析悟物理問題情境 發(fā)展學(xué)科關(guān)鍵能力

張小建

(江蘇省栟茶高級中學(xué),江蘇 南通 226406)

1 問題的提出

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)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個(gè)方面．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)明確提出發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)是普通高中物理課程的具體目標(biāo)．教師應(yīng)基于具體的問題情境,科學(xué)設(shè)計(jì)各種教學(xué)活動,引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理概念、形成物理規(guī)律,把形成的物理觀念和科學(xué)思維用于解決實(shí)際問題,在問題解決的過程中發(fā)展關(guān)鍵能力,促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的逐步形成．由此可見,基于問題情境的課堂教學(xué)活動是提升學(xué)生物理學(xué)科關(guān)鍵能力的重要平臺．然而,很多教師重解題訓(xùn)練卻忽略在問題情境中幫助學(xué)生逐步形成和發(fā)展物理觀念,制約了學(xué)生學(xué)科關(guān)鍵能力的發(fā)展．學(xué)生建構(gòu)物理觀念操之過急,導(dǎo)致解題時(shí)“眼高手低,一看覺得會,一做就錯”．因此教師有必要領(lǐng)悟物理高考試題如何設(shè)置問題情境考查關(guān)鍵能力,反思教學(xué)實(shí)踐中如何創(chuàng)設(shè)問題情境發(fā)展學(xué)科關(guān)鍵能力．

2 分析問題情境 聚焦關(guān)鍵能力

高考物理試題命題依托“一核四層四翼”的高考評價(jià)體系,加強(qiáng)了對學(xué)生邏輯推理、信息加工和模型建構(gòu)等關(guān)鍵能力的考查,體現(xiàn)高考引導(dǎo)教學(xué)的核心功能．高考加強(qiáng)對關(guān)鍵能力的考查,引導(dǎo)高中物理教學(xué)的任務(wù)目標(biāo),即培養(yǎng)學(xué)生在具體的問題情境中運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行獨(dú)立思考、分析解決問題、交流與合作等能力．試題中創(chuàng)設(shè)的問題情境呈多樣化、真實(shí)化等趨勢．問題情境的多樣化是指以文字、表格、圖片、圖像等多樣化的形式為試題的任務(wù)情境;問題情境的真實(shí)化是選擇社會、生產(chǎn)、生活中的實(shí)際情境．下面就2018年江蘇省高考試題中的問題情境試題加以分析,體會高考是如何考查關(guān)鍵能力,發(fā)展核心素養(yǎng)．

2.1 邏輯推理能力

邏輯推理是科學(xué)研究中重要的思維方式和研究方法,是探究自然規(guī)律的重要思維工具．邏輯推理是指在問題解決的過程中能依據(jù)已知的事實(shí)和條件,關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的知識和方法進(jìn)行推理和論證,得出正確結(jié)論并準(zhǔn)確地表達(dá)出來．2018年江蘇省高考卷第6題以學(xué)生在乘火車時(shí)可能會遇到的生活現(xiàn)象為任務(wù)情境設(shè)置問題,考查學(xué)生的推理能力．下面通過對此題的分析,感悟解決實(shí)際情境問題的過程就是培養(yǎng)邏輯推理能力的過程．

例1.火車以60 m/s的速率轉(zhuǎn)過一段彎道,某乘客發(fā)現(xiàn)放在桌面上的指南針在10 s內(nèi)勻速轉(zhuǎn)過了約10°.在此10 s時(shí)間內(nèi),火車

(A) 運(yùn)動路程為600 m.

(B) 加速度為0.

(C) 角速度約為1 rad/s.

(D) 轉(zhuǎn)彎半徑約為3.4 km.

