融合科技項目 發揮習題課育人功能

陳森

摘 ? 要：立德樹人，培養物理核心素養是物理教學的終極目標。以國家重大科技突破項目為情境，編寫情境化習題，開展習題教學，是發揮習題課育人功能的有效途徑。以融合了“復興號”的“中國標準”習題課教學為例，探討如何發揮習題課的育人功能。

關鍵詞：科技項目;習題教學;連接體模型;物理學科育人

1 ?新課標、新高考對習題教學提出育人要求

《普通髙中物理課程標準（2017年版）》指出：高中物理課程在內容上注重與生產生活、社會科技發展的聯系，培養學生的社會參與意識、責任意識[ 1 ]。人的核心素養是思想品德，教育的核心任務是立德樹人。中國高考物理評價體系中指出：要“加強物理科核心素養的考查，促進學生核心素養的形成與發展[ 2 ]。”可見，不管是從課標角度還是從高考評價角度，物理教學的最終目標是立德樹人，培養有社會責任感的公民。作為與高考聯系最緊密的重要課型，物理習題課也必然以培養學生核心素養為目標。

傳統的物理習題教學，往往是直接給出模型化的習題，然后讓學生通過變式訓練，形成解題策略。這樣的教學弊端是學生沒有經歷模型構建的過程，學生在解決實際情境的問題時會無從下手。而且，在重復訓練解決模型化習題的過程中也容易使學生產生厭煩情緒，無法達到育人效果。

情境是構成考查內容的重要元素。高考評價體系指出：情境化試題“對考查和培養學生的物理學科素養具有關鍵作用[ 2 ]。”近年的高考試題，出現了大量情境化試題，因此，物理習題教學中，也應按照這一基本理念，以情境化習題教學作為習題教學改革的突破口。

近年來，我國有很多科技項目取得重大突破，如中國動車“復興號”的“中國標準”、嫦娥五號完美完成中國航天史上最復雜的任務、北斗衛星全面建成等等。這些重大突破，跟物理學息息相關，在物理教學中，有機融入這些信息，以國家重大科技突破項目為情境，編寫情境化習題，開展習題教學，可以讓學生在學習知識的同時，感受國家科技的飛速發展，增強學生的民族自豪感，有效發揮物理習題課的育人功能。

基于以上認識，下面以連接體模型的習題課為例，談談如何將國家重大科技項目情境融入習題教學中。

2 ?連接體模型習題課教學設計

2.1 ?針對主題，尋找情境化資源

連接體是指兩個或兩個以上物體相互連接（繩子、彈簧相連，疊放、并排等）參與運動的系統[ 3 ]。連接體問題是訓練學生應用牛頓運動定律解決問題的典型資源，其難點是研究對象選擇的決策。與連接體模型對應的典型生活情境是火車。一次筆者用老式火車作為情境講解連接體模型時，有同學開玩笑說：”老師，現在都是坐動車了，誰還坐綠皮火車啊！”說者無意，聽者有心。筆者上網搜索了動車的資料，“復興號”的4動4拖標準動力配置，吸引了筆者，“復興號”的“中國標準”是優質的情境資源。

2.2 ?教學過程

環節1：導入

播放歌曲“咱們的復興號”，配合視頻，簡單介紹中國動車從“中國制造”的“和諧號”到“中國標準”的“復興號”的發展過程。“和諧號”動車組是基于國外的不同平臺研發，標準不統一，不能互聯互通，運營和維修成本高。“復興號”是中國自主研發的，采用8輛編組、4動4拖的統一動力配置形式，由2個基本動力單元組成。復興號CR400AF型電力動車組，第2、4、5、7節車廂為動力車廂，第1、3、6、8節車廂為拖車廂，沒有動力。其模型可用圖1表示。為什么動車組動力要這樣配置呢？

【設計意圖】用契合主題的、激情洋溢的音樂喚醒學生，既融合了音樂欣賞教育，又讓學生在優美的旋律中進入待學習狀態。介紹中國動車發展從“中國制造”到“中國標準”的歷程，讓學生了解國家最新的科技成果，培養學生的民族自豪感，體現用物理育人的教育理念，落實“立德樹人”根本任務。緊扣主題，以復興號CR400AF型電力動車組的動力配置為切入點，提出問題。讓學生在眼、腦、耳多器官參與下，思想上獲得更大刺激，德行上獲得更大洗禮。

