高中“云物理”課堂教學之科學思維的價值體現
——例談“閱·悟·煉·品”的習題課堂教學

季志鋒

（江蘇省西亭高級中學，江蘇 南通 226301）

課程改革、課堂教學改革和高考改革是基礎教育改革的3個方面.國家先后在這些方面進行了系列改革.繼2017年《普通高中物理課程標準》出版后，2019年4月23日江蘇省公布了《江蘇省深化普通高校考試招生制度綜合改革實施方案》，即江蘇新高考方案正式進入實施階段.作為學校教育教學實踐者，隨之而來的就是要跟上新課程改革和新高考改革的步伐實現課堂教學的改革.物理課堂教學在落實“立德樹人”的根本上，體現物理學科本質，培養學生物理學科核心素養，［1］同時以《中國高考評價體系說明》為依據，落實“一核”“四層”“四翼”，將物理課堂教學從“知識立意”“能力立意”向“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”轉變.［2］筆者近些年先后進行了“基于創新學力培養的高中物理‘云實驗’教學”和“高中物理‘云課堂’教學”實踐，從學生“志趣能”匹配協調發展的角度進行了多維度的實踐，學生的興趣的確得到增強、物理學科素養得到提升、物理學科思維得到發展，但每次新接班級后都會感到彷徨失措、焦慮不安，為學生遇見題干文字較多的習題不知所措而焦慮，為學生不能準確建立物理情境、正確選擇物理規律分析解決問題而難過.本文以“閱·悟·煉·品”的習題課堂教學為例，摭談高中“云物理”課堂教學之科學思維的價值體現，以期共鳴.

1 “閱·悟·煉·品”的習題課堂教學

1.1 閱題見情境

閱題，首先是通過讀題清晰地呈現題目所描述的物理情境，進而厘清物理情境中各物理量之間的關系及隱含的物理規律.如何能快速準確閱題，建構物理情境是關鍵.學生可以通過轉換角色，置身題中，或作為旁觀者觀察題中所描述的現象，或作為操作者去領悟題中所描述的現象，或作為實驗者根據題中的描述深入其境，模擬實驗并觀察實驗現象.如在高三一輪復習動量定理時，有這樣一道題.

例1.一宇宙飛船以v=1.0×104m/s的速度進入密度為ρ=2.0×10-7kg/m3的微隕石流中，如果飛船在垂直于運動方向上的最大截面積S=5m2，且認為微隕石與飛船碰撞后都附著在飛船上.為使飛船的速度保持不變，飛船的牽引力應增加多大？

題干不長，雖是高三學生，但全班近80%的學生看不懂題目，不知所云.筆者指導學生思考：如果你是觀察者，當飛船飛進微隕石流中，看到飛船與微隕石發生了什么現象？如果你是飛船駕駛者，當飛船飛進微隕石流中，看到飛船與微隕石發生了什么現象？如果你是實驗者，拿著飛船模型進入布滿微小顆粒的空間，觀察到飛船與顆粒發生了什么現象？或是用手作飛船，掌心作為飛船前進方向的橫截面，空中吊著靜止的皮球作為微隕石，掌心擊球，看到和感覺到什么現象？

學生依據題干表述，通過身臨其境的體驗，對建立物理情境也就水到渠成，進而隱含的物理規律也就會逐步明朗化，即飛船與微隕石發生碰撞，微隕石的速度從0增加到與飛船相同的速度，飛船在與微隕石的碰撞中受到撞擊力，要維持其速度不變，則需要施加額外的作用力與撞擊力平衡.

1.2 悟題建模型

情境是高考評價體系中的考查載體，如何運用所學的物理知識分析解決題中的物理情境，就需要充分領悟題中物理情境所隱含的物理規律，厘清各物理量之間的關系，然后轉換為所學的物理模型，用所學的物理知識進行分析.

