基于物理學(xué)科素養(yǎng)的高端備課
——以“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”為例

文∣董友軍 朱建山 皮飛鵬

勻變速直線運(yùn)動(dòng)是高中物理學(xué)習(xí)的內(nèi)容，勻變速直線運(yùn)動(dòng)的關(guān)系不僅應(yīng)用于直線運(yùn)動(dòng)，也應(yīng)用于曲線運(yùn)動(dòng)(如平拋運(yùn)動(dòng))；不僅應(yīng)用于力學(xué)，也應(yīng)用于電學(xué)(如類平拋運(yùn)動(dòng))。勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的各物理量關(guān)系的基礎(chǔ)，若沒有位移與時(shí)間的關(guān)系，就無法對勻變速直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量研究。本文以培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，對“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”進(jìn)行高端備課。

一、教材分析

“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”是人教版高中物理必修一教材“第二章 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”的第3節(jié)，它是本章的重點(diǎn)、也是本章的難點(diǎn)。本章第1、2節(jié)得出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系，本節(jié)得出了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系，故完整地呈現(xiàn)了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的初速度、末速度、時(shí)間、加速度、位移之間的關(guān)系，為定量研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)提供了分析依據(jù)。本節(jié)也是“第4節(jié) 自由落體運(yùn)動(dòng)”的一般規(guī)律，自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特例，學(xué)好本節(jié)有助于學(xué)生理解自由落體運(yùn)動(dòng)。本節(jié)采用了“數(shù)形結(jié)合”“化變?yōu)楹恪钡难芯克枷?，是研究物理學(xué)科的重要思想，但其比較抽象，學(xué)生難以理解，是本節(jié)教學(xué)難點(diǎn)。

通過對教材認(rèn)真分析，在教學(xué)時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)可以從以下兩個(gè)方面改進(jìn)。

(一)優(yōu)化問題引導(dǎo)

在學(xué)習(xí)“問題”欄目部分，很多學(xué)生感覺引導(dǎo)“從勻變速直線運(yùn)動(dòng)物體的v-t圖象可以看出，在時(shí)間t內(nèi)的位移x對應(yīng)圖中著色部分的矩形面積”與問題“做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體，在時(shí)間t內(nèi)的位移與時(shí)間會有怎樣的關(guān)系？”之間有點(diǎn)脫節(jié)，故在教學(xué)時(shí)，教師要順著引導(dǎo)的思路，優(yōu)化問題為“做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體v-t圖象與v軸、t軸所圍成的梯形面積也等于勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小嗎”。

(二)優(yōu)化解題示范

二、教學(xué)環(huán)節(jié)

物理高端備課是指以物理課程與教學(xué)理論為指導(dǎo)，采用備課形式，研究符合物理知識規(guī)律、滿足物理教學(xué)規(guī)律、適合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)從“物理知識傳授—物理方法教育—物理思想形成”的核心理念[1]。它不同于傳統(tǒng)教學(xué)基于信息加工理論的流程描述，而是在符合物理學(xué)科特色的物理教學(xué)理論指導(dǎo)下，對具體的物理教學(xué)問題做出合乎物理教學(xué)邏輯的引領(lǐng)。

依據(jù)對教材的分析，筆者優(yōu)化教學(xué)流程、突出科學(xué)方法、重視實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、關(guān)注知識應(yīng)用，對“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”第1課時(shí)進(jìn)行物理高端備課，從而培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)——主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[2]，教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)流程圖

物理高端備課的教學(xué)流程更加注重物理邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性，教學(xué)邏輯的漸進(jìn)性，認(rèn)知邏輯的適切性，有助于學(xué)生理解勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系的內(nèi)涵，提升學(xué)生用位移與時(shí)間關(guān)系解決實(shí)際問題的能力。依據(jù)教學(xué)流程，筆者實(shí)施了以下教學(xué)環(huán)節(jié)。

(一)創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師播放高速列車勻速行駛的視頻,如圖2所示，提出以下問題。

圖2

【問題一】設(shè)高速列車以288 km/h在軌道上勻速直線運(yùn)動(dòng)，請畫出高速列車運(yùn)動(dòng)10 s的v-t圖象。

學(xué)生認(rèn)真觀看視頻，并畫出v-t圖象，如圖3所示。

圖3

【問題二】根據(jù)勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式計(jì)算高速列車10 s運(yùn)動(dòng)的位移大小，同時(shí)計(jì)算v-t圖象與v軸、t軸圍成的矩形面積。

