高中物理解題中的教學(xué)評(píng)一體化與跨學(xué)科應(yīng)用

摘 要：文章以牛頓第二定律教學(xué)為研究對(duì)象，探討高中物理教學(xué)中如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)的有機(jī)統(tǒng)一，并通過(guò)案例分析，闡述在物理解題過(guò)程中融入數(shù)學(xué)思維、力學(xué)分析和工程應(yīng)用等跨學(xué)科元素的重要性。研究發(fā)現(xiàn)，將教學(xué)評(píng)一體化理念與跨學(xué)科思維相結(jié)合，能有效提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)其綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：高中物理；牛頓第二定律；教學(xué)評(píng)一體化；跨學(xué)科教學(xué)

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2025）15-0053-03

收稿日期：2025-02-25

作者簡(jiǎn)介：洪江獎(jiǎng)，本科，高級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：2024年福建省教育科學(xué)規(guī)劃課題“教學(xué)評(píng)一體化導(dǎo)向下跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)教研模式的實(shí)踐研究”（FJJKZX23-824）。

牛頓第二定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)定律之一，其教學(xué)效果直接影響學(xué)生對(duì)力學(xué)體系的整體認(rèn)知。該定律涉及力、質(zhì)量、加速度等多個(gè)物理量，既需要對(duì)物理概念的深入理解，又需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生普遍存在重計(jì)算輕分析、重結(jié)果輕過(guò)程的現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)狀，有必要探索將教學(xué)評(píng)一體化理念與跨學(xué)科教學(xué)方法相結(jié)合的新型教學(xué)模式，通過(guò)多維度的知識(shí)整合，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 教學(xué)評(píng)一體化在牛頓第二定律教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 教學(xué)目標(biāo)的多維設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)應(yīng)從知識(shí)、能力和素養(yǎng)三個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì)。知識(shí)維度要求學(xué)生理解力是產(chǎn)生加速度的原因，掌握F=ma公式的物理意義，認(rèn)識(shí)到加速度與力成正比、與質(zhì)量成反比的關(guān)系[1]。能力維度強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)分析模型的能力，包括受力分析、受力圖繪制，以及分解力的矢量運(yùn)算能力。素養(yǎng)維度注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法，使其能運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析日常生活中的力學(xué)現(xiàn)象。

1.2 教學(xué)過(guò)程的整體規(guī)劃

教學(xué)過(guò)程應(yīng)圍繞“實(shí)驗(yàn)探究—概念構(gòu)建—應(yīng)用拓展”的主線展開(kāi)。首先通過(guò)小車加速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察：質(zhì)量m一定時(shí)，加速度a隨作用力F的變化規(guī)律；作用力F一定時(shí)，加速度a隨質(zhì)量m的變化規(guī)律。在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)a∝F、a∝1m的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出F=ma。在問(wèn)題情境中，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生分析共點(diǎn)力系統(tǒng)的能力，以及在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中判斷加速度方向的技能。教學(xué)過(guò)程中設(shè)置遞進(jìn)式的問(wèn)題鏈，從單個(gè)力分析到多力分析，從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，逐步深化學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解[2]。

1.3 評(píng)價(jià)體系的多元構(gòu)建

評(píng)價(jià)體系應(yīng)結(jié)合形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)，建立“過(guò)程—方法—能力”的立體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在具體問(wèn)題解答中，采用“概念理解（30%）+過(guò)程分析（40%）+結(jié)果呈現(xiàn)（30%）”的評(píng)分細(xì)則[3]。例如，對(duì)于受力分解問(wèn)題，不僅要關(guān)注最終計(jì)算結(jié)果，更要評(píng)價(jià)學(xué)生建立直角坐標(biāo)系、繪制受力分析圖的規(guī)范性，以及運(yùn)用三角函數(shù)分解力的正確性。通過(guò)學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)相結(jié)合的方式，能夠全面反映學(xué)生對(duì)牛頓第二定律的掌握程度，教師應(yīng)據(jù)此調(diào)整后續(xù)教學(xué)策略。

