高中物理教学实践中等效法显化教育的策略

蔡梦琏 陈丽琴

摘   要：等效法作为重要的科学思维方法，在课堂教学中显化非常必要。通过深入挖掘和归纳整理教材中的等效法内容，在课堂上充分显化等效法的教育，引导学生在物理概念建立和规律形成中学习等效法，在实验探究中理解等效法，在习题解答中应用等效法，从而进一步开拓学生思维，落实物理学科核心素养。

关键词：高中物理；等效法；显化教育；策略

引言

随着全面深化教育改革的推进，科学思维方法教育日益成为高中物理学科核心素养的重要组成部分，在落实立德树人和培养核心素养方面发挥着积极作用。《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）明确指出物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任四个方面，其中科学方法属于科学态度与责任中的科学本质，属于对科学本身全面的、哲学性的基础认识。课程标准提出的课程目标要求学生“能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论”[ 1 ]，把科学方法教育上升到学科本质的高度，充分体现了科学方法教育的重要性。科学方法分类较多，其中等效法是高中物理科学方法中一种重要的方法。本文以高中物理等效法显化教育的策略为例分析科学方法显性教育重要性。

等效法指在某种物理意义效果相同的前提下，复杂的实际问题变换为简单的理想问题来研究的一种常用的科学思维方法。在物理教学中可以从以下策略对等效法进行显化教育。

1  挖掘教材显化等效法教育内容

尽管课程标准与教材编写者已经认识到科学方法教育重要性，但是在具体落实在教材编写上，科学方法教育显化的力度依然不足。例如司南版高中物理教材仅显化了理想模型法、比值定义法和控制变量法、图像法等几种常用的科学方法，却隐性处理了其它常用的重要方法，例如等效法。以司南版高中物理教材必修一（2020版）为例，在“重力与重心”一节中定义重心为“可以认为重力集中作用在一个点上，我们把这个作用点是为重力的等效作用点，称为物体的重心”[ 2 ]，虽然提到“等效作用法”，但没有说明等效法的定义，不利于学生理解。教师要明确告诉学生应用等效法并介绍等效法概念。在“力的合成”一节中合力定义中强调合力可以等效代替几个共点力，没有明确指出这种方法为等效法并说明等效法的应用，也是等效法隐性处理，没有显化出来，不利于教师教学和学生学习。教师要明确提出合力与分力是等效替代，告诉学生合力的概念是用等效法建立的。因此，教师教学中，应采取等效法显化教学，帮助学生形成清晰的科学思维方法认识和逻辑推理过程。

总之，教师在教学前要确定等效法教育的内容，并根据课程标准把教材中各个知识点所对应的科学方法显化出来，整理出等效法所对应的知识内容（见表1），确定等效法显化教育的内容。

2  在课堂教学中显化等效法教育

教师明确等效法教学内容，精心准备教学设计，思考如何显化知识点的等效法。在课堂教学中，主要通过以下三个方面开展等效法显化教育。

2.1  在物理概念建立和规律形成的等效法显化教育

物理概念和规律是物理现象、物理过程的概括化和抽象化的思维而建立形成的，在建立形成过程中所包含的许多科学方法，通过显化，让学生在学习物理概念规律的过程中领悟其中的科学方法，对提高学生的科学思维具有重要的意义。

物理概念建立和规律形成中开展等效法显化教育可以分解为以下具体步骤。首先，确定开展等效法的知识点的教学目标。其次，在建立物理概念过程中开展等效法显化教育。再次，在形成物理规律过程中开展等效法显化教育。最后，在课堂小结中显化科学方法。

以“科学探究：力的合成”为例，首先，确定教学目标为从力作用的等效性理解合力和分力的概念，知道力的合成遵循平行四邊形定则，在实验探究力的平行四边形定则中理解等效法。其次创设教学情境，提出教学问题。演示生活中提水桶现象，一个学生提一桶水，两个学生提同一桶水，引导学生观察并对水进行受力分析。通过桶的两次受力分析建立合力、分力概念，要明确提出合力与分力是等效替代，告诉学生合力的概念是用等效法建立的。为了让学生理解等效的实质，提出思考问题：谁等效谁，什么等效，等效的体现是什么，同时引导学生回忆重心概念的建立用了什么科学方法。教师给出两把弹簧秤、一个钩码设计实验研究合力和分力的定量关系。学生就会利用前面建立的物理模型进行实验设计、定量研究。学生会把前面用到的等效法迁移到这里，设计出两把弹簧秤提钩码，测出两个互成角度力F1、F2大小与方向，用一把弹簧提钩码秤，测出力F，根据等效法F就是F1、F2合力。接下来就是研究F和F1、F2存在什么一种定量关系。力是矢量，要用力的图示法记录，通过观察三边，猜想假设为三角形或四边形，通过实验数据进行验证，得出平行四边形定则。由此可见在探究平行四边形定则的过程中，再次应用等效法设计实验方案。本节课中二次应用等效法，等效法的教育得到充分巩固，对提升学生的科学思维具有重要意义。

