论高三学生思维能力培养—以“电场环境下物体的运动”教学为例

文 郭 莹

高三复习课更加注重抽象思维、逻辑思维与发散思维训练，因此要求教学要设计好例题，把握好问题的梯度性，调动学生思维的积极性和主动性，同时层层推进，由浅入深，使学生的思维过程螺旋式上升，让学生参与并体会物理学的思想方法，从本质上把握解决问题的途径。本文以“电场环境下物体的运动”为例，展示如何在高三教学中培养学生的思维能力。

一、教材与教学分析

“电场环境下物体的运动”在整个教学体系中属于综合性问题，在高一、高二教材中没有专属一节，但历来都是高考物理的热点问题。而本节作为力电综合性内容，又是学生的学习难点，是高中物理学习的重中之重。

本节的知识目标是解决重力场下的物体运动方法，主要包括：(1)力的分析(向心力公式)；(2)运动分析(圆周运动临界)；(3)功能分析(动能定理，能量守恒)。关键是把知识迁移到电场环境下分析问题，其中需深刻理解的是等效最低点、动能最大的点、平衡位置(无切向力，静止释放回到该点)。

本节的能力目标主要包括：(1)运用类比的方法建模，培养知识的迁移能力；(2)熟练运用已有模型，训练解决综合问题的能力；(3)理解物理等效思想、对称方法并熟练运用。

本节情感态度价值观目标：由于本节涉及物理类比、等效、对称的思想方法，因此应让学生体会物理思想、逻辑思维，感受物理美并上升到哲学思想的层面。

本节的基本学情：学生对单一模型已经掌握，如圆周运动临界、动能定理、向心力公式。在重力场中对多种小模型进行综合运用已训练过，但不够熟练。通过本节强化要实现熟练运用，通过类比电场力与重力实现知识迁移，这对学生的思维训练有一定难度。

有鉴于此，本节教学过程的设计主要是让学生体会类比的方法，比较电场力和重力的相似性，从而实现知识的迁移。

二、教学过程设计

例1：如图1所示，竖直平面内有一质量为m的小球，用长 L 的绝缘细线悬于 O 点，要使小球恰能到达最高点B，临界速度多大？最低点A速度至少多大？完成整个圆周运动过程中，小球在哪点获得的动能最大？

图1

在引入环节，要求学生独立完成并在黑板上展示自己总结的解决问题的方法。教师应当强调：最高点临界，求最低点，用这两点间动能定理。在学生能够解答准确的时候，适时肯定的强化非常有效，以后在这类问题中就有了“抓手”。

在最后一问中，学生普遍都知道答案在最低点，但并不能深刻理解或者说没仔细思考这是为什么，而这恰是本节的难点。教师可以首先从能量守恒的角度解释最低点重力势能最小、动能就最大。然后再从其他角度解读：从这一点由静止释放，球仍静止，所受合力为零；从其他位置释放，球也回到该点，这时学生就会联想到单摆，那个位置就叫平衡位置。学生继续分析平衡位置受力特点并回忆单摆，平衡位置切向加速度为零，无切向力。因此最低点是动能最大点，也是平衡位置，这一难点就得以突破。同时再把过最低点的直径画出，学生很容易指出最低点与最高点对称共线。需要强调，此处一定要把问题讲透，这部分难点突破，就为后面知识迁移做好了铺垫。

如果把此过程加上竖直向下的匀强电场，图2小球带正电q，要使小球恰能到最高点，问在最低点A的速度多大？(已知电场力等于重力)

图2

分析可知问题改变了情景，在原有重力中加竖直向下电场，这时学生很快就能把知识迁移。此时一定要总结共性：电场力和重力，都是恒力，做功都只与初末位置有关，而与路径无关，这也是类比的前提。并且还可继续发散思维，只要是做功与路径无关的恒力都可以这样来处理。以上铺垫工作做好后，才能进入能力突破阶段，并实现大范围的知识迁移。