2 跨學(xué)科思維在解題過(guò)程中的融入

2.1 數(shù)學(xué)思維的應(yīng)用與實(shí)踐案例

例1 如圖1所示，A、B的質(zhì)量關(guān)系為mA=m，mB=2m，兩個(gè)物體之間用一輕彈簧相連，再用一根細(xì)線懸掛在天花板上，保持靜止，剪斷細(xì)線的瞬間，兩物體的加速度各是多少？

解析 在彈簧振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)分析中，向量分析方法起著關(guān)鍵作用。當(dāng)研究連接彈簧的雙物體系統(tǒng)時(shí)，需要考慮重力、彈力等多個(gè)力的矢量疊加。這類問(wèn)題的解決需要系統(tǒng)的向量分析：首先分析剪斷細(xì)線前，彈簧兩端物體的受力情況，A物體受重力mg、細(xì)線拉力F1和彈簧彈力F2作用，B物體也受等大反向的彈簧彈力F2和重力2 mg作用；其次明確彈簧形變與彈力的關(guān)系，利用F=-kx建立數(shù)學(xué)模型；最后再分析剪斷細(xì)線后瞬間，兩個(gè)物體的受力的變化，如圖2，細(xì)線的拉力F1立即消失，而彈簧的彈力F2不變，求出合外力，根據(jù)牛頓第二定律求出瞬時(shí)加速度。計(jì)算可得，A的加速度大小為3 g，方向豎直向下，B的加速度為零。通過(guò)向量分析，體現(xiàn)了向量運(yùn)算在解決復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題中的重要性。

2.2 圖形幾何推理在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)用

例2 如圖3所示，輕彈簧下端固定在水平面上。一個(gè)小球從彈簧正上方某一高度處由靜止開(kāi)始自由下落，接觸彈簧后把彈簧壓縮到一定程度后停止下落。在小球下落的這一全過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是（）。

A。小球剛接觸彈簧瞬間速度最大

B。從小球接觸彈簧起加速度變?yōu)樨Q直向上

C。從小球接觸彈簧到到達(dá)最低點(diǎn)，小球的速度先增大后減小

D。從小球接觸彈簧到到達(dá)最低點(diǎn)，小球的加速度先減小后增大

解析 圖形幾何推理在復(fù)合運(yùn)動(dòng)分析中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。解答這類問(wèn)題需要將運(yùn)動(dòng)過(guò)程分段，運(yùn)用幾何方法分析位移、速度和加速度的變化規(guī)律。在自由落體階段，小球受重力作用做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為g；接觸彈簧后，彈力逐漸增大，需要借助力-位移圖像分析合力變化。通過(guò)作F-x圖像可以直觀看出，隨著壓縮距離增加，彈力線性增大，與恒定的重力形成交點(diǎn)，此時(shí)合力為零，對(duì)應(yīng)速度最大點(diǎn)。繼續(xù)壓縮時(shí)，合力向上且逐漸增大，物體減速直至停止。這種幾何直觀的分析方法，不僅能幫助學(xué)生理解運(yùn)動(dòng)過(guò)程，還能培養(yǎng)其建立物理模型的能力。最終得到C、D選項(xiàng)正確，體現(xiàn)了幾何思維對(duì)解題的指導(dǎo)作用。

2.3 函數(shù)關(guān)系在工程問(wèn)題中的體現(xiàn)

例3 如圖4所示，沿水平方向做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的車廂中，懸掛小球的懸線偏離豎直方向37°角，球和車廂相對(duì)靜止，球的質(zhì)量為1 kg。（g=10 m/s2，sin37°=0。6，cos37°=0。8）

