基于真實情境培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力
——以“曲線運動”教學(xué)為例

盧敏翔 陳 藝

(1. 江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星海實驗中學(xué),江蘇 蘇州 215000;2. 西安交通大學(xué)蘇州附屬初級中學(xué),江蘇 蘇州 215000)

物理學(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,源于生活,且服務(wù)于社會。在高中物理教學(xué)中,合理利用生活現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)問題情境至關(guān)重要,但也要避免一味堆砌問題情境,僅展示表面現(xiàn)象,要深度挖掘情境背后蘊含的物理知識和科學(xué)本質(zhì),讓學(xué)生在真實問題的解決中發(fā)展關(guān)鍵能力。

1 概念界定

1.1 關(guān)鍵能力

關(guān)鍵能力是真實情境課堂教學(xué)的培養(yǎng)目標。諸多教學(xué)方法、教育理念和教學(xué)模式等都是為培養(yǎng)學(xué)生面向未來生活所需的能力而提出的。《中國高考評價體系》指出:面向21世紀,支撐學(xué)生終身發(fā)展的關(guān)鍵能力群可劃分為以認識世界為核心的知識獲取能力群、以解決實際問題為核心的實踐操作能力群、涵蓋各種關(guān)鍵思維能力的思維認知能力群。[1]2019年12月教育部考試中心提出物理學(xué)科關(guān)鍵能力應(yīng)包括理解能力、推理論證能力、實驗探究能力、模型建構(gòu)能力和創(chuàng)新能力。[2]

1.2 必備知識

必備知識是真實情境課堂教學(xué)的基礎(chǔ)支撐,是發(fā)展關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)。物理學(xué)科的必備知識由基本事實、概念和規(guī)律以及科學(xué)方法等組成。物理學(xué)作為一門自然科學(xué),它的整體知識框架和基本事實以陳述性知識形態(tài)存在,基本技術(shù)與方法以程序性知識形態(tài)保持,但陳述性知識并不是對現(xiàn)實世界的準確表征,仍需要針對具體情境進行再創(chuàng)造。對不同知識命題的理解需要由學(xué)生基于自己的已有認知建構(gòu)起來,這取決于特定情境下的學(xué)習(xí)歷程。教師可以通過創(chuàng)設(shè)不同類型的情境,促進程序性知識的生成,提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

1.3 問題情境

問題情境是以問題或任務(wù)為中心構(gòu)成的活動場域,[4]真實情境課堂教學(xué)需要以學(xué)生經(jīng)驗世界的豐富性和差異性為支撐,關(guān)注學(xué)生的潛在能力和個性化經(jīng)驗。按照知識應(yīng)用和產(chǎn)生方式的不同,問題情境可分為生活實踐情境和學(xué)習(xí)探索情境。生活實踐情境源于自然現(xiàn)象、生產(chǎn)生活以及科技前沿。學(xué)習(xí)探索情境包括物理學(xué)史問題情境、課程標準和教材中的典型問題情境以及科學(xué)探究問題情境。同一類型的情境存在層級差異,不同層級的情境有助于培養(yǎng)不同水平學(xué)生的關(guān)鍵能力,從而實現(xiàn)核心價值的引領(lǐng)作用。

1.4 情境活動

情境活動是指學(xué)生在情境中所進行的解決問題或完成任務(wù)的活動。[4]教師可以通過設(shè)置不同層級的情境活動,培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力。基礎(chǔ)性情境活動通過基本的、典型的情境,要求學(xué)生調(diào)用學(xué)科基本概念、原理、技能和思維方法;綜合性情境活動通過多項關(guān)聯(lián)活動組成的復(fù)雜情境,反映學(xué)生對知識、能力的整合和綜合運用水平;應(yīng)用性情境活動通過貼近時代、社會和生活實踐或?qū)W習(xí)探索問題情境,培養(yǎng)學(xué)生的遷移應(yīng)用和理論聯(lián)系實際的能力;創(chuàng)新性情境活動通過新穎、陌生情境,引導(dǎo)學(xué)生主動思考,完成開放性或探究性任務(wù)。

