析悟物理問題情境 發(fā)展學科關鍵能力

張小建

(江蘇省栟茶高級中學,江蘇 南通 226406)

1 問題的提出

物理學科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任等4個方面．《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課程標準》)明確提出發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)是普通高中物理課程的具體目標．教師應基于具體的問題情境,科學設計各種教學活動,引導學生建構物理概念、形成物理規(guī)律,把形成的物理觀念和科學思維用于解決實際問題,在問題解決的過程中發(fā)展關鍵能力,促進物理學科核心素養(yǎng)的逐步形成．由此可見,基于問題情境的課堂教學活動是提升學生物理學科關鍵能力的重要平臺．然而,很多教師重解題訓練卻忽略在問題情境中幫助學生逐步形成和發(fā)展物理觀念,制約了學生學科關鍵能力的發(fā)展．學生建構物理觀念操之過急,導致解題時“眼高手低,一看覺得會,一做就錯”．因此教師有必要領悟物理高考試題如何設置問題情境考查關鍵能力,反思教學實踐中如何創(chuàng)設問題情境發(fā)展學科關鍵能力．

2 分析問題情境 聚焦關鍵能力

高考物理試題命題依托“一核四層四翼”的高考評價體系,加強了對學生邏輯推理、信息加工和模型建構等關鍵能力的考查,體現(xiàn)高考引導教學的核心功能．高考加強對關鍵能力的考查,引導高中物理教學的任務目標,即培養(yǎng)學生在具體的問題情境中運用所學知識進行獨立思考、分析解決問題、交流與合作等能力．試題中創(chuàng)設的問題情境呈多樣化、真實化等趨勢．問題情境的多樣化是指以文字、表格、圖片、圖像等多樣化的形式為試題的任務情境;問題情境的真實化是選擇社會、生產、生活中的實際情境．下面就2018年江蘇省高考試題中的問題情境試題加以分析,體會高考是如何考查關鍵能力,發(fā)展核心素養(yǎng)．

2.1 邏輯推理能力

邏輯推理是科學研究中重要的思維方式和研究方法,是探究自然規(guī)律的重要思維工具．邏輯推理是指在問題解決的過程中能依據(jù)已知的事實和條件,關聯(lián)到相應的知識和方法進行推理和論證,得出正確結論并準確地表達出來．2018年江蘇省高考卷第6題以學生在乘火車時可能會遇到的生活現(xiàn)象為任務情境設置問題,考查學生的推理能力．下面通過對此題的分析,感悟解決實際情境問題的過程就是培養(yǎng)邏輯推理能力的過程．

例1.火車以60 m/s的速率轉過一段彎道,某乘客發(fā)現(xiàn)放在桌面上的指南針在10 s內勻速轉過了約10°.在此10 s時間內,火車

(A) 運動路程為600 m.

(B) 加速度為0.

(C) 角速度約為1 rad/s.

(D) 轉彎半徑約為3.4 km.

在本題審題的過程中,學生根據(jù)試題描述的實際情境:火車轉過一段彎道和指南針在10 s內勻速轉過10°,根據(jù)學生對參考系的理解,作出火車在10 s內勻速轉過10°的結論．再依據(jù)勻速圓周運動的相關知識進行邏輯推理．在實際問題解決的過程中,推理的每一步都要有依據(jù),如本題依據(jù)實際情境分析出運動性質,再依據(jù)運動性質相關聯(lián)的物理知識由已知量推理出所求量．推理的主要依據(jù)是相關的物理知識,為提高邏輯推理能力,就要注重物理概念和規(guī)律的教學．《課程標準》中指出,引導學生體會物理概念、規(guī)律的形成過程是發(fā)展科學思維的重要途徑,而邏輯推理又是科學思維的重要組成要素．創(chuàng)設合理的實際情境是引導學生體會概念、規(guī)律形成過程的有效策略,以培養(yǎng)學生通過邏輯推理解決問題的意識、積累相關經驗,規(guī)范邏輯推理的思維程序．

2.2 信息加工能力

物理情境、物理規(guī)律通常也可以用函數(shù)圖像、幾何圖形和表格等多種形式呈現(xiàn)．要求學生能夠從圖像中獲取與物理過程、物理狀態(tài)、物理概念和規(guī)律等相關關鍵信息.通過對關鍵信息進行準確地加工后,作出合理的推理判斷．在問題解決的過程中學生的信息加工能力主要表現(xiàn)在對信息的收集能力、理解能力、分析與綜合能力等．2018年江蘇省高考卷第12題C(3)以振動圖像為任務問題情境呈現(xiàn)兩個質點的振動情況,考查學生的信息加工能力．

