高中学生物理计算题常见思维障碍及解决对策，本文主要内容关键词为：对策论文,高中学生论文,障碍论文,计算题论文,思维论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
随着高考改革的深入，客观题所占比例越来越少，主观计算题所占比例越来越大。笔者做过统计，92-95年，有4个计算题，占26%；96-99年有5个计算题，比例从30%上升到43%；2001-2002年有6个计算题，占50%；2002年“3＋综合”考试物理有3个计算题，占56%。这种变化表明高考更重视对考生思维过程的考查，而计算题能明显反映考生的思维过程，区别出考生的实际水平高低，有利于选拔人才。从历年的高考试卷分析看，绝大数考生计算题做得并不好，本文从研究学生解题心理入手，分析学生在解答计算题时的种种思维障碍，以便教师能准确地掌握学生的解题心理，采取相应的教学措施，尽量避免学生解题时不当心理干扰，以提高教学质量。
二、常见的思维障碍
所谓思维障碍是指学生学习过程中，由于思维起点的迷茫，思维形象的模糊，思维方向的偏离，思维逻辑的混乱，思维展开受到干扰等造成的思维过程中断或得不到正确思维成果的现象。在解题过程中，不同的学生会出现不同的思维障碍，但这些思维障碍具有相似性和重复性，在各种各样的思维障碍背后，往往有相似的诱因。现对学生的主要思维障碍分析如下：
1.学生认知结构的局限，形成思维障碍
物理学知识本来具有严密的结构体系，各个概念、规律都或多或少存在联系，正因为这种联系使知识系统化、结构化。而很多学生的物理知识却是零乱的，是一个个分离的知识组块，块与块之间几乎没有联系，杂乱无章，没有形成良好的结构。在解题过程中，一旦所需知识提取不出来，或知识联系中断，物理过程就不能清晰完整地呈现出来，使得思维受阻，形成思维障碍。
例1 一个质量为m，带有电荷-q的物体可在水平轨道ox上运动。o端有一与轨道垂直的固定端，轨道处于匀强电场中，场强的大小为E，方向沿ox端正向，如图1所示。小物体以初速度
从
点沿ox轨道运动，运动时受到大小不变的摩擦力f作用，而且f＜qE，设小物体与墙碰撞时不损失机械能，而且电量保持不变，求它在停止运动前所通过的路程S。
图1
析与解 此题是一道力电综合题，涉及到的物理的知识很多，有牛顿定律、运动学公式、动量定理、能量守恒定律及摩擦力和电场力做功的特点，过程较复杂，是往复运动，其初速度方向未知，如果采用运动学公式分步求解，肯定形成思维障碍。如果抓住f＜qE这一条件，判定出小物体最终停在o点，再根据摩擦力和电场力做功的特点，想到用能量的观点来求解，此题便迎刃而解。
小物体受到的电场力F=-Eq，大小不变，方向指向墙，摩擦力f的方向始终与物体运动方向相反。由于Eq＞f，故小物体的加速度指向墙，且多次与墙碰撞后，最终必停在o点处。在全过程中电场力做功为
，摩擦力做功为-fs，由动能定理知
2.不能正确构建物理模型，形成思维障碍
解题的第一步，也是最重要的一步，就是根据题目描述的物理情景对物理问题模型化，而模型化正确与否或合理与否，直接关系到物理问题解决的质量。从试卷分析可看出，学生对物理问题模型化能力存在明显缺陷，特别是当今高考题中联系现系生活的新情景问题占有较大比重，对考生的模型化能力要求更高。
例2 如图2所示，一定量气体放在体积为
的容器中，室温为
=300K，有一光滑导热活塞C（不占体积）将容器分成A、B两室，B室的体积是A室的2倍，A室容器连接有一U形管（U形管内气体的体积忽略不计）。两边水银柱高度差为76cm，右室容器中连接有阀门K，可与大气相通，已知外界大气压为76cm。求：
图2
①将阀门K打开后，A室的体积变成多少？
②打开阀门K后将容器内的气体从300K分别加热到400K和540K，U形管内两边水银面的高度差各多少？
分析 该题给出的现象、状态、过程及条件不是显而易见的，隐含较深，使学生不能从物理情景中抽象出物理模型，形成障碍。实际上，选择A室气体为研究对象，按情景描述的压强和温度条件，可将A室气体抽象为理想气体，在(1)条件下，A室气体的过程模式即为等温过程。在(2)条件下，关键抓住临界点：C刚好到达容器的最右端，在此之前A气体为等压过程，在此之后A气体为等容过程。（具体解答过程略）
3.缺乏空间想象，形成思维障碍