2 “曲線運動”教學(xué)實踐

2.1 依據(jù)單元教學(xué)理念,分析教學(xué)內(nèi)容

“曲線運動”是人教版高中物理必修第二冊第五章第一節(jié)的內(nèi)容,具有承前啟后的作用,承接必修第一冊的“直線運動”和“牛頓運動定律”,利用“直線運動”的研究思路,結(jié)合“牛頓運動定律”的相關(guān)知識分析曲線運動,為“平拋運動”“圓周運動”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。從知識結(jié)構(gòu)上看,曲線運動的速度方向、物體做曲線運動的條件分別反映了曲線運動的運動學(xué)和動力學(xué)特征,為新舊知識的聯(lián)系搭建了橋梁。

2.2 創(chuàng)設(shè)有效情境,提升關(guān)鍵能力

2.2.1 曲線運動的速度方向

問題情境1:教學(xué)中呈現(xiàn)3個情境,并進行相關(guān)的情境活動。

(1) 砂輪打磨金屬器具時火星飛濺。火星在飛出前隨著砂輪做圓周運動,火星離開砂輪的瞬間,沿砂輪邊緣的切線方向飛出(圖1)。

圖1

(2) 陀螺旋轉(zhuǎn)時,滴上紅墨水。紅墨水在飛出之前隨陀螺做圓周運動,飛出后留下的墨跡是直線,將直線反向延長,延長線沿著圓形陀螺邊沿的切線方向(圖2)。

圖2

(3) 小球在帶側(cè)壁的圓盤中做圓周運動。撤去四分之一圓盤側(cè)壁后,小球沿圓盤的切線方向滾出(圖3)。

圖3

圓是特殊的曲線,做圓周運動物體的速度方向沿切線方向。那么做一般曲線運動物體的速度方向是否也沿切線方向呢?

情境活動1:學(xué)生通過觀察情境中的現(xiàn)象,總結(jié)得出結(jié)論:當物體運動軌跡為圓時,瞬時速度沿切線方向。以此為證據(jù),再由特殊到一般,猜想做一般曲線運動物體的速度方向。

問題情境2:如圖4所示,利用組合式曲線槽裝置、水寫紙(遇水變色)、鼠標球,使鼠標球沿傾斜軌道在曲線槽中滾動,探究它在A、B兩點的瞬時速度方向。

圖4

情境活動2:如圖5所示,鼠標球沿曲線槽滾動得到軌跡①,發(fā)現(xiàn)該軌跡無法反映A點和B點的瞬時速度方向。為進一步探究鼠標球在A點的瞬時速度方向,拿掉1、2兩塊板,得到軌跡②。同理,為探究鼠標球在B點的瞬時速度方向,拿掉3、4兩塊板,得到軌跡③。鼠標球離開A點和B點后,軌跡為直線,直線的方向即為該點的瞬時速度方向。

圖5

引導(dǎo)學(xué)生由簡單的情境活動進入復(fù)雜的情境活動,找出物體做一般曲線運動的瞬時速度方向的特點(圖6)。

圖6

問題情境3:如圖7所示,騎車經(jīng)過一段泥濘的路,人的后背會沾上泥水,泥水如何從后輪甩到人的后背上?如何改進自行車以避免此類現(xiàn)象的發(fā)生?

圖7

情境活動3:利用無擋泥板的兒童自行車、橢圓形水桶、水寫紙板,如圖8所示,將自行車后輪架空,浸沒在水桶中,觀察水濺射的方向。如圖9所示,將水寫紙板放在自行車車座上方模擬人的后背,觀察能射到后背的水的濺射方向范圍。學(xué)生通過小組合作,提出應(yīng)在CDE弧段增設(shè)擋泥板的解決方案(圖10)。

圖8

圖9

圖10

教學(xué)意圖:以基本問題情境為載體,加強物理概念、原理、方法的學(xué)習(xí)。通過這一類型的問題情境引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理基礎(chǔ)內(nèi)容,知道做曲線運動物體的瞬時速度方向,并會在軌跡圖上畫出物體在某點的速度方向。利用組合式曲線槽裝置驗證物體做曲線運動的速度方向,通過設(shè)計自行車擋泥板,培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移應(yīng)用能力。

