物理问题解决过程启迪及创新思维探讨

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【摘要】高中物理教学在课程改革和新高考模式的推动下发生了明显变革，教学方法的多样性、学生知识技能的提升以及综合素养的培养成了我国新一轮教育改革的主流。但有些课堂教学仍沿用高分低能的教育形式，仅仅调整了教学流程，并没有重视如何培养学生解决问题的思维能力。科学的物理问题解决过程不仅能启迪学生的创新思维，还能转变学生的认知方式，提升学生的学科核心素养。就此,从策略和方法两个方面寻找在解决物理问题中培养学生创新思维的有效途径，探讨学生在解决问题过程中获得知识并提高学习效率的方法，以培养学生的创新思维，提升学生的综合素养。

【关键词】高中物理；创新思维；策略；问题解决

物理问题的解决过程是学生学以致用的过程，是学生依据所学物理知识自行解决生活中遇到的物理问题的一种实践活动。进行教学设计时，为激发学生解决问题的欲望，教师要创设贴近学生生活的问题情境。为引导学生发现问题、提出问题，教师要提前做好问题的预设。“问题”相当于教与学的载体，而“问题解决过程”是学生掌握物理知识不可缺少的一个环节，更是促进学生思维升华的重要途径。学生普遍感觉高中物理抽象难学，常因理解不到位导致解决问题时困难重重，逐渐使问题的解决过程变得拖沓、被动，大大降低了物理学习的效率，阻碍了学生创新意识的培养[1]。为启迪学生的创新思维，在教学过程中，教师应针对性培养学生解决问题的能力，并依据教学经验从物理问题解决的策略与方法两个方面来探讨。

一、问题解决的策略

在设置问题情境后，首先引导学生质疑并分析问题，然后通过问题探究促使学生对概念规律做深入思考，最后以问题解决为载体，在交流合作中提高学生解决问题的能力。在解决问题的过程中，只有理清问题解决的思路，才能提高解题效率。只有熟悉各种解决问题的策略和方法，才能牢牢掌握知识，提高解决问题的能力。

（一）设置问题情境，引导学生在质疑中分析问题

从情境中产生的问题，是开启思维大门的钥匙。教师要设置科学的，具有针对性的问题情境，引导学生积极参与课堂教学，学会在质疑中分析问题，养成独立思考的习惯和思维能力。若不会分析问题，解决问题便无从谈起。例如，在研究倾斜放置传送带这一问题时，由于物体在传送带上的受力情况不同，导致运动情况也不同，但不管物体相对传送带如何运动，只要分析清楚物体所受的滑动摩擦力的大小、方向的变化情况，就不难分析出物体的运动状态以及变化情况了。设置问题情景，引导学生在质疑问题的同时对传送带和物体进行“受力分析”和“动态分析终态推断”，是解决此类问题的关键。因此，只有让学生学会在问题情境中质疑并发现问题，引发学生对问题的思考和分析，才能提炼出与问题解决有关的科学思维与科学方法。

（二）通过问题探究，促使学生对概念规律进行深入思考

高中物理的概念、规律大多是通过实验探究得出的，有趣的实验现象最能激发学生学习物理的兴趣，也能激发他们对问题的思考。当某个物理量与多个因素有关时，控制变量法是重要的研究方法，所以，通过实验巧妙地设置问题能增进学生对概念规律的理解[2]。在讲解“探究影响导体电阻的因素”实验时，实验目的是探究导体的电阻究竟由哪些因素决定。为引导学生提出猜想，教师创设了相应的问题情境。首先，拿出滑动变阻器让学生观察思考：它是通过改变什么来改变电阻的？即滑动变阻器的原理是什么。其次，让学生观察两个灯泡（220V100W、220V40W）的亮度后思考：为什么两个灯泡的长短差不多，粗细却各有不同。接着，拿出一段铜丝和铁丝让学生思考：为什么不能用铁代替铜制作导线呢？学生通过思考分析，再根据自己的猜想设计实验，最终得出正确结论。因此，通过生活中的现象引发学生对问题的思考，并在问题的引领下展开探究，促使学生对概念规律的深入思考，这样的教学真正体现了新课改的理念。

