通過(guò)原始物理問(wèn)題提升核心素養(yǎng)的教學(xué)策略

何述平 楊英愷

(西北師范大學(xué)教育學(xué)院物理教育研究所 甘肅 蘭州 730070)

1 引言

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出，生產(chǎn)生活中有很多能生成有價(jià)值科學(xué)探究問(wèn)題的情境，而問(wèn)題解決可以使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識(shí)、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升，教師應(yīng)鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)解決生活中的物理問(wèn)題[1]．

物理問(wèn)題可以分為原始物理問(wèn)題和模型物理問(wèn)題．原始物理問(wèn)題是采用文字?jǐn)⑹龇绞匠尸F(xiàn)的科學(xué)現(xiàn)象，也可以理解為自然界和社會(huì)生活中真實(shí)存在的物理現(xiàn)象和過(guò)程[2]；模型物理問(wèn)題是在描述物理現(xiàn)象、過(guò)程的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)物理模型建構(gòu)而簡(jiǎn)化后的物理問(wèn)題．解決原始問(wèn)題需要經(jīng)歷物理模型建構(gòu)的創(chuàng)造性過(guò)程；在一定條件下，原始問(wèn)題亦具有轉(zhuǎn)化為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的可能性．相比模型問(wèn)題，解決原始問(wèn)題在提升學(xué)生的核心素養(yǎng)上具備更加豐富的教育價(jià)值．

那么，如何通過(guò)解決原始物理問(wèn)題提升學(xué)生核心素養(yǎng)？就此提煉出了通過(guò)原始問(wèn)題提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)策略，為一線教師通過(guò)解決原始問(wèn)題提升核心素養(yǎng)提供實(shí)例與借鑒．

2 解決原始物理問(wèn)題與提升核心素養(yǎng)的關(guān)系

學(xué)生拿到一個(gè)原始問(wèn)題，需要先根據(jù)題目的描述，在頭腦中對(duì)研究對(duì)象相關(guān)的物理現(xiàn)象和過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)．在此基礎(chǔ)上，學(xué)生借助一定的物理知識(shí)、方法，建立理想化的物理模型，將原始問(wèn)題簡(jiǎn)化為模型問(wèn)題．在確定了物理模型之后，就可以選用相關(guān)的物理概念、規(guī)律列出方程，將模型物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題計(jì)算求解，得出問(wèn)題的結(jié)論．最后，解決原始問(wèn)題之后還需要進(jìn)行反思或討論，一般需要考慮建立的物理模型是否恰當(dāng)、建立的模型是否唯一、解決問(wèn)題使用了哪些物理方法、選用的物理規(guī)律是否合理、所得的結(jié)論與事實(shí)是否相符等．在原始問(wèn)題的解決過(guò)程中，學(xué)生的思維會(huì)得到鍛煉與提升；而轉(zhuǎn)化為探究實(shí)驗(yàn)的原始物理問(wèn)題，可以引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中，提升科學(xué)探究的素養(yǎng)．總之，學(xué)生解決原始問(wèn)題的過(guò)程中，蘊(yùn)含著提升核心素養(yǎng)的可行之道，如圖1所示．

圖1 解決原始問(wèn)題的一般過(guò)程與提升核心素養(yǎng)的關(guān)系

3 通過(guò)解決原始問(wèn)題提升核心素養(yǎng)的教學(xué)策略

3.1 提升科學(xué)思維的教學(xué)策略

學(xué)生解決原始問(wèn)題的過(guò)程中，需要邏輯思維和非邏輯思維的共同參與，原始問(wèn)題的解決過(guò)程亦能夠更好地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展[3]．課標(biāo)指出，模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新是構(gòu)成科學(xué)思維的主要成分[1]．其中，模型建構(gòu)是解決原始問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，科學(xué)推理在原始問(wèn)題的解決過(guò)程中亦有所呈現(xiàn)．

3.1.1 提升建模方法的教學(xué)策略——抽象-聯(lián)想策略

解決原始問(wèn)題最關(guān)鍵的步驟是建立物理模型，這一過(guò)程蘊(yùn)含發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的必要條件，也是大部分學(xué)生十分薄弱的環(huán)節(jié)．在原始問(wèn)題教學(xué)中重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的建模方法，發(fā)展學(xué)生的建模能力，是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的迫切需求．