2.2.2 探究物體做曲線運動的條件

問題情境4:利用雙軌斜面裝置、鼠標球、水寫紙、3組箭頭(分別表示摩擦力Ff、重力沿斜面向下的分力Gx和速度v),探究物體做曲線運動的條件。

雙軌斜面裝置的特點:小球在斜面上運動時的受力如圖11所示,由于小球所受重力沿垂直斜面方向的分力Gy與小球所受支持力FN相平衡,小球所受重力沿斜面的分力Gx與小球所受摩擦力Ff的合力即為小球受到的合外力;通過貼在斜面上的水寫紙,可以顯示小球的運動軌跡,能非常直觀地描出小球所受合力方向與速度方向(圖12)。

圖11

圖12

情境活動4:如圖12所示,將小球沿斜面上的兩個導(dǎo)軌釋放,留下一條直線運動軌跡和一條曲線運動軌跡,用箭頭在軌跡上分別表示Gx、Ff和v的方向,學(xué)生通過觀察、分析得到結(jié)論:當合外力方向與速度方向不在同一條直線上時,小球做曲線運動。

問題情境5:觀察大量生活中的曲線運動實例,如鉛球被拋出后在空中飛行(圖13)、小車在細繩牽引下做圓周運動(圖14)、月球在萬有引力作用下繞地球運行(圖15),引導(dǎo)學(xué)生進一步總結(jié)出它們所受合力和瞬時速度的方向特點。

圖13

圖14

圖15

情境活動5:學(xué)生通過對生活中大量實例的分析,總結(jié)出物體做曲線運動的條件:運動物體所受合外力方向跟它的瞬時速度方向不在同一直線上。

教學(xué)意圖:利用雙軌斜面裝置既可以留下小球的運動軌跡,又能很方便地標出小球所受合力的方向,既有利于學(xué)生得出曲線運動的條件,又有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)軌跡彎曲方向、速度方向與合力方向的關(guān)系。列舉空中運動的鉛球、做圓周運動的小車和繞地球運行的月球等實例,使學(xué)生認識到任何物理規(guī)律都是基于大量實驗事實而得出的,提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.2.3 物體做曲線運動條件的應(yīng)用

問題情境6:如圖16所示,蜿蜒河道在拐彎處內(nèi)側(cè)地勢相對平坦,外側(cè)地勢相對陡峭,試解釋這一現(xiàn)象。

圖16

情境活動6:學(xué)生利用組合式曲線槽裝置探究小球的受力特點,讓小球從軌道上某高度處由靜止釋放做曲線運動。為了證明是哪些板塊對小球有力的作用,拿掉曲線槽的某個板塊,看會不會對軌跡產(chǎn)生影響。若軌跡發(fā)生改變,則該板塊對小球有力的作用;反之,則沒有力的作用。如圖17所示,學(xué)生經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn):拿掉板塊2、4、5,小球的軌跡不變,說明只有板塊1、3、6對小球有力的作用。

圖17

確定了哪幾個板塊對小球有力的作用后,再分析力的具體方向。小球在豎直方向上重力和支持力平衡,在曲線槽中受到的合外力是摩擦力和板側(cè)壁所施彈力的合力,這個合力方向指向曲線的凹側(cè)(圖18)。所以,在河道拐彎處,是河岸外側(cè)對河水有力的作用,使它蜿蜒流動。根據(jù)牛頓第三定律,河水對河岸會產(chǎn)生反作用力。正是在這個反作用力的作用下,河水不斷沖刷外側(cè)河岸,使其比內(nèi)側(cè)河岸更加陡峭。

3 結(jié)語

在教育改革深化背景下的課堂教學(xué),應(yīng)依據(jù)學(xué)科邏輯和學(xué)生的認知邏輯確定情境內(nèi)和情境間的問題關(guān)系,重視情境的真實性和實踐性。[5]在“曲線運動”的教學(xué)中,通過選取合適的素材,呈現(xiàn)現(xiàn)實問題情境,有側(cè)重地多次利用組合式曲線槽裝置研究做曲線運動物體的速度方向和物體做曲線運動的條件。在真實的問題情境下引導(dǎo)學(xué)生運用必備知識和關(guān)鍵能力解決實際問題,在這一過程中逐步提升其自主獲取知識的能力。真實情境教學(xué)對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機、轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式具重要作用,教師應(yīng)全面考量所選情境的人文性和社會性,以及授課內(nèi)容和方式能否覆蓋物理學(xué)科必備知識和關(guān)鍵能力,確保課堂教學(xué)向“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”轉(zhuǎn)變。