圖1

例2.一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播,在x=0和x=0.6 m處的兩個質點A、B的振動圖像如圖1所示.已知該波的波長大于0.6 m,求其波速和波長．

本題要求學生能由某質點的振動圖像判斷質點的振動方向和直接讀出振動周期,再由質點的振動情況得出簡諧波的傳播規(guī)律．學生在問題解決的過程中,需要學生理解試題中的任務情境、抓住問題本質,吸收、加工題中文字和圖像呈現(xiàn)的關鍵信息,并關聯(lián)到已有知識和方法．未來社會一定是大數(shù)據(jù)、AI的時代,提高學生的信息加工能力才能適應人類社會發(fā)展的需求．在信息加工的過程中需要多種形式的思維參與,培養(yǎng)信息加工能力可以發(fā)展學生的科學思維能力．

2.3 模型建構能力

模型建構是運用物理觀念解決問題、運用科學思維分析問題的關鍵．模型建構的過程就是把問題中情境細節(jié)轉化為物理概念或規(guī)律、將實際情境轉換為物理情境的過程．物理問題情境往往比較繁雜,在解決問題時需要忽略次要因素,抓住主要因素,建立能夠反映問題本質特征的物理模型,如質點模型,勻強電場模型,勻變速直線運動模型,類平拋運動模型,勻速圓周運動模型等．2018年江蘇省高考卷第3題就是以學生熟悉的玩具彈射管為情境,通過創(chuàng)新設置問題,考查學生模型建構能力．下文通過對本題的分析,審視在物理學科核心素養(yǎng)的視角下習題課教學的目的,體會解決實際情境問題進行模型建構能力的培養(yǎng)．

例3.某彈射管每次彈出的小球速度相等.在沿光滑豎直軌道自由下落過程中,該彈射管保持水平,先后彈出兩只小球.忽略空氣阻力,兩只小球落到水平地面的

(A) 時刻相同,地點相同.

(B) 時刻相同,地點不同.

(C) 時刻不同,地點相同.

(D) 時刻不同,地點不同.

本題解題的關鍵是通過對實際情境中彈射管和小球進行動力學分析判斷出兩物體的運動性質,這一重要思維過程就是物體運動模型建構的過程,然后才能依據(jù)相關聯(lián)的慣性定律和運動的獨立性原理進行推理．可見,模型建構是一種重要的科學思維方法．因此習題課的教學目的是要讓學生體會建構這些物理模型的思維過程及思維方法．為避免機械套用,必須理解物理模型的適用條件．為提升模型建構的能力,盡量選擇學生熟悉的實際問題情境,在實際情境問題中一般不直接呈現(xiàn)物理模型,需要學生多角度分析才能建構物理模型,有益于提升學生的模型建構能力．

3 創(chuàng)設問題情境 發(fā)展關鍵能力

《課程標準》在實施建議中提出:創(chuàng)設情境教學,對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用．教師在設計教學活動時,要精心創(chuàng)設反映物理知識本質的問題情境,發(fā)展學生的學科關鍵能力．

3.1 物理概念的教學

圖2 實際情境

在物理概念的教學中,由于物理概念的抽象性,學生通過生活體驗獲得大量的直覺經驗并不能反映現(xiàn)象的本質特征,對物理概念的建立有較大的負面影響．例如,通常靜止的物體受靜摩擦力、運動的物體受滑動摩擦力,學生就會簡單認為只有靜止的物體才能受到靜摩擦力作用．針對學生的這一認識,可播放如圖2的視頻:第一個鏡頭站在地面上拍攝的,另一個鏡頭站在電梯臺面上拍攝的．以地面為參考系,小孩是運動的;但以電梯臺面為參考系,小孩是靜止的,即小孩與臺面是相對靜止的且有相對臺面下滑的運動趨勢,故臺面對小孩施加沿臺面向上的靜摩擦力．創(chuàng)設學生熟悉的實際情境,學生能身臨其境,也就不難反思出產生錯誤的原因是沒有理解“相對”的含義．在物理概念的教學中創(chuàng)設學生熟悉的實際情境,學生容易概括出問題的共同特征,抽象出問題的本質特征,實踐證明能夠培養(yǎng)學生的科學思維,以發(fā)展關鍵能力．

3.2 物理規(guī)律的教學

在物理規(guī)律的教學中,如果對物理規(guī)律僅僅是理論探究,學生會感覺枯燥無味,久而久之就會喪失對物理學習的興趣,也使物理失去其本質意義．而創(chuàng)設相應的問題情境,學生由真實的問題情境形成真實的問題,也就能認真的探究．

