通過原始物理問題提升核心素養的教學策略

何述平 楊英愷

(西北師范大學教育學院物理教育研究所 甘肅 蘭州 730070)

1 引言

普通高中物理課程標準指出，生產生活中有很多能生成有價值科學探究問題的情境，而問題解決可以使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態度等方面得到有效提升，教師應鼓勵并引導學生基于物理學科核心素養解決生活中的物理問題[1]．

物理問題可以分為原始物理問題和模型物理問題．原始物理問題是采用文字敘述方式呈現的科學現象，也可以理解為自然界和社會生活中真實存在的物理現象和過程[2]；模型物理問題是在描述物理現象、過程的基礎上，經過物理模型建構而簡化后的物理問題．解決原始問題需要經歷物理模型建構的創造性過程；在一定條件下，原始問題亦具有轉化為學生探究實驗的可能性．相比模型問題，解決原始問題在提升學生的核心素養上具備更加豐富的教育價值．

那么，如何通過解決原始物理問題提升學生核心素養？就此提煉出了通過原始問題提升學生核心素養的教學策略，為一線教師通過解決原始問題提升核心素養提供實例與借鑒．

2 解決原始物理問題與提升核心素養的關系

學生拿到一個原始問題，需要先根據題目的描述，在頭腦中對研究對象相關的物理現象和過程進行再現．在此基礎上，學生借助一定的物理知識、方法，建立理想化的物理模型，將原始問題簡化為模型問題．在確定了物理模型之后，就可以選用相關的物理概念、規律列出方程，將模型物理問題轉化為數學問題計算求解，得出問題的結論．最后，解決原始問題之后還需要進行反思或討論，一般需要考慮建立的物理模型是否恰當、建立的模型是否唯一、解決問題使用了哪些物理方法、選用的物理規律是否合理、所得的結論與事實是否相符等．在原始問題的解決過程中，學生的思維會得到鍛煉與提升；而轉化為探究實驗的原始物理問題，可以引導學生在實驗探究中，提升科學探究的素養．總之，學生解決原始問題的過程中，蘊含著提升核心素養的可行之道，如圖1所示．

圖1 解決原始問題的一般過程與提升核心素養的關系

3 通過解決原始問題提升核心素養的教學策略

3.1 提升科學思維的教學策略

學生解決原始問題的過程中，需要邏輯思維和非邏輯思維的共同參與，原始問題的解決過程亦能夠更好地促進學生科學思維的發展[3]．課標指出，模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新是構成科學思維的主要成分[1]．其中，模型建構是解決原始問題的關鍵環節，科學推理在原始問題的解決過程中亦有所呈現．

3.1.1 提升建模方法的教學策略——抽象-聯想策略

解決原始問題最關鍵的步驟是建立物理模型，這一過程蘊含發展學生科學思維的必要條件，也是大部分學生十分薄弱的環節．在原始問題教學中重點培養學生的建模方法，發展學生的建模能力，是提升學生核心素養的迫切需求．

學生在日常的物理學習中，認識了不少理想化的物理模型，如質點、剛體、試探電荷、理想氣體等．學生在課后接觸的物理問題大多數都是模型物理問題，給定了模型和需要的數據．而一旦習慣了解決模型問題的學生嘗試解決原始問題，就會面臨無法建模和數據不足的窘境．相比模型問題，原始問題的數據隱藏在對現象的描述之中．

培養學生的建模方法，提高學生的建模能力，需要引導學生在物理現象的基礎上抽象出問題的本質，聯想所學的理想化模型，然后“定義”所需數據的基礎上完成模型的建構．

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

圖2 臺球碰撞

在上述原始物理問題中，學生只知道白球和一號球的初始位置及碰撞后兩球的運動方向，其他條件一概不知．要想根據文字和圖片描述的現象和過程建立模型，首先應思考碰撞前后兩球的運動狀態，根據運動狀態考慮如何簡化物理現象、建立物理模型．

以下是某位學生解決這一問題的建模思路．

忽略摩擦.