【問題三】勻速直線運(yùn)動(dòng)中，位移大小與v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積存在的關(guān)系。

教師再播放高速列車勻加速行駛視頻，如圖2。

【問題四】設(shè)高速列車以初速度v0在軌道上勻加速直線運(yùn)動(dòng)，請同學(xué)們畫出高速列車運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的v-t圖象。

學(xué)生認(rèn)真觀看視頻，并畫出v-t圖象，如圖4所示。

圖4

【問題五】如何計(jì)算勻加速直線運(yùn)動(dòng)的高速列車經(jīng)過時(shí)間t運(yùn)動(dòng)的位移大小。

教師創(chuàng)設(shè)高速列車視頻材料，讓學(xué)生認(rèn)知從感性向理性轉(zhuǎn)化，降低學(xué)生認(rèn)知難度，同時(shí)提升學(xué)習(xí)興趣，并增強(qiáng)學(xué)生民族自信心和國家自豪感，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。從直線運(yùn)動(dòng)位移的公式到v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積，引導(dǎo)學(xué)生用“數(shù)(公式)形(形狀)結(jié)合”思想研究物理問題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。從發(fā)現(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小等于v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積，到學(xué)生提出猜想——?jiǎng)蚣铀僦本€運(yùn)動(dòng)的位移大小等于v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積，既可以培養(yǎng)學(xué)生物理觀念，也可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究。

(二)分析問題，展開探討

教師引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題。

【問題六】若把高速列車勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的v-t圖象分成5小段，如圖5所示，每小段起始時(shí)刻的瞬時(shí)速度由相應(yīng)的縱坐標(biāo)表示，則每一小段內(nèi)，可以粗略認(rèn)為高速列車以這個(gè)速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，請問5個(gè)矩形的面積之和與高速列車勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小有什么關(guān)系？

圖5

【問題七】若把高速列車勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的v-t圖象分成10小段，如圖6所示，每小段起始時(shí)刻的瞬時(shí)速度由相應(yīng)的縱坐標(biāo)表示，則每一小段內(nèi)，可以粗略認(rèn)為高速列車以這個(gè)速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，請問十個(gè)矩形的面積之和、五個(gè)矩形的面積之和與高速列車勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小有什么關(guān)系？

圖6

【問題八】若把高速列車運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的v-t圖象分成50000小段，此時(shí)矩形的頂端的“鋸齒形”就看不出來了，這些小矩形合在一起就成了一個(gè)梯形，如圖7所示，請問這個(gè)梯形的面積與高速列車勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小有什么關(guān)系？

圖7

上面三個(gè)問題循序漸進(jìn)，用“化變?yōu)楹恪彼枷?，讓v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積逐漸逼近勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小，促使學(xué)生深刻理解微元法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。讓學(xué)生經(jīng)歷比較、討論、分析、總結(jié)，得出勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小等于v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究。

(三)意義建構(gòu)，深度理解

教師繼續(xù)利用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

【問題九】根據(jù)以上分析，請同學(xué)們推導(dǎo)出勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系。

【問題十】由v=v0+at，請同學(xué)們推導(dǎo)出勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的另一種關(guān)系。

【問題十一】以上兩個(gè)公式是根據(jù)勻加速直線運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出來，請問勻減速直線運(yùn)動(dòng)也適用嗎？

學(xué)生由此掌握從勻加速運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系探究過程可以得出，若是勻減速直線運(yùn)動(dòng)，其v-t圖象傾斜向下。通過微元法，同樣可以得出位移大小等于v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積。

教師總結(jié)：以上兩個(gè)公式既適用勻加速直線運(yùn)動(dòng)，也適用勻減速直線運(yùn)動(dòng)，即以上兩個(gè)公式適用勻變速直線運(yùn)動(dòng)。再提出問題。

【問題十二】以上兩個(gè)公式為矢量表達(dá)式，為了計(jì)算方便，常以初速度v0方向?yàn)檎较?，若是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則加速度a取正值還是負(fù)值？若是勻減速直線運(yùn)動(dòng)，則加速度a取正值還是負(fù)值？

