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      基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理原始問題教學(xué)

      2021-03-11 08:45:40施云芳
      魅力中國 2021年3期

      施云芳

      (杭州市余杭第二高級中學(xué),浙江 杭州 311100)

      一、從一個考題說起

      浙江省2017 年11 月選考卷有這樣一個試題:

      【例1】 如圖1 所示,照片中的汽車在水平路面上做勻速圓周運動,已知圖中雙向四車道的總寬度約為15m,假設(shè)汽車受到的最大靜摩擦力等于車重的0.7 倍,則運動的汽車

      A.所受的合力可能為零

      B.只受重力和地面支持力作用

      C.最大速度不能超過25m/s

      D.所需的向心力由重力和支持力的合力提供

      簡單的應(yīng)試,這道題容易解析:汽車在水平馬路上做的是勻速圓周運動,合外力時時刻刻指向圓心,拐彎時靠靜摩擦力提供向心力,因此排除錯誤選項可以選擇C。如果我們的教學(xué)只止步于正確答案,那么學(xué)生的核心素養(yǎng)僅體現(xiàn)在物理觀念層面上,只是從運動和相互作用觀念的視角,初步解釋了汽車轉(zhuǎn)彎這一自然現(xiàn)象,而本題的核心問題“汽車轉(zhuǎn)彎的最大速度”仍然未得到解決,同時也錯失了培育學(xué)生物理核心素養(yǎng)的良好契機(jī)。

      若進(jìn)行下一步追問“速度是不能超過25m/s 而不是15m/s”,那又該如何分析?根據(jù)得最大速度,需要知道轉(zhuǎn)彎半徑才能求出v。題目中指出雙向四車道總寬度15m,這就提示了應(yīng)該按照圖示比例來估算彎道的半徑。根據(jù)生活經(jīng)驗,觀測長度時會出現(xiàn)“遠(yuǎn)近高低各不同”的問題,但在同一橫線上,長度的比例大致相同。因此通過圖片橫向比較,可得彎道的半徑大約是車道總寬度的4 倍(如圖2),即彎道的半徑大約60m,求得v =20.5m/s。

      本題通過生活經(jīng)驗也可以判斷:汽車的速度要是為25m/s,也就是為90km/h,假如問一個沒學(xué)過高中物理的司機(jī):“以90 碼的速度在水平路面上轉(zhuǎn)彎可以嗎?”他一定會說:“這是危險駕駛,可能會向外側(cè)翻!”這說明司機(jī)可能不知道勻速圓周運動的物理知識,但根據(jù)生活常識他也能做出判斷,而15m/s 的速度相當(dāng)于在城市街道上正常行駛的速度,用這個速度進(jìn)行大轉(zhuǎn)彎行駛,認(rèn)為安全是有保障的。所謂“讀萬卷書行千里路”,生活經(jīng)驗的積累其實也是一種智慧。

      本題以圖片的形式呈現(xiàn)了一個信息龐雜、客觀真實的情景,要求學(xué)生從中推算出汽車轉(zhuǎn)彎的最大速度,這使人想起20 世紀(jì)60 年著名的“照片泄密案”,據(jù)說日本人曾根據(jù)《中國畫報》封面刊出的圖3 這張照片,破譯了大慶油田的許多秘密并贏得商業(yè)先機(jī)。這些源自自然及社會生產(chǎn)生活中,且未被加工或很少被加工的物理問題,我們稱之為原始問題。

      從【例1】中我們不難發(fā)現(xiàn),原始問題有這樣一些特點:背景的客觀性,現(xiàn)象的復(fù)雜性,條件的隱蔽性,思維的多樣性,結(jié)果的開放性。正是原始物理問題的這些特點,解決原始的物理問題包括一些基本要素:如模型的建構(gòu)、科學(xué)的推理、科學(xué)的論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新。因此,原始的物理問題對于培養(yǎng)高中學(xué)生的物理核心素養(yǎng),以及培養(yǎng)高中學(xué)生科學(xué)的思維方式有著獨特的教育價值功能。

      二、原始物理問題的理論建構(gòu)