（三）以解决问题为载体，在交流合作中提升学科素养

问题是引发学生探究知识的载体，学生间的相互合作与交流是解决问题的有效途径，而合作学习也是当前新课改倡导的学习理念。在教学中，教师经常采用小组讨论学习法，先设计出与教学内容相关的问题，然后让学生通过组内思考、讨论形成初步结论，再推广到组间讨论。以解决问题为载体，设置合理的互动交流环节可以让能力参差不齐的学生都能参与问题解决之中。例如，学习《超重和失重》时，在学生认识超重与失重现象后，教师设计了演示实验：1.用手托起一本书，突然手向上或向下运动，体验手受到的压力。2.手提下挂钩码的弹簧秤突然向上运动，观察读数变化。学生观察后提出问题：现象产生的原因是什么？用运动方向能否判断超重和失重？分组讨论后组间交流，由认知冲突到统一认知：不能用运动方向来判断超重和失重。教师接着让学生思考：运动状态改变的原因是什么？学生展开讨论交流，最后得出认识：当加速度向上时为超重，加速度向下时是失重。因此，只有通过教师有目的性地指导学生开展合作与探究，才能达到解决问题、培养创新思维的目的。

二、问题解决的方法

高中物理问题种类繁多、形式多变，且对思维能力的要求较高，在处理与解决问题时多数学生感到力不从心。但大部分物理问题都有一定的解题规律和技巧，只要在问题解决过程中找到行之有效的方法，就能学好物理课程，提升学生的学科核心素养。现将常用方法总结如下。

（一）过程分析法

一些物理问题往往比较复杂、过程烦琐，但大多数是由若干简单过程组合而成。如果把复杂问题分解为相互关联的若干个简单过程来研究，就会有柳暗花明的顿悟。教师可从4个方面引导学生具体运用这一方法：化繁为简分阶段；探明各个阶段间的中间状态；从内在联系上把握规律，理顺制约关系；注意区分由于条件变化而引起物理过程的变化。例：一轻质弹簧竖直放置，将一质量为12mg的小物块轻放于弹簧顶端，弹簧最大压缩量为L。如图1所示，水平地面上有一固定挡板，将此弹簧一端固定在挡板上且水平放置，一质量为m的小物块P紧靠弹簧的另一端但不连接；在水平地面右侧有一半径R=L的竖直光滑半圆轨道，轨道最低点与地面相切。将另一质量也为m的小物块Q放置在距半圆轨道最低点L2=4L处。现向左推P压缩弹簧，使弹簧发生的形变量为L，此时P与小物块Q的距离为L1=2L。撤去外力，小物块P被弹簧弹开，然后与小物块Q正碰，碰后瞬间粘在一起。（P、Q视为质点，重力加速度为g）求：（1）当弹簧压缩量为L时的弹性势能。（2）若两物块P、Q与水平地面间的动摩擦因数均为μ0=19，求两个小物块刚滑上半圆轨道时对轨道的压力大小。图1思路分析：此题是一个典型的多过程问题。分清各阶段及阶段间的联系是解决问题的关键。运用恰当的物理规律便能使问题迎刃而解。解：（1）当弹簧压缩量为L时，根据能量守恒定律可知弹性势能Ep=12mgL。（2）物块P被弹簧弹开到与Q相碰之前过程中根据动能定理有Ep-μ0mgL1=12mv21碰撞瞬间动量守恒，有mv1=（m+m）v2碰撞结束后到刚滑上半圆轨道有-μ0×2mgL2=12×2mv23-12×2mv22在半圆轨道最低点满足FN-2mg=2mv23R联立解得FN=12mg根据牛顿第三定律，可知刚滑上半圆轨道时两物块对轨道的压力大小等于支持力，即为12mg。

（二）原型启发法

原型启发好比照猫画虎，就是学生把要解决的物理问题和常见的物理模型或物理现象进行对比，找出相似特点和规律来解决新问题。学生生活、实践和实验中的经验积累是原型的主要来源。如果大脑中没有这种原型，就无法实现对学生的原型启发，故大脑中的原型储备是关键。为使学生有效获取原型，教师要引导学生重视以下几点：①善于观察身边的物理现象，勤于思考并尝试用物理知识解释有关现象；②要重视实验演示与实验探究；③通过阅读课外资料、观看科教影片等来获取。竖直平面内的圆周运动，一般可划分为轻绳类模型和轻杆类模型。例如，杂技表演中水流星的运动，游乐场中过山车的运动，以及竖直圆弧轨道内侧的圆周运动等，都可简化为竖直平面内轻绳类圆周运动。汽车过拱形桥，小球套在竖直圆环上的运动，小球在竖直平面内的光滑圆管内的运动等，可化为竖直平面内的轻杆类圆周运动。如果让学生结合当前问题内容在原型中受到启发，形成解决问题的思路与方案，就可以创新性地解决问题。因此，原型启发有助于学生更清楚地认识物理现象，解决物理问题并形成良好的思维习惯，为创新思维的培养提供有力指导。