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

教師總結(jié)：已經(jīng)從“梯形”得出 “公式”，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了公式的正確性，現(xiàn)在結(jié)合圖形，對公式進(jìn)行深度理解；然后再提出以下問題鏈。

【問題十五】請同學(xué)們畫出初速度為0 m/s的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間關(guān)系的x-t圖象。

問題九至十五的問題鏈，首先讓學(xué)生自己通過v-t圖象、v軸、t軸圍成的面積等于勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移大小，推導(dǎo)出勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式；接著引導(dǎo)學(xué)生分析，此公式也滿足勻減速直線運(yùn)動(dòng)，從而得出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式，構(gòu)建物理知識完整體系；最后指出公式是矢量表達(dá)式，需要先確定正方向，與正方向相同的物理量取正值，與正方向相反的物理量取負(fù)值，從而強(qiáng)化物理矢量的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念。教師在教學(xué)中利用創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證公式的正確性，強(qiáng)化“實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論是否正確的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的理念，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究；引導(dǎo)學(xué)生把公式與圖形對應(yīng)起來，深化對物理公式的理解，進(jìn)一步強(qiáng)化“數(shù)形結(jié)合”，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。教師選擇的素材從生活中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、到數(shù)學(xué)v-t圖象的傾斜直線，再到數(shù)學(xué)x-t圖象的拋物線，讓學(xué)生感悟客觀真實(shí)與數(shù)學(xué)抽象的區(qū)別與聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。

(四)聯(lián)系生活，拓展應(yīng)用

教師進(jìn)一步提出問題，拓展知識，讓學(xué)生學(xué)會應(yīng)用。

【問題十六】如圖8所示，某兒童在滑滑梯，同伴在頂端推了她一下而做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)其初速度為0.5 m/s，下滑加速度大小為2 m/s2，從頂端滑動(dòng)底端的時(shí)間為2 s，求滑梯的長度。

圖8

學(xué)生先在草稿紙上寫出計(jì)算過程。教師再在黑板規(guī)范板書，給學(xué)生示范，讓學(xué)生形成良好的規(guī)范解答習(xí)慣。學(xué)生觀看教師規(guī)范板書，并修改自己表述不規(guī)范處。

教師引導(dǎo)學(xué)生先理解題目，把公式記住，并理解每一個(gè)字母的含義；畫出示意圖，讓思路更加清晰；以初速度為正方向，做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，a取正值。

教師最后出示練習(xí)題讓學(xué)生鞏固知識。

【練習(xí)題】北京冬奧會有冰壺運(yùn)動(dòng)，若中國某運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中以4 m/s推出冰壺(如圖9)，冰壺在冰面上做勻減速直線，其加速度大小為1 m/s2。已知推出點(diǎn)距離營壘中心7 m,判斷冰壺停下時(shí)是否越過了營壘中心。

圖9

教學(xué)過程中，教師選用滑滑梯、推冰壺作為習(xí)題背景材料，既體現(xiàn)物理來源于生活，也體現(xiàn)物理服務(wù)于生活，培養(yǎng)了學(xué)生物理態(tài)度與責(zé)任。解題時(shí)，教師要求學(xué)生先畫出運(yùn)動(dòng)過程示意圖，再應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題，既可以培養(yǎng)學(xué)生物理思維，又可以培養(yǎng)學(xué)生物理觀念。

三、備課反思

傳統(tǒng)備課存在處理教材呆板、制定目標(biāo)籠統(tǒng)、設(shè)計(jì)教案簡單、教學(xué)反思空洞等問題，其原因在于缺乏科學(xué)理論指導(dǎo)。物理高端備課要求教師超越傳統(tǒng)教材分析，不僅要明確“教什么”“如何教”，還要明白“為何教”“教如何”?；仡櫧虒W(xué)過程，筆者提出以下六點(diǎn)建議。

(一)高端備課揭示物理本質(zhì)

物理教學(xué)不但要讓學(xué)生了解物理現(xiàn)象，更要讓學(xué)生探究物理本質(zhì)。為了揭示勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系的本質(zhì)，教師先讓學(xué)生得出勻速直線運(yùn)動(dòng)v-t圖象、v軸、t軸圍成面積等于位移大小，接著鼓勵(lì)學(xué)生猜想勻變速直線運(yùn)動(dòng)v-t圖象、v軸、t軸圍成面積等于位移大小，然后用微元法促使學(xué)生理解猜想的正確性，再設(shè)置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想是正確的，最后得出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系。通過以上過程，不僅可以讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)研究的過程，也讓學(xué)生深刻理解物理規(guī)律的本質(zhì)。