學(xué)生在日常的物理學(xué)習(xí)中，認(rèn)識(shí)了不少理想化的物理模型，如質(zhì)點(diǎn)、剛體、試探電荷、理想氣體等．學(xué)生在課后接觸的物理問(wèn)題大多數(shù)都是模型物理問(wèn)題，給定了模型和需要的數(shù)據(jù)．而一旦習(xí)慣了解決模型問(wèn)題的學(xué)生嘗試解決原始問(wèn)題，就會(huì)面臨無(wú)法建模和數(shù)據(jù)不足的窘境．相比模型問(wèn)題，原始問(wèn)題的數(shù)據(jù)隱藏在對(duì)現(xiàn)象的描述之中．

培養(yǎng)學(xué)生的建模方法，提高學(xué)生的建模能力，需要引導(dǎo)學(xué)生在物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)上抽象出問(wèn)題的本質(zhì)，聯(lián)想所學(xué)的理想化模型，然后“定義”所需數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成模型的建構(gòu)．

【例1】如圖2所示，白球撞擊一號(hào)球后，一號(hào)球進(jìn)入洞中，求碰撞后一號(hào)球的速度大小．

圖2 臺(tái)球碰撞

在上述原始物理問(wèn)題中，學(xué)生只知道白球和一號(hào)球的初始位置及碰撞后兩球的運(yùn)動(dòng)方向，其他條件一概不知．要想根據(jù)文字和圖片描述的現(xiàn)象和過(guò)程建立模型，首先應(yīng)思考碰撞前后兩球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)考慮如何簡(jiǎn)化物理現(xiàn)象、建立物理模型．

以下是某位學(xué)生解決這一問(wèn)題的建模思路．

忽略摩擦.

白球運(yùn)動(dòng)——?jiǎng)蛩僦本€運(yùn)動(dòng).

分析過(guò)程：

臺(tái)球碰撞矢量圖如圖3所示，測(cè)量可知，碰撞后兩球運(yùn)動(dòng)方向垂直，且碰撞后一號(hào)球運(yùn)動(dòng)方向與碰撞前白球運(yùn)動(dòng)方向成150°夾角.

圖3 臺(tái)球碰撞矢量圖

碰撞前后，兩球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，可作出相應(yīng)的平行四邊形.

物理規(guī)律:

mv0=mv1+mv2

球桿擊球的平均沖力約140 N，作用時(shí)間約0.1 s，雅樂(lè)美斯諾克臺(tái)球的質(zhì)量約為140 g，由動(dòng)量定理可估算出白球的速度大小約

由幾何關(guān)系可得

上述原始問(wèn)題并未說(shuō)明臺(tái)球碰撞前后做什么運(yùn)動(dòng)，但該學(xué)生在建模中忽略了球和桌面的摩擦力，將兩球的碰撞簡(jiǎn)化為完全彈性碰撞，完成了物理模型的建構(gòu)．實(shí)際上，培養(yǎng)建模方法應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將原始問(wèn)題抽象簡(jiǎn)化，并與對(duì)應(yīng)的理想化物理模型聯(lián)系起來(lái)，完成模型的建構(gòu)．在教學(xué)中，鼓勵(lì)學(xué)生仔細(xì)觀察生活中的物理現(xiàn)象，為建模奠定常識(shí)基礎(chǔ)[4]．在此基礎(chǔ)上，利用抽象-聯(lián)想策略培養(yǎng)學(xué)生的建模方法，將幫助學(xué)生在模型建構(gòu)中逐步促成科學(xué)思維的完善．

3.1.2 提升科學(xué)推理方法的策略——方法多元策略

目前，中學(xué)生接觸的物理問(wèn)題多為模型物理問(wèn)題．由于限定了理想化的物理模型，給定了參量的具體數(shù)值，大部分模型物理問(wèn)題都具有唯一的標(biāo)準(zhǔn)答案．而原始問(wèn)題卻沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)答案，對(duì)于同一原始問(wèn)題，不同學(xué)生可能會(huì)建立不同的模型，所選用的物理規(guī)律和所求得的結(jié)果也可能存在差異．教學(xué)中應(yīng)當(dāng)允許學(xué)生建立不同的模型，建立模型的不同體現(xiàn)了學(xué)生科學(xué)推理方法的不同，也是學(xué)生思維存在差異的體現(xiàn)．只有尊重不同學(xué)生思維的差異，才能打破標(biāo)準(zhǔn)答案的桎梏，幫助學(xué)生養(yǎng)成創(chuàng)新意識(shí)，開(kāi)拓科學(xué)推理的思路,進(jìn)而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)．

【例2】如圖4所示，籃球從籃筐處由靜止開(kāi)始下落，估算籃球開(kāi)始落地到速度為零所用的時(shí)間．

以下是兩位學(xué)生針對(duì)這一問(wèn)題的解決過(guò)程．

同學(xué)甲的解決過(guò)程如下.