（1）求車廂運(yùn)動(dòng)的加速度并說(shuō)明車廂的運(yùn)動(dòng)情況；

（2）求懸線對(duì)球的拉力。

解析 由于球與車廂相對(duì)靜止，兩者具有相同的加速度。教師首先引導(dǎo)學(xué)生以小球?yàn)檠芯繉?duì)象進(jìn)行受力分析：小球受到重力mg和懸線拉力F兩個(gè)力的作用。在球的受力分析圖中，教師幫助學(xué)生運(yùn)用三角函數(shù)建立力的分解關(guān)系：水平方向上的合力為Fsin37°；豎直方向上，重力mg與拉力的豎直分量Fcos37°平衡。然后，學(xué)生在教師指導(dǎo)下列方程求解。水平方向根據(jù)牛頓第二定律：Fsin37°=ma，即0。6F=a；豎直方向：Fcos37°=mg，即0。8F=10。通過(guò)解方程，學(xué)生求得拉力F=12.5 N，加速度a=7。5 m/s2.最后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析結(jié)果：車廂可能水平向右做勻加速運(yùn)動(dòng)，也可能水平向左做勻減速運(yùn)動(dòng)[4]。通過(guò)這類結(jié)合工程實(shí)際的題目訓(xùn)練，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了運(yùn)用三角函數(shù)處理力的分解問(wèn)題，還理解了加速運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)分析方法。教師特別強(qiáng)調(diào)函數(shù)關(guān)系在物理問(wèn)題中的重要性：通過(guò)tanθ=ag，學(xué)生可以直觀理解加速度與重力加速度的關(guān)系；通過(guò)F=mgcosθ，學(xué)生掌握了拉力與夾角的函數(shù)關(guān)系。

3 基于牛頓第二定律的解題教學(xué)優(yōu)化

3.1 解題方法的系統(tǒng)化指導(dǎo)

教師在解題教學(xué)過(guò)程中，需要幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的解題思維模式。教師指導(dǎo)學(xué)生掌握“五步解題法”：第一步，認(rèn)真審題，明確已知量和求解量；第二步，分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，繪制受力圖；第三步，選擇適當(dāng)?shù)膮⒖枷担_定研究對(duì)象；第四步，運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律列方程；第五步，解方程并分析結(jié)果合理性。學(xué)生通過(guò)這種系統(tǒng)化的訓(xùn)練，逐步形成規(guī)范的解題習(xí)慣。同時(shí)，教師也要注意培養(yǎng)學(xué)生的物理思維，引導(dǎo)他們關(guān)注題目中的物理量關(guān)系、理解物理概念的實(shí)質(zhì)含義。

3.2 解題能力的持續(xù)性培養(yǎng)

教師應(yīng)注重學(xué)生解題能力的長(zhǎng)期培養(yǎng)和鞏固。在日常教學(xué)中，教師可以建立“基礎(chǔ)題型→典型題型→綜合題型→創(chuàng)新題型”的遞進(jìn)式題庫(kù)。對(duì)于基礎(chǔ)題型，教師要求學(xué)生熟練掌握基本的受力分析和運(yùn)動(dòng)方程；在典型題型訓(xùn)練中，教師幫助學(xué)生歸納不同情境下的解題規(guī)律，如“電梯題型”“斜面題型”等；對(duì)于綜合題型，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)知識(shí)遷移，將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通；在創(chuàng)新題型中，教師鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)放思維，探索新的解題思路[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)牛頓第二定律的教學(xué)實(shí)踐探索，教師發(fā)現(xiàn)將數(shù)學(xué)思維、工程應(yīng)用和信息技術(shù)有機(jī)融入解題教學(xué)，能顯著提升教學(xué)效果。學(xué)生在解決相關(guān)問(wèn)題時(shí)，不再局限于簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算，而是學(xué)會(huì)運(yùn)用向量分析處理受力問(wèn)題、利用三角函數(shù)分析斜面運(yùn)動(dòng)、通過(guò)函數(shù)關(guān)系研究變加速運(yùn)動(dòng)。這種跨學(xué)科的解題思路，使78%的學(xué)生在期末考試中的解題準(zhǔn)確率提升了15個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，教師通過(guò)建立多元評(píng)價(jià)體系，將學(xué)生的解題思路表達(dá)、物理概念理解、數(shù)學(xué)工具運(yùn)用等納入考核指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的全方位評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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［責(zé)任編輯：李 璟］