白球運動——勻速直線運動.

分析過程：

臺球碰撞矢量圖如圖3所示，測量可知，碰撞后兩球運動方向垂直，且碰撞后一號球運動方向與碰撞前白球運動方向成150°夾角.

圖3 臺球碰撞矢量圖

碰撞前后，兩球組成的系統動量守恒，可作出相應的平行四邊形.

物理規律:

mv0=mv1+mv2

球桿擊球的平均沖力約140 N，作用時間約0.1 s，雅樂美斯諾克臺球的質量約為140 g，由動量定理可估算出白球的速度大小約

由幾何關系可得

上述原始問題并未說明臺球碰撞前后做什么運動，但該學生在建模中忽略了球和桌面的摩擦力，將兩球的碰撞簡化為完全彈性碰撞，完成了物理模型的建構．實際上，培養建模方法應引導學生將原始問題抽象簡化，并與對應的理想化物理模型聯系起來，完成模型的建構．在教學中，鼓勵學生仔細觀察生活中的物理現象，為建模奠定常識基礎[4]．在此基礎上，利用抽象-聯想策略培養學生的建模方法，將幫助學生在模型建構中逐步促成科學思維的完善．

3.1.2 提升科學推理方法的策略——方法多元策略

目前，中學生接觸的物理問題多為模型物理問題．由于限定了理想化的物理模型，給定了參量的具體數值，大部分模型物理問題都具有唯一的標準答案．而原始問題卻沒有固定的標準答案，對于同一原始問題，不同學生可能會建立不同的模型，所選用的物理規律和所求得的結果也可能存在差異．教學中應當允許學生建立不同的模型，建立模型的不同體現了學生科學推理方法的不同，也是學生思維存在差異的體現．只有尊重不同學生思維的差異，才能打破標準答案的桎梏，幫助學生養成創新意識，開拓科學推理的思路,進而提升學生的核心素養．

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

以下是兩位學生針對這一問題的解決過程．

同學甲的解決過程如下.

忽略空氣阻力.

分析過程：

籃球距離地面的高度約為3 m.

運動情況：自由落體運動.

物理規律:

落地時間

同學乙的解決過程如下.

忽略空氣阻力，球與地面碰撞損失動能，先彈起后下落，彈起4次，動能損失5次.

分析過程：

籃球距離地面的高度約為3 m.

運動情況：先做自由落體運動，然后被彈起4次，動能損失5次，每次損失的動能相同，直到速度為零第一次落地所用時間

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間

開始落地到速度為零所用時間

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

可以發現，甲同學在建模時忽略了球與地面的碰撞，建立了籃球做自由落體運動的模型；而乙同學則將碰撞的情況進行了考慮，建立了更為復雜的碰撞模型．顯然，甲同學建立的物理模型較為簡潔，但與實際的物理現象存在出入；而乙同學建立的物理模型更加精確，更符合物理事實．盡管不同學生對于同一問題建立的模型不同，但在建立物理模型的過程中都是學生運用所學知識、提煉物理觀念的創造性過程．對于不同的問題解決過程，我們應跳出“標準答案”的桎梏，尊重學生思維的差異，提升學生科學推理的能力．只有這樣，才能看到學生在問題解決過程中的“百花齊放”，從而有針對性地促使學生核心素養的形成與提升．

模型建構是提升科學思維的關鍵，通過抽象-聯想策略培養學生的建模方法，通過方法多元策略開拓學生思路，培養學生科學推理的方法，對學生科學思維的形成與提升具有很大的幫助，如圖5所示．

圖5 問題解決中學生科學思維的提升

3.2 提升科學探究素養的教學策略——問題轉化與實驗探究策略

課標指出，科學探究是一個過程，同時也是一種關鍵能力，包括問題、證據、解釋、交流4個要素[1]．要想通過原始物理問題提升科學探究素養，可以將原始問題對物理現象、過程的表征轉化為學生可探究的實驗問題，在探究中學生會逐步形成問題、證據、解釋、交流的意識．