忽略空氣阻力.

分析過(guò)程：

籃球距離地面的高度約為3 m.

運(yùn)動(dòng)情況：自由落體運(yùn)動(dòng).

物理規(guī)律:

落地時(shí)間

同學(xué)乙的解決過(guò)程如下.

忽略空氣阻力，球與地面碰撞損失動(dòng)能，先彈起后下落，彈起4次，動(dòng)能損失5次.

分析過(guò)程：

籃球距離地面的高度約為3 m.

運(yùn)動(dòng)情況：先做自由落體運(yùn)動(dòng)，然后被彈起4次，動(dòng)能損失5次，每次損失的動(dòng)能相同，直到速度為零第一次落地所用時(shí)間

第一次落地的速度

每次碰撞損失速度大小

Δv=1.55 m/s

第n次碰撞速度

vn=(7.75-1.55n) m/s

第n次碰撞后到再次落地所用時(shí)間

開(kāi)始落地到速度為零所用時(shí)間

t=t1+t2+t3+t4+t5=4.83 s

可以發(fā)現(xiàn)，甲同學(xué)在建模時(shí)忽略了球與地面的碰撞，建立了籃球做自由落體運(yùn)動(dòng)的模型；而乙同學(xué)則將碰撞的情況進(jìn)行了考慮，建立了更為復(fù)雜的碰撞模型．顯然，甲同學(xué)建立的物理模型較為簡(jiǎn)潔，但與實(shí)際的物理現(xiàn)象存在出入；而乙同學(xué)建立的物理模型更加精確，更符合物理事實(shí)．盡管不同學(xué)生對(duì)于同一問(wèn)題建立的模型不同，但在建立物理模型的過(guò)程中都是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、提煉物理觀念的創(chuàng)造性過(guò)程．對(duì)于不同的問(wèn)題解決過(guò)程，我們應(yīng)跳出“標(biāo)準(zhǔn)答案”的桎梏，尊重學(xué)生思維的差異，提升學(xué)生科學(xué)推理的能力．只有這樣，才能看到學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中的“百花齊放”，從而有針對(duì)性地促使學(xué)生核心素養(yǎng)的形成與提升．

模型建構(gòu)是提升科學(xué)思維的關(guān)鍵，通過(guò)抽象-聯(lián)想策略培養(yǎng)學(xué)生的建模方法，通過(guò)方法多元策略開(kāi)拓學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的方法，對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的形成與提升具有很大的幫助，如圖5所示．

圖5 問(wèn)題解決中學(xué)生科學(xué)思維的提升

3.2 提升科學(xué)探究素養(yǎng)的教學(xué)策略——問(wèn)題轉(zhuǎn)化與實(shí)驗(yàn)探究策略

課標(biāo)指出，科學(xué)探究是一個(gè)過(guò)程，同時(shí)也是一種關(guān)鍵能力，包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流4個(gè)要素[1]．要想通過(guò)原始物理問(wèn)題提升科學(xué)探究素養(yǎng)，可以將原始問(wèn)題對(duì)物理現(xiàn)象、過(guò)程的表征轉(zhuǎn)化為學(xué)生可探究的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，在探究中學(xué)生會(huì)逐步形成問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流的意識(shí)．

將原始物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可探究的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，學(xué)生能切實(shí)觀察問(wèn)題表征的物理現(xiàn)象、過(guò)程，有助于學(xué)生問(wèn)題意識(shí)的形成．在探究中，學(xué)生可以提升設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和獲取證據(jù)的能力．在分析物理現(xiàn)象成因、數(shù)據(jù)處理、小組討論交流的過(guò)程中，學(xué)生解釋現(xiàn)象、交流合作的能力也能得到鍛煉．因此，提出問(wèn)題轉(zhuǎn)化與實(shí)驗(yàn)探究策略，學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的過(guò)程中，可以促進(jìn)理論與實(shí)踐的對(duì)接，提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)．