有些物理问题，如安培力、洛仑兹力问题要求学生有较强的空间想象能力，能看懂立体图，并借助几何图形进行物理、数学方面的分析推理，而学生在分析这类问题时往往想象不出空间图形，找不到各物理量间的几何关系，导致思维障碍。
例3 设在地面上方的真空室内，存在匀强电场和匀强磁场，已知电场强度和磁感强度的方向相同，电场强度大小E=4.0V/m，磁感强度大小B=0.15T，今有一带负电的质点以v=20m/s速度在此区域内沿垂直于场强方向做匀速直线运动，求此带电质点的电量与质量之比g/m以及磁场的所有可能方向（角度可用反三角函数表示）。
析与解 此题主要是考查学生的空间想象能力。虽然考生都知道带电粒子在复合场合中做匀速直线运动意味着它所受三个力合力为零，处于平衡状态，但由于找不到三者的空间关系，画不出空间关系图，不知怎样去分析、推理，形成思维障碍。根据带电质点做匀速直线运动的条件，可知带电质点所受重力、电场力和洛仑兹力的合力为0，且三力在同一竖直面内，如图3所示，质点的速度垂直纸面向外。（具体解答过程略）
图3
4.忽视隐含条件的挖掘，形成思维障碍
有些物理问题的条件，并不明确给出，而是隐含于某一概念中，或题目的叙述和附图中，能挖掘题目的隐含条件，是正确解答的关键。
例4 在方向水平的匀强电场中，一不可伸长的不导电细线的一端连着一个质量为m的带电小球，另一端固定于O点，把小球拉起至细线与场强平行，然后无初速度度释放。已知小球摆到最低点的另一侧，线与竖直方向的最大夹角为θ（如图4）。求小球经过最低点时细线对小球的拉力。
图4
析与解 本题并没有告诉小球的带电量q和场强E的大小及方向，但小球的运动过程隐含着电场力F=qE水平向右的信息，且到达线与竖直方向的最大夹角θ隐含着重力做功与电场力做功关系的信息，通过这些隐含条件的挖掘就可列式求解。
设细线长为L，球的电量为q，场强为E，若电量q为正，则场强方向水平向右，反之向左。从释放点到左侧最高点，重力势能的减少等于电势能的增加，所以，mgLcosθ=qEL(1+sinθ)
若小球到最低点时速度为V，此时线的拉力为T，由能量关系得：
5.运用数学方法的障碍
应用数学工具处理物理问题能力具体表现在：能根据具体问题列出物理量之间的关系，进行推导和求解，并根据结果做出物理结论：必要时能运用几何图形、函数图象进行分析、表达。从历年的高考题分析，后面的压轴题考查学生的分析综合能力和应用数学处理问题的能力的成分较大。
例5 如图5中，虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线，在平面右侧的空间存在一磁感强度为B的匀强磁场，方向垂直纸面向外。O为MN上一点，从O点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m，速度为v的粒子。粒子射入磁场时的速度可在纸面内向各个方向。已知先后射入的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇，P到O的距离为L，不计重力及粒子间的相互作用。
图5
①求所考查的粒子在磁场中的轨道半径。
②求这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔。
分析 此题涉及到的几何图形有圆和三角形，涉及到的几何量有角度、弧、弦，而涉及到的物理知识有圆周运动、磁场性质等知识点。在所有的物理量和数学量中，角度是最关键的量，它是建立几何量和物理量关系式的纽带，又是沟通几何图形和物理模型的桥梁。从上面分析可知，此题主要考查学生是否具备应用数学知识处理物理问题的能力。（具体解答过程略）
三、解决对策
在解题教学中，普遍只重视一个个具体例题解法讲深讲透，不重视解题思维过程的引导，不重视解题策略决策的讲解和训练，强调多做题“熟能生巧”，热衷于“题海战术”，让学生在大量做题中自己“悟”出某些规律性的东西，特别是高三复习这种情况尤为突出。针对上述分析，笔者认为在以下三方面应加强针对性教学，来突破学生的思维障碍，提高教学质量。
1.教给学生良好的物理认知结构