（三）假设推理法

假设推理法就是先假设物理问题具有某一条件，然后根据此条件得出结论，最后将结论与实际情况进行合理推断的一种科学的思维方法。假设推理法是根据物理过程、临界状态、矢量方向等进行假设，这种方法能突破学生思维方法上的局限，使复杂问题得以简化。例：有一质量为m=10-8kg，电荷量q=3×10-8c的带电粒子，将它以v0=1m/s的速度，竖直射入两水平放置的金属板AB间的匀强电场中，如图2所示。已知A、B两板间的电势差U=400v，距离d=0.02m，g=10m/s2。通过分析说明带电粒子能否抵达A板？图2解析：此题带电粒子的运动情况不明确，要根据可能存在的运动情况进行假设。带电粒子的运动有三种可能过程：①粒子不能运动到A板；②恰好能运动到A板，然后返回；③能够运动到A板且与A板碰撞后再返回。解：假设带电粒子恰好到达A板，由动能定理得：mgd-qU=12mv2-12mv20，解得：v=-1，无解。故假设不成立，说明带电粒子不能抵达A板。

（四）比较、类比法

通过比较两个或多个物理现象、概念、规律之间的异同来解决物理问题，这种方法叫比较法。它是学生最常用、最易掌握的思维方法。如学习《磁场》这一模块时，教师可让学生把磁场、电场进行相互比较，结合动能定理与牛顿运动定律等进行系统解析，让学生掌握它们之间的联系与区别。再如“直流电和交流电”“静摩擦力与滑动摩擦力”“速度、速度的变化量和加速度”等现象概念的比较。只要通过细心观察比较、分析异同，就能深刻理解概念规律。类比找出两个或两类研究对象或物理问题之间的相同点或相似点，比较他们是否有相同或相似的结论，这种方法叫类比法。它是学生常用的一种科学探究的思维方法。物理问题的解决过程是培养学生创新思维的一个有效途径。解决物理问题并不是简单地就题论题，而是学生思维与认知的升华，教师必须处理好解决问题与发展学生思维的关系。单纯就题论题，这样的物理课堂教学是枯燥无味的，很难激起学生创造性思维。依靠机械式的死记硬背或直接套用物理公式，这样的学习是死板的，缺乏创新思维，没有生机与活力。在明确问题解决的思路和方法的基础上，教师要做好三点。首先，要重视学生在课堂中的主体作用，以问题为载体让学生参与其中，有利于启迪学生的思维。其次，教师要掌握启发与引导学生的方法，尤其在教学一段内容后进行总结时，通过提出一些问题来拓展知识空间，让学生形成系统化的知识储备。当学生解决问题遇到困难时，要帮助学生分析存在的问题，通过点拨与指导，让学生系统掌握所学内容。最后，精选训练的习题，让学生尽量有一题多解、一题多变、多题归一的意识，培养理解与应用、联想与发散、判断和优选等思维品质。综上所述，“解决问题”的过程是一种“再发现再创造”的思维形成过程，也是培养学生创新思维的有效途径。在解决实际物理问题的过程中，学生的创新能力能得到进一步训练和发展。在实际教学中，教师应认真研究解决问题的策略，提炼有效的问题解决方法，培养会深层次思考、分析问题的学生，使他们在问题解决过程中能充分建构物理知识体系，准确表达自己的见解。将问题解决理论与物理习题解题过程有机结合，有利于学生在解决实际问题过程中提升物理学科的核心素养，有利于启迪学生的创新精神。

【参考文献】

[1]袁卫民，石亚东.如何在物理问题解决过程中培养学生创新思维[J].物理通报，2010（1）：25-26.

[2]邱靖.问题教学法在高中物理教学中的应用探究[J].中学课程辅导（教师教育），2020（20）：93-94.

作者：赵宝明