例2.小船橫渡一條兩岸平行的河流，船在靜水中的速度大小不變，船頭始終垂直指向河的對岸，水流速度方向保持與河岸平行，若小船的運動軌跡如圖1所示，則

圖1

（A）越接近河岸水流速度越大.

（B）越接近河岸水流速度越小.

（C）小船渡河的時間會受水流速度變化的影響.

（D）小船渡河的時間不會受水流速度變化的影響.

班級中90%以上的學生能夠選出正確的選項（B）、（D），若追問為什么越接近河岸時水速越小，能清晰作答的學生寥寥無幾.在學生知曉船頭始終垂直河岸行駛，即船沿垂直河岸方向上的速度不變的知識儲備下，引導學生利用所學物理知識建構熟悉的物理模型進行分析.

模型1：速度矢量圖.曲線運動的瞬時速度方向沿曲線上該點的切線方向，因船在垂直河岸方向上的分速度不變，合速度與河岸的夾角越小，沿河岸方向的速度越大，水流速度越大，如圖2所示.

圖2 速度矢量圖

模型2：曲線運動的性質.曲線運動的條件是物體的速度與所受到的力不共線，合力一定指向軌跡彎曲的內側.因船在垂直河岸方向上的速度不變，該方向所受合力為0，小船所受的合力必定沿平行河岸方向指向軌跡彎曲的內側，如圖3所示，即小船渡河時在沿河岸方向上先加速后減速.

圖3 受力示意圖

模型3：速度的定義.速度v=Δx/Δt，因船在垂直河岸方向上的分速度不變，如取相等的Δy，則運動時間相等，對應沿河岸方向運動的時間也相等，在相等的時間內，Δx越大，沿河岸的速度也越大，如圖4所示.

圖4

1.3 煉題拓思維

煉題就是在指導學生解題時，不只局限于結果，而是通過多次引導和啟迪，點燃學生思維的火花，通過多種方法的比照逐漸展開，盡可能拓展學生的思維，讓學生的思維橫向有寬度，縱向有深度.

例3.（2018年江蘇高考卷第4題）從地面豎直向上拋出一只小球，小球運動一段時間后落回地面.忽略空氣阻力，該過程中小球的動能Ek與時間t的關系圖像（如圖5所示）是

圖5

這是一道圖像的習題，解決圖像類問題，首先是理解圖像所反映的物理量之間的關系，一般可以利用圖像的點、截距、斜率、面積來分析問題.本題考查的是用圖像來表述物理量之間的規律.絕大多數學生能夠想到嘗試去寫出動能隨時間變化的表達式：豎直上拋ts末的速度v=v0-gt，動能能夠自主完成相關推導，并發現動能隨時間的變化規律的圖像為開口向上的拋物線，選項（A）正確.

這時候教師追問，還有其他的判斷辦法嗎？學生立即陷入沉思，教師可以提示從圖像斜率的角度進行思考.在t時刻后，取Δt→0，圖像的斜率可表示為

1.4 品題生質疑

教師命題需要磨題，學生做題時我們就要教會學生去品題.品題目情境是否科學合理，品題中已知條件是否多余，品題目設問是否綜合、是否可以變化，品題目設計是否完美，品自我解答是否科學準確.

例4.如圖6所示，光滑的豎直桿上套有一滑塊A，A通過輕繩繞過光滑滑輪連接物塊B，B又通過一勁度系數為k的輕質彈簧連接物塊C，C靜止在地面上.開始用手托住A，使繩子剛好處于水平位置伸直但無張力.現將A由靜止釋放，當速度達到最大時，C剛好要離開地面，試分析此時B是否處在平衡位置，速度也是最大.