例如,在“探究小燈泡的伏安特性曲線”一節(jié)課中不是直接把實驗原理、實驗步驟等一講就放手讓學生做實驗而是創(chuàng)設如圖3所示的問題情境,先讓學生觀察定值電阻的電流隨時間的變化,然后把電阻換成小燈泡,再讓學生觀察小燈泡中電流隨時間的變化關系．學生通過比較兩個圖像的不同之處,自然就會根據(jù)通過小燈泡的電流發(fā)生變化判斷出小燈泡的電阻發(fā)生變化．進一步產生想探究小燈泡的電阻是如何變化的沖動,再適時啟發(fā)學生如何利用歐姆定律設計測量電路,怎么解決遇到的問題,怎么減小系統(tǒng)誤差,又怎么實現(xiàn)多次測量等．先展示問題情境,讓學生發(fā)現(xiàn)問題,可以激發(fā)了學生自主探究的興趣,培養(yǎng)了學生的問題意識,也實現(xiàn)了由問題情境向物理模型的轉化．學生切身體會把真實情境轉化為物理模型的探究過程,感受研究自然現(xiàn)象的樂趣,提升對現(xiàn)象本質的認識,提高模型建構能力．

圖3 實驗情境

3.3 習題的教學

高考命題有從考查解題能力向考查問題解決能力轉變的趨勢．在習題的教學中,要從培養(yǎng)學生終身發(fā)展所需的核心素養(yǎng)的視角審視習題教學的目的,應注重把學生在物理課程中形成的關鍵能力用于分析、解決實際情境問題.這樣做既可避免習題教學的作用僅僅是得出答案又可全面提高學生的問題解決能力．

圖4 經典模型

例如,研究如圖4的裝置——阿特伍德機,阿特伍德機為經典物理模型,是一種測量加速度和研究運動規(guī)律的裝置．高考試題中經常以理想化的阿特伍德機為試題任務情境設置問題．高中物理實驗室里一般選用塑料材質的滑輪和棉線,由于滑輪、棉線的質量較輕可忽略不計,作理想化處理．這類典型問題的解法也較常規(guī),但不能只是簡單告訴學生結論．在完成常規(guī)解法的教學任務后可作如下的拓展．對理想化的模型輕繩,要讓學生明白為什么輕繩兩端拉力大小相等,其本質原因為輕繩是忽略質量的理想模型,對整個輕繩進行研究,根據(jù)牛頓第二定律知,輕繩的合外力始終等于0,與加速度為多大無關,所以輕繩兩端受到的拉力大小相等．對于輕質且不計一切阻力的滑輪,也是一個理想模型．如果滑輪有質量,由于滑輪有轉動慣量,滑輪兩端繩的拉力不等,要解釋就超過大綱要求;但如果滑輪有摩擦阻力,滑輪兩端繩的拉力大小仍相等嗎?通過受力分析,由整個輕繩的合力為0，得TB=TA+f．由此還可提出開放性問題讓學生自主探究:如何消除滑輪受到摩擦阻力的影響?或如何測出摩擦阻力的大小?這樣學生在遇到2018年江蘇省高考第11題(3)問的創(chuàng)新設問“怎么用橡皮泥減小滑輪的摩擦阻力引起的實驗誤差”時,就會心中有底了．

在平時的習題教學中,如果僅僅就題講題、告訴學生經驗性的結論,就不利于學生建立物理觀念、培養(yǎng)科學思維．對于典型的物理模型既要讓學生學會怎樣做更要讓學生理解為什么是這樣做,這樣學生在面對新情境、創(chuàng)新設問時就能靈活應對．以實際情境為背景的習題,可以提升學生科學探究的興趣,增強問題意識,提高模型建構和信息加工等能力．這樣,在習題教學中可以讓學生獲得在實際情境中解決問題的大量經驗,形成把情境與知識相關聯(lián)的意識和能力,可以進一步有效提高學生的學科關鍵能力．

4 結語

隨著高考考試內容的深化改革,試題凸顯基礎性、綜合性、應用性和創(chuàng)新性,強調創(chuàng)新問題情境的設置、創(chuàng)新試題的設問角度,考查關鍵能力,凸顯核心素養(yǎng),推進素質教育的發(fā)展．在高中物理概念、規(guī)律、習題等教學過程中教師要創(chuàng)設合理的問題情境,加強學生對物理知識內涵與外延的理解,體會問題解決的思維程序,提升學生在多樣而真實的情境中吸收與加工關鍵信息的意識,積累問題情境轉化的經驗,以逐步培養(yǎng)學生的學科關鍵能力．