所谓认知结构就是主体头脑里所建立的知识结构。众所周知，知识是解题的基础，但并非知识越多解题能力就越强，美国教育家波利亚说得好：“货源充足和组织良好的知识仓库是一个解题者重要的资本。”物理学的知识具有严谨的结构体系，知识之间存在千丝万缕的内在联系，只有让学生把各个概念、规律的内在联系弄清楚，并能针对不同的物理情景采用不同的方法求解，才能在学生的大脑中形成良好的物理认知结构。例如在讲完牛顿运动定律、两大定理（功能定理和动量定理）、两大守恒定律（能量守恒定律和动量守恒定律）后，可以先让学生自己梳理知识体系，并说明在不同条件下采用什么知识求解，教师再归纳总结。一般来说，对单个物体，宜用两大定理，涉及到时间优先考虑动量定理，求某一个物体的对地位移优先考虑动能定理；若研究对象有两个相互作用的物体，则优先考虑两大守恒定律，特别是出现相对距离（或相对路程）则优先考虑能量守恒定律。在传授这些知识的同时最好举例说明，并做适当的训练题，让学生真正体会并自觉运用上述规律。总之，笔者认为可以从以下方面来加强教学：(1)教师在教学过程中，必须将学生所学知识与该知识的使用条件结合起来记忆，形成“条件化”知识。(2)学完一部分内容后，教师应帮助学生重新组织知识，形成一个有层次、有条理的知识体系。(3)现代认知心理学根据知识的不同表征方式和作用，将知识分为陈述性知识、程序性知识和策略性知识。在传统的教学中，比较注重陈述性知识和程序性知识的教学，也就是注重“双基”，而现代认知心理学家更重视策略性知识的教学，它是教会学生学习和思维的重要途径，所以教学中教师应有意识的加强策略性知识的教学。
2.重视学生物理问题模型化能力的培养
物理模型是物理科学研究和教学的一种科学方法。为了抓住事物本质，舍弃次要因素，突出研究对象的主要矛盾，使抽象出来的模型集中反映事物的本质和规律性内容。物理模型的基本形式有“对象模型”和“过程模型”，对象模型主要有质点、理想气体、单摆、点电荷、理想电表等；过程模型主要有匀速直线运动、自由落体、简谐振动、等温过程等。
对学生已经形成了经验的物理模型，他们在解决这类问题时很轻松，如小球从楼顶自由下落即为自由落体模型，带电粒子垂直进入磁场即为质点做匀速圆周运动模型。但当今高考很多题目的物理情景是全新的，要在全新的物理情景下确定研究对象，抽象出物理模型，笔者认为可以从以下环节加强教学：(1)在教学中增加物理问题模型化内容。(2)习题教学重视物理新情景问题的设计和编写。(3)利用物理与生活实际的密切联系，积极引导学生观察物理现象，发现物理问题，尝试物理问题模型化。
3.教给学生良好的解题策略
我国学者对不同水平学生的解题策略做过对比研究，研究表明：中等生与优等生在解题能力上的差异，最主要并不是基础知识（陈述性知识）的差异，而是解题的思维策略的差异。笔者根据解题的不同阶段，分别提出了三条解题策略。
策略1 准确地理解题意，不要匆忙答题，画出反映物理过程的示意图或函数图像。审题是解题的第一环，也是很关键的一环。首先审题不要吝啬时间，往往审题应耗费10-60%的解题时间。其次认真读题，弄清题目的已知条件和未知条件，发现和挖掘题目的隐含条件，并用标准的物理术语符号将它们表示为已知量和未知量。最后，为使问题表达直观化，减轻短时记忆的负担，可采用画示意图，建立坐标系，画函数图像等直观手段，辅助形成对问题的表征。
策略2 必须善于进行双向推理，充分利用已知条件进行顺向推理，重视运用未知条件来指导思维方向进行逆向推理。求解是解题的中心环节，它的任务是制定解题方案和实施解题方案。求解物理习题，特别是较复杂的综合计算题，涉及到多个研究对象、过程、物理量，以及多个物理概念、规律，如何尽快找出与本题的条件、目标直接相关的规律、公式，进而构建出具体解题方案呢？这里介绍两种思维模式：顺向推理和逆向推理。顺向推理就是充分利用已知条件，使推出的结论逐渐逼近目标，最后达到目标。顺向推理的思维路线是：已知→可知→待求量。不仅要善于进行顺向推理，有时要考虑如何使已知条件与未知条件取得联系，即进行逆向推理。其思维路线是：未知→需知→已知。有时解题采用上述两种方法都困难时，则可考虑将两种方法合用：即一方面从已知量出发看可以求出哪些可知量，同时从未知量出发，思考必须解出哪些需知量，只要把可知量和需知量挂上钩，问题就解决了。
策略3 解题之后要善于总结自己的思路，反思自己的解题过程，探索出最佳解题方案，提高解题效率。回顾是解题的最后一环，通常被大家忽视，但它在解题中却有特殊的重要意义，对提高解题质量，及时发现错误，培养学生的自我监控能力都大有裨益。