圖6

很多教師都認為A處于平衡位置時，B也處在平衡位置，其錯誤的原因是在輕繩鏈接的模型中，認為輕繩中各處的張力相等、沿繩方向的速度相等即加速度也相等.在課堂上有一位物理基礎較好的學生提出質疑，他認為物塊A雖然在沿桿向下運動，軌跡是直線，但又好像在繞滑輪轉動，如果考慮圓周運動的話，A的速度最大時，A的加速度不為0，所以他猜B的加速度不為0，不在平衡位置，但不會推導.學生的回答讓教師甚是驚喜，學生通過品嚼題中的物理情境，提出自己的觀點，難能可貴！這不就是教育者所追求的學生學的課堂、培養學生質疑精神的課堂？

當A沿桿向下運動到某個位置，如圖7所示，設此時輕繩與水平初始位置夾角為θ，A的沿桿方向的速度為vA，B的速度為vB，則有即B的加速度等于A沿桿向下運動的加速度沿繩方向的分加速度與A繞滑輪轉動的向心加速度之和.A沿桿方向運動的加速度為0時，B的加速度不為0.其實，A沿桿向下運動，速度最大時，沿桿方向運動的加速度為0，合加速度不為0.

圖7

2 “云物理”課堂教學之科學思維的價值體現

2.1 “云物理”課堂教學概念界定

高中“云物理”課堂教學是整合體感真實的物理實驗、應用交互多媒體技術和豐富的網絡資源，建設基于學生內驅的學習環境，開展立足學生志、趣、能匹配協調發展的、滿足學生自需的、增強學生創新能力發展的一種多元化教學實踐活動.［3］

高中“云物理”課堂教學利用其物感的教學情境，立足學生視角，由外而內的觸碰學生心底，激發學生思維，促使學生從物理學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系進行自我認識；經過經驗事實的抽象概括建構物理模型；在科學領域運用分析綜合、推理論證；基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和評判，進行驗證和修正，形成提出創造性講解的能力和品格.［1］這也正是高中“云物理”課堂教學實踐之科學思維培養的價值體現.

2.2 “云物理”課堂教學實踐之學科思維培養

（1）以境生思.

上述例1通過“閱題見情境”，學生的審題能力、建模能力可以得到一定的培養，但如果就到此講評結束，也只是就題論題，學生的思維并沒有得到很好的鍛煉和發展.對大多數的學生來說，教師的引導能幫助建立物理情境，想到對應的物理知識，但他們的學習可以說仍停留在“舒適區”，沒有真正進入“學習區”.筆者在講解例1后給學生引入了中國關于水的哲學文化，如“仁者樂山，智者樂水”“上善若水”“天下之至柔，馳騁天下之至堅”，水為什么能“至柔至剛”，現場上網百度了水切割機照片及產品介紹，請學生們設計情境，探究水沖擊到物體表面給物體施加的壓強.學生在小組討論后通過建立水的柱體模型，假設撞擊到物體表面速度降為0，推導出水對物體表面的壓強p=ρv2.如果水以10m/s的速度沖擊物體表面，就能產生近一個大氣壓的壓強，學生理解了水的“至柔至剛”.接下來又給出自動售米的情境，如圖8所示，若購買2kg大米，當臺秤示數為2kg時即關閉出口處，大米停止流出.買方認為：米下落到裝米容器時有速度，形成的沖擊力大于著落米的重力，買的米少于2kg；賣方認為：在臺秤示數為2kg時，出口處至裝米容器的空間還滯留一些不在裝米容器內的米，賣出的米多于2kg.讓學生利用所學的知識完成一次辯論.

圖8 自動售米示意圖

課堂上學生始終圍繞著物理情境進行思考，應用著知識分析解決實際問題.知識本來就離不開情境，“云物理”課堂教學實踐就是通過創設激發學生內驅的學習情境，讓學生在生活、生產過程中體會知識的存在，讓學生應用知識分析生活、生產過程的一些現象，讓學生回歸到知識產生的本源.

（2）以悟促思.