在本題審題的過程中,學(xué)生根據(jù)試題描述的實(shí)際情境:火車轉(zhuǎn)過一段彎道和指南針在10 s內(nèi)勻速轉(zhuǎn)過10°,根據(jù)學(xué)生對參考系的理解,作出火車在10 s內(nèi)勻速轉(zhuǎn)過10°的結(jié)論．再依據(jù)勻速圓周運(yùn)動的相關(guān)知識進(jìn)行邏輯推理．在實(shí)際問題解決的過程中,推理的每一步都要有依據(jù),如本題依據(jù)實(shí)際情境分析出運(yùn)動性質(zhì),再依據(jù)運(yùn)動性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的物理知識由已知量推理出所求量．推理的主要依據(jù)是相關(guān)的物理知識,為提高邏輯推理能力,就要注重物理概念和規(guī)律的教學(xué)．《課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出,引導(dǎo)學(xué)生體會物理概念、規(guī)律的形成過程是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑,而邏輯推理又是科學(xué)思維的重要組成要素．創(chuàng)設(shè)合理的實(shí)際情境是引導(dǎo)學(xué)生體會概念、規(guī)律形成過程的有效策略,以培養(yǎng)學(xué)生通過邏輯推理解決問題的意識、積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn),規(guī)范邏輯推理的思維程序．

2.2 信息加工能力

物理情境、物理規(guī)律通常也可以用函數(shù)圖像、幾何圖形和表格等多種形式呈現(xiàn)．要求學(xué)生能夠從圖像中獲取與物理過程、物理狀態(tài)、物理概念和規(guī)律等相關(guān)關(guān)鍵信息.通過對關(guān)鍵信息進(jìn)行準(zhǔn)確地加工后,作出合理的推理判斷．在問題解決的過程中學(xué)生的信息加工能力主要表現(xiàn)在對信息的收集能力、理解能力、分析與綜合能力等．2018年江蘇省高考卷第12題C(3)以振動圖像為任務(wù)問題情境呈現(xiàn)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動情況,考查學(xué)生的信息加工能力．

圖1

例2.一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播,在x=0和x=0.6 m處的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)A、B的振動圖像如圖1所示.已知該波的波長大于0.6 m,求其波速和波長．

本題要求學(xué)生能由某質(zhì)點(diǎn)的振動圖像判斷質(zhì)點(diǎn)的振動方向和直接讀出振動周期,再由質(zhì)點(diǎn)的振動情況得出簡諧波的傳播規(guī)律．學(xué)生在問題解決的過程中,需要學(xué)生理解試題中的任務(wù)情境、抓住問題本質(zhì),吸收、加工題中文字和圖像呈現(xiàn)的關(guān)鍵信息,并關(guān)聯(lián)到已有知識和方法．未來社會一定是大數(shù)據(jù)、AI的時(shí)代,提高學(xué)生的信息加工能力才能適應(yīng)人類社會發(fā)展的需求．在信息加工的過程中需要多種形式的思維參與,培養(yǎng)信息加工能力可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力．

2.3 模型建構(gòu)能力

模型建構(gòu)是運(yùn)用物理觀念解決問題、運(yùn)用科學(xué)思維分析問題的關(guān)鍵．模型建構(gòu)的過程就是把問題中情境細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)化為物理概念或規(guī)律、將實(shí)際情境轉(zhuǎn)換為物理情境的過程．物理問題情境往往比較繁雜,在解決問題時(shí)需要忽略次要因素,抓住主要因素,建立能夠反映問題本質(zhì)特征的物理模型,如質(zhì)點(diǎn)模型,勻強(qiáng)電場模型,勻變速直線運(yùn)動模型,類平拋運(yùn)動模型,勻速圓周運(yùn)動模型等．2018年江蘇省高考卷第3題就是以學(xué)生熟悉的玩具彈射管為情境,通過創(chuàng)新設(shè)置問題,考查學(xué)生模型建構(gòu)能力．下文通過對本題的分析,審視在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角下習(xí)題課教學(xué)的目的,體會解決實(shí)際情境問題進(jìn)行模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)．

例3.某彈射管每次彈出的小球速度相等.在沿光滑豎直軌道自由下落過程中,該彈射管保持水平,先后彈出兩只小球.忽略空氣阻力,兩只小球落到水平地面的

(A) 時(shí)刻相同,地點(diǎn)相同.

(B) 時(shí)刻相同,地點(diǎn)不同.

(C) 時(shí)刻不同,地點(diǎn)相同.

(D) 時(shí)刻不同,地點(diǎn)不同.