(二)高端備課凸顯科學(xué)方法

科學(xué)方法是人們在認(rèn)識和改造世界中遵循并符合科學(xué)原則的各種途徑或手段，包括在科學(xué)活動(dòng)中采用的思路、程序、規(guī)則、技巧和模式。物理高端備課，以科學(xué)方法為中心開展物理教學(xué)設(shè)計(jì)(如圖10)。自然現(xiàn)象通過科學(xué)方法得到物理知識，物理知識通過科學(xué)方法得到函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系通過科學(xué)方法得到拓展應(yīng)用，科學(xué)方法把自然現(xiàn)象、科學(xué)知識、函數(shù)關(guān)系、拓展應(yīng)用聯(lián)結(jié)起來。整個(gè)備課過程，以知識為載體，先后用到類比法、微元法、圖像法、公式法，從而實(shí)現(xiàn)用科學(xué)方法得到物理知識，用物理知識傳承科學(xué)方法。

圖10

(三)高端備課強(qiáng)化數(shù)形結(jié)合

(四)高端備課創(chuàng)設(shè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的特色。筆者提出“無實(shí)驗(yàn)不物理”，即沒有實(shí)驗(yàn)就不是物理教學(xué)。在物理教學(xué)過程中，物理教師必須想方設(shè)法創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證物理規(guī)律。本節(jié)備課，教師先通過微元法得出了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系，再創(chuàng)設(shè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷驗(yàn)證勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系符合理論推導(dǎo)的結(jié)論。這不僅可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，也可以養(yǎng)成學(xué)生科學(xué)研究習(xí)慣。

(五)高端備課聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活

認(rèn)知心理學(xué)表明，要讓學(xué)生真正理解知識，最有效的方式就是把知識應(yīng)用于生活。[3]勻變速直線運(yùn)動(dòng)是生活中最常見的物理現(xiàn)象，教師可以精心挑選現(xiàn)實(shí)生活情境，把物理知識融入生活素材中，讓學(xué)生把現(xiàn)實(shí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，運(yùn)用物理知識解決生活問題，既可以增強(qiáng)學(xué)生解決問題能力，也可以體現(xiàn)物理學(xué)科應(yīng)用價(jià)值，還可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。例如選用滑滑梯、推冰壺，讓學(xué)生把物理知識與運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來，讓學(xué)生體會到生活即物理，物理即生活。教師還選用高速列車，向?qū)W生講述我國高速列車?yán)锍淌澜绲谝唬咚倭熊嚰夹g(shù)完全自主知識產(chǎn)權(quán)，樹立學(xué)生民族自豪感和國家自信心，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

(六)高端備課培育核心素養(yǎng)

培育素養(yǎng)是教學(xué)最終目標(biāo)。素養(yǎng)是指物理學(xué)科核心素養(yǎng)，它包括物理知識，但物理知識不是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的全部。通過知識的學(xué)習(xí)，可以培育學(xué)生素養(yǎng)。高中物理課程旨在落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。教師不要為了提高學(xué)生高考成績，而只注重學(xué)生學(xué)習(xí)知識，要注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。例如，通過學(xué)習(xí)“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”，不僅要讓學(xué)生理解勻變速直線的位移公式而形成物理觀念，也要引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)際運(yùn)動(dòng)建構(gòu)為勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物理模型而培養(yǎng)科學(xué)思維，帶領(lǐng)學(xué)生理論和實(shí)驗(yàn)分析勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系而經(jīng)歷科學(xué)探究，聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活、精選“高速列車”“兒童滑梯”“冰壺運(yùn)動(dòng)”等塑造科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀。

四、結(jié)束語

物理高端備課引導(dǎo)物理教師跳出教學(xué)看教學(xué)設(shè)計(jì)，它以培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，研究物理教材，結(jié)合學(xué)生實(shí)際，用心理學(xué)、教育學(xué)、物理學(xué)去審視教學(xué)過程、總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從而減輕學(xué)生學(xué)習(xí)壓力、提升教師教學(xué)效率。