悟題就是在閱題明晰物理情境的基礎之上，抽象概括為已學已知物理模型的過程.內化行動是學習必經階段，其唯一重要的事在于引發個體的深層興趣，把他推向根本性問題，而不是滿足于維持一種只在活動期占據其思維的淺層興趣.［4］“云物理”課堂教學實踐就是創設一種學習環境，學生根據自己的興趣愛好、學力基礎自主選擇適合自己學習方式的一種教學實踐.

例5.如圖9所示，一傾斜的勻質圓盤繞過圓心垂直于盤面的固定軸以恒定角速度ω轉動，盤面上離轉軸距離2.5m處有一小物體與圓盤始終保持相對靜止.已知物體與盤面間的動摩擦因數為（設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力），盤面與水平面的夾角為θ=30°，g取10m/s2.則ω的最大值是多少？

圖9

本題運動情境學生較容易建立，就是物體在一個傾斜的圓盤上隨圓盤一起勻速轉動，要使物體相對圓盤不滑動求ω的最大值.物體在哪個位置容易滑動呢？剛要滑動的臨界狀態是怎樣的？這些恰恰是觸及根本問題的深層次思考.學生在經過討論后明晰了物體的受力，是由靜摩擦力和重力沿圓盤向下的分力的合力提供物體做圓周運動的向心力.多數學生聯想到豎直平面內細線拉著小球做圓周運動的模型，即小球在最低點時細線中的拉力最大.類比到本題，即物體轉到盤面最低點時靜摩擦力最大，此時物體相對圓盤不滑動，其他位置相對圓盤一定不滑動，臨界狀態是物體轉到盤面最低點時靜摩擦力達到最大值，此時對應圓盤轉動的角速度最大.既然知道物體運動時的受力，能不能從力的角度尋找到解決的方法？引導學生從力與運動揭示本質規律，再次將學生引入更深層次的思考.物體在圓盤平面內受到重力沿斜面的分力mgsinθ和靜摩擦力，這兩個力的合力提供向心力，向心力的大小不變，利用圖示法可以找到摩擦力的極值，如圖10所示.另一種思維可以根據靜摩擦力的效果，利用分解法，靜摩擦力的一個分力平衡mgsinθ，大小不變、方向沿斜面向上，另一個分力提供向心力，大小不變、方向始終指向轉軸，兩個分力的夾角在0到π之間變化，當兩個分力夾角為0度時，合力（靜摩擦力）最大，當兩個分力夾角π時，合力（靜摩擦力）最小.學生在教師的啟迪下，逐步地揭開力與運動的本質，開展深層次的思維.

圖10

（3）以煉增思.

學習，從某種意義上講就是一種煉制活動，知識從來不是個體一下子就能直接獲得的，更不可能是別人給予的，學習者只有在為學習制造出一層意義時才能占有知識.哲學家蘇格拉底時常用“認識你自己”去教育弟子.其實，人的一生，說到底，就是不斷認識自己、了解自己的過程.這就是學習的自省、學習行為的內在驅動，當元認知活動不能自動或內隱地完成時，學習者就無法學習.［4］“云物理”課堂教學實踐就是創設一種學習的情境，讓學生通過自我整理、自我比較、自我總結、滿足自我內需的自主煉學的教學實踐活動.

自主煉學，可以通過一題多解或多題歸一進行自我訓練.一題多解是對同一物理情境進行煉制，選擇不同物理規律或方法進行解題的過程（如例2、例3、例5）.學生根據自己的學力基礎選擇適合自己理解能力的解題思路，通過小組交流，相互取長補短錘煉自己思維，拓展思維寬度.多題歸一是對不同的物理情境進行深度研判、甄別，選擇同一物理規律或方法解題的過程.學生需要將自己所學的知識進行融合、前后貫通、綜合運用，將思維向縱深發展，拓展思維的深度.這樣的思維培養方式符合人類認識事物的思維方式，人類思維主要就體現為煉制適合于情境的表征和預測可能出現的變化這兩種能力.［4］