      皮亞杰雙重建構(gòu)的理論指出:對知識的建構(gòu)過程是主體客體相互影響的過程,其中蘊(yùn)涵了雙向的建構(gòu)過程,通過環(huán)境中得到的信息提煉轉(zhuǎn)化成認(rèn)知的結(jié)構(gòu)框架,即內(nèi)化建構(gòu)的過程,而形成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)能反過來作用于外部環(huán)境,即外化建構(gòu)的過程。在物理教學(xué)中,教師向?qū)W生傳授物理知識的過程,本質(zhì)上是一個認(rèn)識的內(nèi)化建構(gòu)過程,而后者外化建構(gòu)過程是讓學(xué)生用學(xué)過的物理知識來解決某些實際物理問題的過程。

      在當(dāng)前的物理教學(xué)中,我們往往習(xí)慣把物理課程的內(nèi)容開展得井然有序,對學(xué)生可能出現(xiàn)的問題逐一警示勸誡,盡量不給學(xué)生在課后物理練習(xí)中留下疑點和難點,即對學(xué)生自己內(nèi)化建構(gòu)給予了足夠的重視。需要不斷強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生在聽講、解題、應(yīng)試等過程中,始終針對內(nèi)化建構(gòu)進(jìn)行活動開展。因為,傳統(tǒng)的物理習(xí)題往往是直接給出抽象、簡化的物理模型,偏向訓(xùn)練演算和推理,一般都會給出相應(yīng)的物理量或已知條件,學(xué)生只需運用相關(guān)知識,按常規(guī)方法即可以自行解決問題,這在很大程度上是模仿。顯然,外化建構(gòu)的過程被忽視了。

      人的思維方式在學(xué)習(xí)中不斷提升,通過認(rèn)知的過程是把腦海里原有的固化模型被新的認(rèn)知打破平衡,產(chǎn)生了對認(rèn)知體系和方式的改變或是重組,從而讓原有的思考模式得到提升。物理教學(xué)中的習(xí)題和原始的物理問題有著一定程度的區(qū)別,通過前者物理習(xí)題的教學(xué)方法讓學(xué)生形成和鞏固為已有的正確的認(rèn)識水平,而后者提出的原始物理問題會激發(fā)學(xué)生聯(lián)系實際,修正已有的思維方式和水平,從而起到一個動態(tài)前進(jìn)的平衡狀態(tài)。原始物理問題的呈現(xiàn)方式是對周圍真實情景的具體描述,學(xué)生一般沒有現(xiàn)成效仿的原型,而某些已知條件又具有遮蔽性,需要自己聯(lián)系實際生活和常識,對觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析、評估來獲取,內(nèi)化自主的建構(gòu)實際的物理模型。從某種程度上說,我們進(jìn)行的傳統(tǒng)物理的習(xí)題教學(xué)是讓學(xué)生運用生活中經(jīng)驗知識來解決間接經(jīng)驗問題,而原始物理問題教學(xué)則是學(xué)生運用間接經(jīng)驗知識解決直接經(jīng)驗問題。解決原始的物理問題的過程也是學(xué)生達(dá)成內(nèi)化建構(gòu)和外化建構(gòu)相互統(tǒng)一的過程。

      三、開展原始物理問題的教學(xué)策略

      需要指出的是,【例1】命題也不能完全算是一個原始問題,試題給出的一些數(shù)據(jù)是學(xué)生通過生活經(jīng)驗可以獲得的,所給出的選項也是值得進(jìn)一步商榷。這也反映了命題者投鼠忌器的兩難境地心理,一方面期望能把學(xué)生真實的能力水平通過考試體現(xiàn)出來,能讓高考命題對中學(xué)物理的教學(xué)發(fā)揮引領(lǐng)方向的作用,因此采用通過原始的物理問題來取代傳統(tǒng)習(xí)題訓(xùn)練。但是這樣的方式會使得分率較少,成績不理想,進(jìn)而對中學(xué)物理的教學(xué)現(xiàn)狀造成很大的沖擊。而且【例1】命題是以選擇題的形式出現(xiàn),有猜測得分的機(jī)會,掩蓋了會與不會的界線,不能反映解題思路,不利于綜合測量、評價等高層次目標(biāo)。

      正是由于這兩方面的因素,原始物理問題內(nèi)在的教學(xué)價值易被忽視。但也正是【例1】這一命題思路給我們的教學(xué)一些啟示:可以在傳統(tǒng)習(xí)題與原始問題的互補(bǔ)中,尋找兩者之間互補(bǔ)的結(jié)合點,以提升習(xí)題教學(xué)的質(zhì)量。