【例3】思考如何利用自由落體運(yùn)動(dòng)估測(cè)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋?/p>

這一問(wèn)題很大程度考驗(yàn)了學(xué)生對(duì)所學(xué)物理知識(shí)的理解和運(yùn)用，學(xué)生需要自己設(shè)計(jì)利用自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律測(cè)量重力加速度的方案，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)，最終求出重力加速度．在實(shí)踐活動(dòng)中，這一原始問(wèn)題能轉(zhuǎn)化為可探究的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題．問(wèn)題中沒(méi)有給到的數(shù)據(jù)可以在實(shí)驗(yàn)中獲取，學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案，自制或選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備、記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出探究的結(jié)果．

高一年級(jí)某組同學(xué)探究過(guò)程如下.

忽略空氣阻力.

呈現(xiàn)分析和解決問(wèn)題的過(guò)程.

實(shí)驗(yàn)思路：利用手機(jī)拍攝小球下落的高幀視頻，并借助計(jì)算機(jī)軟件得到小球下落的頻閃照片，利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理的方法即可求出重力加速度的大?。?/p>

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：(1)學(xué)生將黑布和刻度尺固定在豎直墻面上，固定手機(jī)后打開(kāi)水平儀使手機(jī)保持豎直．打開(kāi)相機(jī)，將拍攝的品質(zhì)調(diào)整為“4 k,60幀”且按下拍攝按鈕.

(2)在刻度尺為“0”的位置使小球開(kāi)始自由下落，待小球落地后結(jié)束拍攝．

(3)在PC上用PotPlayer視頻播放軟件打開(kāi)手機(jī)錄制好的視頻，定位到小球即將開(kāi)始下落的時(shí)刻并暫停，點(diǎn)擊右鍵后點(diǎn)擊“視頻→圖像截取→連續(xù)截圖”，如圖6所示．截圖設(shè)置為“截圖數(shù)為60”“按幀間隔”，設(shè)置截圖保存的文件夾．設(shè)置完成后，繼續(xù)播放視頻，即可截取60張連續(xù)的圖片至所設(shè)置的文件夾．

圖6 利用Potplayer進(jìn)行連續(xù)截圖

(4)以T=0.10 s為時(shí)間間隔，選取與小球下落相關(guān)的、清晰的6張幀圖．在小球高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的虛化現(xiàn)象，此時(shí)需利用Photoshop對(duì)小球進(jìn)行顏色噴涂，讀數(shù)時(shí)應(yīng)以小球的末端對(duì)準(zhǔn)標(biāo)尺刻度線，并將逐幀照片合成為“頻閃”照片[5]，如圖7所示．

圖7 小球下落的頻閃照片

(5)記錄玻璃彈珠下落的頻閃點(diǎn)n、下落時(shí)間tn以及對(duì)應(yīng)的下落高度hn，如表1所示．

表1 小球下落高度與對(duì)應(yīng)時(shí)刻

圖8 下落高度與時(shí)間平方的關(guān)系圖像

上述實(shí)踐活動(dòng)，不僅能加深學(xué)生對(duì)自由落體原理的認(rèn)識(shí)，亦能提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和規(guī)范處理數(shù)據(jù)的能力．學(xué)生根據(jù)所給原始問(wèn)題，經(jīng)歷了理解原始問(wèn)題、制訂實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、交流合作五大步驟，呈現(xiàn)了科學(xué)探究中的問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流4個(gè)要素．因此，組織學(xué)生針對(duì)某一原始問(wèn)題，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中嘗試真正解決這一原始問(wèn)題，有助于提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，如圖9所示.

圖9 問(wèn)題解決中學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的提升

4 結(jié)束語(yǔ)

探討了解決原始問(wèn)題和提升核心素養(yǎng)的關(guān)系，原始物理問(wèn)題教學(xué)應(yīng)以提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)為目標(biāo)．提出了通過(guò)解決原始物理問(wèn)題提升核心素養(yǎng)的教學(xué)策略，以期為一線教師在物理問(wèn)題教學(xué)提供實(shí)例與借鑒：注重學(xué)生模型建構(gòu)和科學(xué)推理方法的培養(yǎng)；必要時(shí)，亦可將原始問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可探究的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的具體情境．學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)歷問(wèn)題解決的探究式過(guò)程，可以對(duì)核心素養(yǎng)的提升起到重要作用．