本題解題的關(guān)鍵是通過對實(shí)際情境中彈射管和小球進(jìn)行動力學(xué)分析判斷出兩物體的運(yùn)動性質(zhì),這一重要思維過程就是物體運(yùn)動模型建構(gòu)的過程,然后才能依據(jù)相關(guān)聯(lián)的慣性定律和運(yùn)動的獨(dú)立性原理進(jìn)行推理．可見,模型建構(gòu)是一種重要的科學(xué)思維方法．因此習(xí)題課的教學(xué)目的是要讓學(xué)生體會建構(gòu)這些物理模型的思維過程及思維方法．為避免機(jī)械套用,必須理解物理模型的適用條件．為提升模型建構(gòu)的能力,盡量選擇學(xué)生熟悉的實(shí)際問題情境,在實(shí)際情境問題中一般不直接呈現(xiàn)物理模型,需要學(xué)生多角度分析才能建構(gòu)物理模型,有益于提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力．

3 創(chuàng)設(shè)問題情境 發(fā)展關(guān)鍵能力

《課程標(biāo)準(zhǔn)》在實(shí)施建議中提出:創(chuàng)設(shè)情境教學(xué),對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用．教師在設(shè)計(jì)教學(xué)活動時(shí),要精心創(chuàng)設(shè)反映物理知識本質(zhì)的問題情境,發(fā)展學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力．

3.1 物理概念的教學(xué)

圖2 實(shí)際情境

在物理概念的教學(xué)中,由于物理概念的抽象性,學(xué)生通過生活體驗(yàn)獲得大量的直覺經(jīng)驗(yàn)并不能反映現(xiàn)象的本質(zhì)特征,對物理概念的建立有較大的負(fù)面影響．例如,通常靜止的物體受靜摩擦力、運(yùn)動的物體受滑動摩擦力,學(xué)生就會簡單認(rèn)為只有靜止的物體才能受到靜摩擦力作用．針對學(xué)生的這一認(rèn)識,可播放如圖2的視頻:第一個(gè)鏡頭站在地面上拍攝的,另一個(gè)鏡頭站在電梯臺面上拍攝的．以地面為參考系,小孩是運(yùn)動的;但以電梯臺面為參考系,小孩是靜止的,即小孩與臺面是相對靜止的且有相對臺面下滑的運(yùn)動趨勢,故臺面對小孩施加沿臺面向上的靜摩擦力．創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的實(shí)際情境,學(xué)生能身臨其境,也就不難反思出產(chǎn)生錯誤的原因是沒有理解“相對”的含義．在物理概念的教學(xué)中創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的實(shí)際情境,學(xué)生容易概括出問題的共同特征,抽象出問題的本質(zhì)特征,實(shí)踐證明能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,以發(fā)展關(guān)鍵能力．

3.2 物理規(guī)律的教學(xué)

在物理規(guī)律的教學(xué)中,如果對物理規(guī)律僅僅是理論探究,學(xué)生會感覺枯燥無味,久而久之就會喪失對物理學(xué)習(xí)的興趣,也使物理失去其本質(zhì)意義．而創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的問題情境,學(xué)生由真實(shí)的問題情境形成真實(shí)的問題,也就能認(rèn)真的探究．

例如,在“探究小燈泡的伏安特性曲線”一節(jié)課中不是直接把實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等一講就放手讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)而是創(chuàng)設(shè)如圖3所示的問題情境,先讓學(xué)生觀察定值電阻的電流隨時(shí)間的變化,然后把電阻換成小燈泡,再讓學(xué)生觀察小燈泡中電流隨時(shí)間的變化關(guān)系．學(xué)生通過比較兩個(gè)圖像的不同之處,自然就會根據(jù)通過小燈泡的電流發(fā)生變化判斷出小燈泡的電阻發(fā)生變化．進(jìn)一步產(chǎn)生想探究小燈泡的電阻是如何變化的沖動,再適時(shí)啟發(fā)學(xué)生如何利用歐姆定律設(shè)計(jì)測量電路,怎么解決遇到的問題,怎么減小系統(tǒng)誤差,又怎么實(shí)現(xiàn)多次測量等．先展示問題情境,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,可以激發(fā)了學(xué)生自主探究的興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識,也實(shí)現(xiàn)了由問題情境向物理模型的轉(zhuǎn)化．學(xué)生切身體會把真實(shí)情境轉(zhuǎn)化為物理模型的探究過程,感受研究自然現(xiàn)象的樂趣,提升對現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識,提高模型建構(gòu)能力．