      (一)挖掘傳統(tǒng)習(xí)題中的核心素養(yǎng)要素,引導(dǎo)思維方式的轉(zhuǎn)變

      強(qiáng)調(diào)原始物理問題的教學(xué)功能,并非否定傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)的重要作用。應(yīng)堅持發(fā)揮好傳統(tǒng)習(xí)題在幫助學(xué)生鞏固和加深知識理解、培養(yǎng)初步運用知識解決問題能力等方面的積極作用。同時,要努力挖掘傳統(tǒng)習(xí)題中的物理核心素養(yǎng)要素,改進(jìn)習(xí)題教學(xué)模式。

      每個物理習(xí)題都會體現(xiàn)出某種物理本質(zhì),在解決問題的同時還要考慮物理習(xí)題所體現(xiàn)的物理本質(zhì),學(xué)會多角度多層次來思考問題,討論在不同的環(huán)境條件下解決問題的策略方案,還要聯(lián)系有關(guān)的物理現(xiàn)象,由單純的習(xí)題回到復(fù)雜的生活中,用學(xué)過的物理知識來解決實際生活中的問題,并逐步推移到更加寬廣的領(lǐng)域中,學(xué)到更多的東西。

      【例2】(浙江2015 年10 月選考卷)為了從坦克內(nèi)部觀察外部目標(biāo),在厚度為20cm 的坦克壁上開了一個直徑為12cm 的孔,若在孔內(nèi)分別安裝由同一種材料制成的如圖4 所示的玻璃,其中兩塊玻璃的厚度相同。坦克內(nèi)的人在同一位置通過玻璃能看到的外界的角度范圍是

      A.圖a 的大于圖b 的 B.圖a 的小于圖c 的

      C.圖b 的小于圖c 的 D.圖b 的等于圖c 的

      本題似乎是一個傳統(tǒng)的習(xí)題,也與生活中的窺視鏡等實際問題緊密聯(lián)系。試題要求比較三種情形下的觀察范圍的大小,定性分析不難得出,圖a 的觀察范圍最大,而通過圖5 所示光路圖(圖中虛線部分表示玻璃磚平移后的光路)可知,圖b 與圖c 的觀察范圍相同,選項AD 正確。問題是解決了,但學(xué)生能從這一解析中學(xué)到什么?能否把所學(xué)到的遷移到新的問題情景中去解決問題呢?顯然難說。以上解析只是就題論題,并沒有抓住該題的物理本質(zhì)。該題所要體現(xiàn)的物理本質(zhì)是什么?可以從以下幾個層次來剖析:

      ①問題的表征:如何比較圖b 與圖c 兩種情形的觀察范圍大小?學(xué)生也自然會想到用作圖法來求解,但學(xué)生一般只會在原題圖中做出圖6、圖7 所示的結(jié)果。顯然,從兩圖的對比中是無法比較觀察范圍的大小。

      ②比較的方法:這就涉及到用比較的方法討論問題,即只有在共性的前提下才能比較出差異。只有把圖6 和圖7 合在一起,即如圖5 所示的情形,才能得出比較結(jié)果。然而,作為一個考題,要求學(xué)生在時間高度緊張的情況下做出這種思維選擇是不符合實際情況的。

      ③問題的實質(zhì):本題所需要考查的物理本質(zhì)是什么呢?是相關(guān)性分析,即分析觀察范圍與什么因素有關(guān)?推而言之是平行玻璃磚對光線的偏折與什么因素有關(guān)?根據(jù)所學(xué)知識可知,影響平行玻璃磚對光線的偏折的因素有二:一是玻璃折射率,二是玻璃磚厚度,而與玻璃的前后位置無關(guān),由此可得圖b 與圖c 的觀察范圍相同。生活中配眼鏡時會選擇鏡片材料折射率大一些以降低鏡片的厚度(重量)就是這個道理。

      ④基于智慧的解決策略:至此物理問題解決了,但還有沒有另外的思考角度呢?如果注意到題干中并沒有標(biāo)明“坦克內(nèi)部”是在玻璃的左側(cè),還是右側(cè),那么可以進(jìn)行如下推論:若觀察范圍與玻璃的前后位置有關(guān),則左、右變換觀察點時,圖b與圖c的觀察范圍的大小關(guān)系是互換的,即是不確定的,這從命題邏輯上講是錯誤的,也就意味著圖b 與圖c 的觀察范圍是相同的。

      (二)重視從原始物理問題向傳統(tǒng)習(xí)題轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練