例2：如果把上述电场改为水平向右(如图3所示)， a.从哪点静止释放带正电q小球，还能静止在那点？b.若将小球从最低位置 A 点释放，在哪点获得最大动能？要使小球恰能完成圆周运动，A点速度多大？c.在A点时绳的拉力多大？

图3

此题应给学生充足的时间进行独立思考并相互讨论。由于有了前面的铺垫，静止释放还静止，这句话反映出受力分析合力为零的位置就找到了。何处动能最大的问题前面已经解读，动能最大点为平衡位置点即“最低点”。这里“最低”是等效的“最低”，而非真正意义上的高度最低。为问题搭出台阶，找到等效最低点，正好完成圆周运动，找出对称的等效“最高”临界速度，从A点到等效最高点列动能定理，完成题目，从而实现了真正的知识迁移。

在解c问时，应强调受力分析，向心力求解。此处一定给学生足够的时间，让学生进行讨论，各自发表见解。如果需要，教师还要适当引导，最好完全是学生自己找到答案并说明原因。教师一定不能急于给出答案，否则前功尽弃，实现知识迁移的能力目标就会落空。

重力和电场力类比的思想，不仅可以在圆周运动中类比，在各种运动中都可以类比，从而把重力场中解决问题的方法迁移到电场环境下。这里要注意发散思维的渗透，如后面要复习的带电粒子在电场中的偏转加速等，也可以通过下列问题再强化训练发散思维。

例3：如图4所示，一小物体只受重力作用，以相同的初动能从 A 点沿着各个方向运动，经过很多点，其中一些点组成圆形，在这些圆周上的点哪点动能最大？为什么？

图4

例4：如图5所示，匀强电场强方向与圆O所在平面平行，只在电场力作用下运动(重力不计)，带正电的微粒以相同的初动能沿着各个方向从A点进入圆形区域中，从不同点离开圆形区域经过圆周上各点。其中从c点离开时动能最大，图中O是圆心，AB是圆的直径，AC是弦，则匀强电场的方向为( )

A．沿AB方向 B．沿AC 方向

C．沿OC方向 D．沿BC 方向

方法迁移过来，动能最大点即等效最低点，

电场力与等效“最低”“最高”点连线重合。如果此题既有重力场又有电场，则动能最大点所在位置是哪儿？

图5

三、教学过程的反思

相同的问题，不同的情景，例1第一问是重力场中的圆周运动模型，第二问是加竖直向下的电场，学生是模仿式地迁移。例2是真正实现知识上的迁移。例3与例4作为关键性的迁移训练，表明不仅重力场中圆周运动可以和电场类比，其他运动重力场和电场也可以类比，从而让学生感受“仿—移—破”的学习过程，得到思维能力的训练。

笔者深切体会到，“讲十道题不如练一道题，课下练不如课上练”。需要指出的是，学生需要时间消化理解教师所讲的方法与思想，而课堂就是学生快速理解消化的前沿阵地，理解的高效性就在于此，关键在于学生自己体会突破思维障碍的过程。即便高三复习时间紧张，也要把课堂还给学生，从而提高课堂思维训练的高效性。教学中要以学生为主体，精讲多练。例题要留给学生足够时间进行深刻体会，并展示解题过程，同时在他人的评价中，找到优势和不足。最后教师总结并拓展，培养学生的发散性思维。

高三复习时间紧，但如何抓住关键问题，在有限的时间里进行有效的训练，提高课堂效率，真正对学生进行思维的培养，仍然是高三物理教学中一个值得深入探讨的重要问题。

[1] 邢红军,刘利.物理教学促进中学生思维品质的发展研究[J].课程·教材·教法,2013,33(7)：97-102.

[2] 胡扬洋,陈清梅,邢红军.中国物理变式教学研究：传统与发展 [J].教育导刊,2014(2)：76-79.