圖3 實(shí)驗(yàn)情境

3.3 習(xí)題的教學(xué)

高考命題有從考查解題能力向考查問題解決能力轉(zhuǎn)變的趨勢．在習(xí)題的教學(xué)中,要從培養(yǎng)學(xué)生終身發(fā)展所需的核心素養(yǎng)的視角審視習(xí)題教學(xué)的目的,應(yīng)注重把學(xué)生在物理課程中形成的關(guān)鍵能力用于分析、解決實(shí)際情境問題.這樣做既可避免習(xí)題教學(xué)的作用僅僅是得出答案又可全面提高學(xué)生的問題解決能力．

圖4 經(jīng)典模型

例如,研究如圖4的裝置——阿特伍德機(jī),阿特伍德機(jī)為經(jīng)典物理模型,是一種測量加速度和研究運(yùn)動規(guī)律的裝置．高考試題中經(jīng)常以理想化的阿特伍德機(jī)為試題任務(wù)情境設(shè)置問題．高中物理實(shí)驗(yàn)室里一般選用塑料材質(zhì)的滑輪和棉線,由于滑輪、棉線的質(zhì)量較輕可忽略不計(jì),作理想化處理．這類典型問題的解法也較常規(guī),但不能只是簡單告訴學(xué)生結(jié)論．在完成常規(guī)解法的教學(xué)任務(wù)后可作如下的拓展．對理想化的模型輕繩,要讓學(xué)生明白為什么輕繩兩端拉力大小相等,其本質(zhì)原因?yàn)檩p繩是忽略質(zhì)量的理想模型,對整個(gè)輕繩進(jìn)行研究,根據(jù)牛頓第二定律知,輕繩的合外力始終等于0,與加速度為多大無關(guān),所以輕繩兩端受到的拉力大小相等．對于輕質(zhì)且不計(jì)一切阻力的滑輪,也是一個(gè)理想模型．如果滑輪有質(zhì)量,由于滑輪有轉(zhuǎn)動慣量,滑輪兩端繩的拉力不等,要解釋就超過大綱要求;但如果滑輪有摩擦阻力,滑輪兩端繩的拉力大小仍相等嗎?通過受力分析,由整個(gè)輕繩的合力為0，得TB=TA+f．由此還可提出開放性問題讓學(xué)生自主探究:如何消除滑輪受到摩擦阻力的影響?或如何測出摩擦阻力的大小?這樣學(xué)生在遇到2018年江蘇省高考第11題(3)問的創(chuàng)新設(shè)問“怎么用橡皮泥減小滑輪的摩擦阻力引起的實(shí)驗(yàn)誤差”時(shí),就會心中有底了．

在平時(shí)的習(xí)題教學(xué)中,如果僅僅就題講題、告訴學(xué)生經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論,就不利于學(xué)生建立物理觀念、培養(yǎng)科學(xué)思維．對于典型的物理模型既要讓學(xué)生學(xué)會怎樣做更要讓學(xué)生理解為什么是這樣做,這樣學(xué)生在面對新情境、創(chuàng)新設(shè)問時(shí)就能靈活應(yīng)對．以實(shí)際情境為背景的習(xí)題,可以提升學(xué)生科學(xué)探究的興趣,增強(qiáng)問題意識,提高模型建構(gòu)和信息加工等能力．這樣,在習(xí)題教學(xué)中可以讓學(xué)生獲得在實(shí)際情境中解決問題的大量經(jīng)驗(yàn),形成把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力,可以進(jìn)一步有效提高學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力．

4 結(jié)語

隨著高考考試內(nèi)容的深化改革,試題凸顯基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性,強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新問題情境的設(shè)置、創(chuàng)新試題的設(shè)問角度,考查關(guān)鍵能力,凸顯核心素養(yǎng),推進(jìn)素質(zhì)教育的發(fā)展．在高中物理概念、規(guī)律、習(xí)題等教學(xué)過程中教師要創(chuàng)設(shè)合理的問題情境,加強(qiáng)學(xué)生對物理知識內(nèi)涵與外延的理解,體會問題解決的思維程序,提升學(xué)生在多樣而真實(shí)的情境中吸收與加工關(guān)鍵信息的意識,積累問題情境轉(zhuǎn)化的經(jīng)驗(yàn),以逐步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力．