      學(xué)生遇到原始問題時的困難,主要表現(xiàn)為面對一個信息龐雜、已知條件隱蔽的問題時,思維紊亂,缺乏程序化。因此,在教學(xué)中要重視從原始物理問題向傳統(tǒng)習(xí)題轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練,讓學(xué)生的思維處于與信息、知識的多向流通和不斷碰撞中,促進(jìn)思維系統(tǒng)從量變到質(zhì)變,由無序逐漸演進(jìn)到新的有序。

      從原始的物理問題出發(fā),到物理習(xí)題的訓(xùn)練,其實牽涉到他們之間的關(guān)系,簡而言之這種外在的變換是通過原始的物理問題中提到的物理現(xiàn)象以及事實,用物理的語言描述、表征后,再用條件中給出的物理知識做出辨析,運用邏輯規(guī)律、簡化抽象等一些科學(xué)的思維方法進(jìn)行理想的模型化提煉,最終找出求解過程中需要用到的物理量作為已知條件,把求解的量和已知量之間的關(guān)系找出來,對潛在的結(jié)果和可能再進(jìn)行限定,得到難度適中的物理習(xí)題。

      在課堂教學(xué)中,教師提出某個現(xiàn)象中的原始物理問題,讓學(xué)生簡化抽象成理想化的物理模型,并給出一些可以測量或計算的相關(guān)量,設(shè)計好適合研究的習(xí)題。通過這樣的方式讓學(xué)生抓住原始物理問題中的核心,從而培養(yǎng)學(xué)生篩選信息、分析問題、建立模型、解決問題的能力。剛開始使用原始物理問題時,可以多給定一些相關(guān)數(shù)據(jù),以降低試題的難度。隨著教學(xué)的深入,可以逐步去掉所有的數(shù)據(jù)信息。

      如在學(xué)過瞬時速度概念后,可以給出如圖8 所示是由高速攝影機(jī)拍攝的子彈穿過蘋果的照片,讓學(xué)生去設(shè)計方案,求得子彈的飛行速度?

      ①對象建模:雖然子彈飛行中有自轉(zhuǎn),但為簡化問題,不研究轉(zhuǎn)動,可視為質(zhì)點;

      ②過程建模:由于曝光時間很短,豎直方向的運動和減速效應(yīng)可不考慮,子彈的運動可視為水平方向的勻速直線運動;

      ③挖掘信息:曝光時間內(nèi)子彈是否有位移?應(yīng)該有,但為何沒有顯示呢?因為曝光時間太短,子彈位移很小。子彈位移小到多少時照片上就顯示不出了呢?子彈前后錯開的距離大概為子彈長度的1%~2%,這時用肉眼就無法區(qū)分;

      ④估值:對于子彈的長度,學(xué)生缺乏感性認(rèn)識,但可對比蘋果的幾何尺寸獲取,曝光時間則可查閱相關(guān)資料獲取,由此即可估算得子彈飛行速度。

      ⑤評估與反思:將求得的數(shù)值與通常情形下子彈的速度對照是否一致,如果不一致,則需要反思所建立的模型是否正確,所選取的數(shù)值是否合理,等等。

      原始的物理問題中所涉及的物理量往往隱藏在真實的物理情境中,需要學(xué)生對信息分層辨析剝離出來,隨之物理的模型也會“破繭而出”。只有通過這樣的訓(xùn)練,學(xué)生才有可能真正了解物理建模的條件,深刻體會、理解物理模型的實質(zhì),從而真正掌握建立物理模型的方法。近年來高考試題中出現(xiàn)了很多利用原始物理問題的素材對學(xué)生的物理核心素養(yǎng)進(jìn)行考察的題目,讓學(xué)生通過平時的訓(xùn)練感知學(xué)習(xí)物理的樂趣,在樂趣中掌握知識,并也能在高考的中贏得信心取得好成績。

      四、結(jié)語

      綜上所述,原始的物理問題既蘊(yùn)涵了普適物理規(guī)律的知識鏈,又承載了豐富的物理核心素養(yǎng)教育目標(biāo),也體現(xiàn)著“從生活走向物理,從物理走向社會”的物理課程理念。把原始的物理問題作為物理習(xí)題教學(xué)的一項補(bǔ)充,它是提升物理教學(xué)的重要切入點,能使物理教學(xué)從傳統(tǒng)純粹的知識傳授模式中走出來,實現(xiàn)物理知識傳授與物理核心素養(yǎng)提升相結(jié)合,真正地促進(jìn)物理教育中核心素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

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