環節2：搭設臺階，構建連接體模型

過渡語：直接研究復興號動車組的動力配置，難度較大，作為比較，先研究一下老式火車。PPT展示老式火車圖片，介紹老式火車只有車頭提供動力，后面的車廂都是拖車。

【例題1】一列車由8節質量相等車廂組成，后7節拖車車廂沒有動力，車頭是動力車廂，。列車在車頭牽引下沿平直軌道行駛時，設第1節車廂對第2節車廂的作用力為F12，第2節車廂對第3節車廂的作用力為F23，第3節車廂對第4節車廂的作用力為F34……以此類推。若每節車廂所受阻力均相等，求：

（1）當列車勻速行駛時， F12∶F23∶F34∶F45∶F56∶F67∶F78;

（2）當列車勻加速行駛時， F12∶F23∶F34∶F45∶F56∶F67∶F78。

教師引導學生借鑒圖1畫出老式火車的模型圖如圖2所示，教師介紹像這樣模型叫連接體模型。

提問：要求第1節車廂對第2節車廂的作用力F12，可選擇哪節車廂作為研究對象，應選擇哪節車廂為研究對象，選擇的依據是什么？強調“可選”與“應選”的差別。“可選”的依據是能體現要求的那個力，“應選”的依據是這樣選，能方便快速解決問題。

學生嘗試解題后，教師進一步引導得出：要求F12，可選的研究對象有拖車2、拖車23、拖車234、拖車2345、拖車23456、拖車234567、拖車2345678，也可以以車頭為研究對象先求出第2節車廂對第1節車廂的力F21，再根據牛頓第三定律求出F12。

教師：找到這么多可選的研究對象，選哪個呢？選對象的過程其實是一個探究的過程，請同學們嘗試畫出每個可選對象受力分析圖，結合題目的條件，思考討論選哪個研究對象，可以求出F12。

學生：畫圖。討論后發現，不管選哪個，條件都不足，無法求出F12。

教師：題目有要求求出F12嗎？

學生：沒有。要求的是比值。

教師：那應該怎么辦？

學生：可以先研究F23、F34、F45、F56、F67、F78。

教師：請同學們繼續討論，為了體現這些力，可供選擇的研究對象有哪些？綜合考慮題目的要求，應該如何選取研究對象？

學生討論：應分別選擇后7節拖車、后6節拖車、后5節拖車……為研究對象，決策的依據是可以體現要求的力，同時受力簡單。

教師：當拖車勻速行駛時，如何列方程？當拖車加速行駛時，如何列方程求解？請同學嘗試獨立完成。

容易解得，不管火車是勻速還是加速，F12∶F23∶F34∶F45∶F56∶F67∶F78=7∶6∶5∶4∶3∶2∶1。

教師：小結解決問題的流程為：選對象→受力分析→運動分析→列方程。

【設計意圖】直接研究原始問題，往往問題復雜，所以要針對教學目標結合學情，編寫習題，聚焦要解決的問題，提高課堂效率。本環節中，教師主要引導學生構建連接體模型，經歷選擇合適研究對象、受力分析、運動分析、看圖列方程求解等解題流程。關于選擇研究對象的策略，教師往往強調所謂的“整體法”和“隔離法”，甚至有教師要求學生先“整體”后“隔離”，這樣的做法是僵化的，不利于培養學生的決策思維。教學中應引導學生按照“可選”與“應選”的思維模式進行決策，讓學生體會結合題目的條件、進行分析綜合判斷才是決策的依據。

環節3：遷移應用，應用模型解決問題

【例題2】“復興號”動車組總共8節車廂，每節車廂質量為18 t，其中第1、3、6、8節車廂沒有動力，而第2、4、5、7節車廂是動力車廂。假設“復興號”在平直軌道上從靜止開始加速到速度360 km/h，這個過程視為勻加速直線運動，每節動力車廂的牽引電機提供4.75×104 N的牽引力，每節車廂均受到1.25×103 N的阻力[ 4 ]。

