度教育科研规划学科课题《以课堂开口思维为抓手，培养初中生的物理思维能力》（课题编号：hdjysktwl001）的研究成果。

[ 参  考  文  献 ]

[1]张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].浙江教育出版社，2007.

[2]蔡剑.创设物理情境归引学习过程[J].物理教师2015（4）.

[3]R·M·加涅《学习的条件和教学论》华东师范大学出版社.