將原始物理問題轉化為可探究的實驗問題，學生能切實觀察問題表征的物理現象、過程，有助于學生問題意識的形成．在探究中，學生可以提升設計實驗方案和獲取證據的能力．在分析物理現象成因、數據處理、小組討論交流的過程中，學生解釋現象、交流合作的能力也能得到鍛煉．因此，提出問題轉化與實驗探究策略，學生在探究實驗問題的過程中，可以促進理論與實踐的對接，提升學生的科學探究素養．

【例3】思考如何利用自由落體運動估測當地的重力加速度．

這一問題很大程度考驗了學生對所學物理知識的理解和運用，學生需要自己設計利用自由落體運動的規律測量重力加速度的方案，然后進行實驗、處理數據，最終求出重力加速度．在實踐活動中，這一原始問題能轉化為可探究的實驗問題．問題中沒有給到的數據可以在實驗中獲取，學生根據自己設計的方案，自制或選擇實驗設備、記錄并處理實驗數據，最終得出探究的結果．

高一年級某組同學探究過程如下.

忽略空氣阻力.

呈現分析和解決問題的過程.

實驗思路：利用手機拍攝小球下落的高幀視頻，并借助計算機軟件得到小球下落的頻閃照片，利用勻變速直線運動的規律結合物理實驗中數據處理的方法即可求出重力加速度的大小．

實驗過程：(1)學生將黑布和刻度尺固定在豎直墻面上，固定手機后打開水平儀使手機保持豎直．打開相機，將拍攝的品質調整為“4 k,60幀”且按下拍攝按鈕.

(2)在刻度尺為“0”的位置使小球開始自由下落，待小球落地后結束拍攝．

(3)在PC上用PotPlayer視頻播放軟件打開手機錄制好的視頻，定位到小球即將開始下落的時刻并暫停，點擊右鍵后點擊“視頻→圖像截取→連續截圖”，如圖6所示．截圖設置為“截圖數為60”“按幀間隔”，設置截圖保存的文件夾．設置完成后，繼續播放視頻，即可截取60張連續的圖片至所設置的文件夾．

圖6 利用Potplayer進行連續截圖

(4)以T=0.10 s為時間間隔，選取與小球下落相關的、清晰的6張幀圖．在小球高速運動時，會產生嚴重的虛化現象，此時需利用Photoshop對小球進行顏色噴涂，讀數時應以小球的末端對準標尺刻度線，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n、下落時間tn以及對應的下落高度hn，如表1所示．

表1 小球下落高度與對應時刻

圖8 下落高度與時間平方的關系圖像

上述實踐活動，不僅能加深學生對自由落體原理的認識，亦能提升學生的實驗操作能力和規范處理數據的能力．學生根據所給原始問題，經歷了理解原始問題、制訂實驗方案、進行實驗、數據處理、交流合作五大步驟，呈現了科學探究中的問題、證據、解釋、交流4個要素．因此，組織學生針對某一原始問題，設計探究實驗，在實驗中嘗試真正解決這一原始問題，有助于提升學生的科學探究素養，如圖9所示.

圖9 問題解決中學生科學探究素養的提升

4 結束語

探討了解決原始問題和提升核心素養的關系，原始物理問題教學應以提升學生的物理核心素養為目標．提出了通過解決原始物理問題提升核心素養的教學策略，以期為一線教師在物理問題教學提供實例與借鑒：注重學生模型建構和科學推理方法的培養；必要時，亦可將原始問題轉化為可探究的實驗問題，創設學生進行科學探究的具體情境．學生應用所學的物理知識解決實際問題，經歷問題解決的探究式過程，可以對核心素養的提升起到重要作用．