例如在復習動量、能量結合的知識板塊時，兩個物體加彈簧是常見的模型，應用的規律是動量守恒和機械能守恒，即系統減小（增加）的動能等于彈簧增加（減小）的彈性勢能.這種解題的思路可以拓展到帶坡度的光滑小車和滑塊模型，即系統減小（增加）的動能等于增加（減小）的重力勢能；可以拓展到木塊在木板上滑動的板塊模型，即系統減小的動能等于摩擦生熱；可以拓展到電磁感應中兩根導體棒在雙軌上滑動的雙軌模型，即導體棒減小的動能等于系統產生的電熱；還可以拓展到氫原子模型，即兩個氫原子碰撞，系統減小的動能等于氫原子躍遷的能極差.

（4）以疑辯思.

當學生現有的經驗和知識不能解決新情境問題時，一定會激發學生內在渴望解決問題的內驅力，也能喚醒學生學習新知識的興趣，更能塑造出解決問題后的成就感.學習的過程其實就是將一個個疑點廓清的過程，憑借舊有經驗、舊有知識與技能業已形成的思考方式與活動方式并不能解決的問題情境、困難、障礙，乃是使學生致力于解決新課題、從事新學習的條件.［5］高中“云物理”課堂教學實踐就是創設系列學習情境，讓學生利用已有的知識、技能和方法進行甄別，由境生疑，歷經思考釋疑，提升成就感，不斷的將新知識、新技能、新方法融合到已有經驗的實踐過程.在例4學生釋疑后，呈現以下例題.

例6.（2005年全國卷Ⅰ第24題）如圖11，質量為m1的物體A經一輕質彈簧與下方地面上的質量為m2的物體B相連，彈簧的勁度系數為k，A、B都處于靜止狀態.一條不可伸長的輕繩繞過輕滑輪，一端連物體A，另一端連一輕掛鉤.開始時各段繩都處于伸直狀態，A上方的一段繩沿豎直方向.現在掛鉤上掛一質量為m3的物體C并從靜止狀態釋放，已知它恰好能使B離開地面但不繼續上升.若將C換成另一個質量為（m1+m3）的物體D，仍從上述初始位置由靜止狀態釋放，則這次B剛離地時D的速度的大小是多少？已知重力加速度為g.

圖11

教師設疑：兩道題目的物理情境有什么區別？考查的知識層面有什么不同？如果本題物體C的速度達到最大，那么物體A的速度是否也最大？高考題這樣設計可以規避什么問題而突出考查什么知識？例4中是否也可以考查求解速度，如何設置情境？學生可以通過對兩題物理情境、考查內容的甄別，豐富自己的思維，進而由圖創設新題.學生的興趣在思辨中得到激發，思維在思辨中得到發展，成就感在思辨中得到豐滿.［6］

3 結語

高中“云物理”課堂教學實踐注重物化的物理情境建設，結合學生的直接生活經驗與具體的直觀事實，活潑生動地發展認識與思考力，遵循教學依托情境的原則.高中“云物理”課堂教學實踐在引導并組織學生活動時注重將學生已有的知識、原有經驗和研究方法與新知識不斷結合，激勵學生借助原有的經驗、原理和方法去探索新物理情境中的問題，不斷地將“新知識”納入到“舊知識”體系、擴充“舒適區”，遵循教與學統一的原則.高中“云物理”課堂教學實踐注重教學內容的整合化、組織化和系統化，使學生的思維橫向得以拓寬，縱向得以延伸，遵循立足學科素養、突出科學思維培養的原則.

總之，一切教育現象、教育過程得以形成的最高基準點就是目標.［5］教育的根本必須遵從人的根本本性，高中“云物理”教學實踐通過物化的教學情境，建構立足學生視角，化知識為能力，化識記為應用，化學習為品格，立足學科素養的提升，培養科學思維，滲透新時代精神，回歸教育本源的人性關懷的教育教學實踐.