（1）求這個勻加速直線運動過程“復興號”的運動時間;

（2）求第5節車廂與第4節車廂之間的相互作用力的大小。

教師：請同學們按照“選對象→受力分析→運動分析→列方程”的流程進行求解。

問題（1）中，學生容易以整列車廂為研究對象，畫出受力分析圖，牛頓第二定律可得：4F-8f=8 ma，再結合速度時間關系可得：v=at，解得：t=80 s;

問題（2）中，教師根據學生的解答，重點引導研究對象的選擇，可以選前4節車廂為研究對象，也可以選后4節車廂為研究對象。

學生：以前4節車廂為研究對象，假設第4、5兩節車廂的作用力為T，根據牛頓第二定律可得：2F-4f-T=4 ma，聯立解得：T=0。

教師拓展提問：設第1節車廂對第2節車廂的作用力為F12，第2節車廂對第3節車廂的作用力為F23，第3節車廂對第4節車廂的作用力為F34……以此類推。F12、F23、F34、F45、F56、F67、F78中有哪幾個力等于0？請同學先觀察圖1，根據圖1的特點，猜猜看，哪幾個力等于0，然后通過計算證明。

【設計意圖】為提高課堂效率，緊扣“復興號”主題，借鑒文獻編寫例題2，先讓學生自主完成，然后根據學生解答情況，請學生上臺講解。拓展提問中，要引導學生觀察圖1，根據對稱性憑直覺進行猜想，這樣的引導有利于培養學生的對稱思維和直覺思維，最后讓學生通過計算證明是為了培養學生的證據意識。

環節4：質疑創新，動車組動力組合只能這樣嗎？

復興號的4動4拖動力配置形式中，第2、4、5、7節車廂為動力車廂，每節動力車廂攜帶4臺牽引電機，第1、3、6、8節車廂為拖車廂，沒有動力，動力組合只能這樣組合嗎？有沒有其他組合方式？和諧號CRH3C的組合方式如圖3所示，為何不用圖3這種組合方式呢？請同學們帶著這個問題去查閱資料或者咨詢相關的專家。

【設計意圖】設置此環節是為了培養學生質疑創新能力，同時激發學生進一步探究的欲望。

3 ?教學中彰顯物理育人功能的思考

（1）實際教學中，學生聽完復興號“中國標準”的介紹，就有點熱血沸騰了

通過計算得出動車組4動4拖組合的原因后，學生再次被設計者的智慧折服，熱情再次被點燃。實踐證明，將國家的科技創新項目融入課堂，不僅可以激發學生的學習興趣，還可以激發學生的愛國熱情和民族自豪感。

（2）華東師范大學龐維國教授指出：“課堂出彩的地方，要么是引導學生從事生成活動，要么是引導學生進行討論，進行思維碰撞。”

本節設計的亮點是學生選擇研究對象的決策的討論，學生討論中，在“可選擇”和“應選擇”的思維引導下，自主生成研究對象選擇的策略，實際授課中，學生還給出了多種解決方法。這樣的設計，既培養學生按照流程解決問題的科學思維習慣，還有利于培養學生的創造性的潛能。

（3）要重視原始問題的運用，注重從中培養中學生的物理能力

首都師范大學邢紅軍教授指出：要“把習題教學與原始問題教學相結合， 使教師的教學和學生的學習與現象緊密結合起來[ 5 ]。”因此，結合時代背景，選取適當的原始問題資源，改編為情境化的習題，融入到習題教學中，改變習題教學模式，是落實培養學生的核心素養、發揮物理教學育人功能的重要途徑。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

[3] 崔蘭蘭.如何建立“先整體后隔離”的思維[J].中學物理教學參考，2017，46（14）：95-97.

[4] 田序海.以“復興號”為物理情景設計習題課，提升學生核心素養的嘗試——以《牛頓第二定律的應用》為例[J].物理教學探討，2018，36（3）：1-3.

[5] 邢紅軍.原始問題教學：物理教育改革的新視域[J].課程.教材.教法，2007（5）：51-57.