2.2  在物理实验中显化等效法的教育

教师深入分析实验中蕴含的科学方法，确定等效法的实验。根据等效法教学内容的显化分析，高中物理教材中含有等效法的学生实验有“探究两个互相角度的力的合成规律”“探究加速度与物体受力、物体质量关系”“验证动量守恒定律”。在物理实验教学中，教师从实验原理、实验仪器、实验步骤、数据处理等方面显化等效法的教育。

例如，在“探究加速度与物体受力、物体质量关系”实验中，等效法隐藏在实验原理、实验步骤、数据处理中，具有隐蔽性强、不易觉察、容易被忽略的特点。

对此，首先，从实验原理中显化等效法。小车质量M， 盘和砝码质量m。当M＞m时，可以近似认为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力（如图1），在满足一定条件下，用盘和砝码的重力当作绳子力，体现了一种等效替代关系。

其次，在实验步骤中显化等效法。实验前要调整长木板与水平桌面的夹角来平衡小车的摩擦力，轻推小车，当小车运动时纸带上打的点是均匀分布，就说明小车匀速了，重力分力抵消摩擦力，等效与小车不受阻力，即应用了等效法。

再次，在数据处理中显化等效法。本实验用图像法处理实验数据，我们发现加速度a与小车质量成相反变化，为一条曲线，无法得到它们的函数关系，通过尝试做出a-1/M图像，获得a-1/M线性关系，应用了曲改直法，也是等效替代法。

总之，教师要认真挖掘教材，剖析各种科学方法，明确告诉学生，让学生体会科学方法在实验探究中的应用。

2.3  在物理习题教学中显化等效法教育

物理习题的求解中需要应用许多的科学方法，对提高学生的科学思维能力具有重要的意义。高中物理中用等效法解题的专题比较丰富，要归纳整理，如等效法在变力做功的巧用、“等效电源”的应用等。典型的用等效法解题的专题内容见表2。

下面以“等效法在電场中应用”为例，说明在物理习题教学中显化等效法教育。

例题：如图2一个质量为m，电荷量-q小球在场强E=水平向右的匀强电场空间中，小球从C点以v0水平速度向右抛出后经一段时间又回C点的正下方D点。求CD的距离。

分析：小球在受竖直向下的重力和水平方向的电场力作用，所以小球在电场中做曲线运动，把曲线运动沿两个互相垂直的力方向进行分解，化曲为直，用匀变速直线运动规律就迎刃而解。

小结：等效适用条件为匀强电场且电场力与重力垂直，等效实质是运动过程等效，曲线运动过程与两个匀变速直线运动过程等效。

等效法在电场中应用比较多，除了过程等效，还有力的作用等效。如带电小球在匀强电场中受到的电场力为恒力，重力与电场力的合力也是恒力，这个合力可称等效重力，可以认为小球只受等效重力作用，这样就构建了一个新的重力场空间。用等效重力解决匀强电场中带电体在竖直平面内做圆周运动的问题就轻而易举。此外还有模型等效，点电荷与接地金属板（原本不带电）感应电荷的产生电场分布与等量异种电荷的电场分布正好一半相同，因此这两种电场模型等效，用等量异种电荷的模型解决问题就显得简单。

习题课中要结合具体题目引导学生对等效法应用进行分类，不同的习题情境，等效的本质和内涵也会不同，让学生知道等效可分为“作用上的等效、过程上的等效、模型上的等效”[ 3 ]、物理量上的等效等，进一步明确等效法的适用条件、理解等效法的本质与内涵。通过专题训练，使学生灵活应用等效法，化繁为简，化难为易，从而提高自己的科学思维能力。

3  结束语

等效法的显化教育使学生对物理概念、规律的理解更加透彻，更好掌握物理知识，有效地提高解决问题的能力，落实了高中物理学科核心素养，有利于实现立德树人的根本任务。因此，科学方法的显化教育，对培养学生的科学思维能力和学科核心素养具有重要意义。在新的一轮课程改革中，高中物理教师要不断强化科学方法显化教育，为提升学生的科学思维水平和培养核心素养做出应有贡献。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：5-6.

［2］ 司南中学物理教材编写组.普通高中教科书 物理必修第一册[M].山东：山东教育出版社，2020：70.

［3］ 邢红军.高中物理科学方法教育[M]. 北京：中国科学技术出版社，2015：140.