基于核心素養(yǎng)的物理規(guī)律教學

付鸝娟

摘? ?要：教師要把核心素養(yǎng)要素嵌入規(guī)律教學設計的各個環(huán)節(jié)。首先，要明確課標要求、挖掘素養(yǎng)目標的落地點，分析認知障礙、找準素養(yǎng)提升的突破點，設計學習活動、規(guī)劃素養(yǎng)發(fā)展的關聯(lián)點;其次，要用問題解決貫穿規(guī)律教學的實施過程;最后，要把握規(guī)律教學結(jié)構，落實物理核心素養(yǎng)。

關鍵詞：教學設計;核心素養(yǎng);規(guī)律教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）3-0029-4

“勻變速直線運動位移與時間的關系”是高中物理運動學的重要規(guī)律之一。通常教師在處理這一教學內(nèi)容時，容易出現(xiàn)兩個問題：一是急于直接告訴學生公式的結(jié)果，忽略規(guī)律建立的過程;二是把規(guī)律的應用當成公式的講練，忽略真實情境的創(chuàng)設和問題解決思路的梳理。教師這樣處理不利于學生理解規(guī)律的內(nèi)涵，也掩蓋了規(guī)律建立和應用過程中蘊含的物理學科思想方法。

因此，基于核心素養(yǎng)的物理規(guī)律教學在設計上要解決三個核心問題：（1）規(guī)律是如何建立的？（2）規(guī)律的適用范圍是什么？（3）如何應用規(guī)律解決實際問題？

在新課程、新教材的背景下，如何把握物理規(guī)律教學的特征，有效促進素養(yǎng)目標的達成？一直是一線教師深入思考的問題。本文以“勻變速直線運動位移與時間的關系”為例，嘗試對上述問題進行探討。

1? ? 把核心素養(yǎng)要素嵌入規(guī)律教學設計的各個環(huán)節(jié)

1.1? ? 明確課標要求，挖掘素養(yǎng)目標的落地點

本節(jié)內(nèi)容對應的課標要求是：通過實驗引導學生認識勻變速直線運動的特征，理解勻變速直線運動的規(guī)律，從中體會科學思維中的抽象方法和物理問題研究中的極限方法。能利用公式、圖像等多種表征方式描述勻變速直線運動的特點，并能運用其解決一些簡單的實際問題[1]。

物理知識是核心素養(yǎng)落地的載體，學生經(jīng)歷學習活動的過程就是素養(yǎng)提升的過程。教師在利用公式、圖像等方法描述勻變速直線運動的過程中，引導學生體會物理學高度概括、抽象的本質(zhì)特征，凝練物理觀念;在利用極限思想推導勻變速直線運動規(guī)律的過程中，引導學生要基于證據(jù)進行論證;在應用勻變速直線運動規(guī)律解決實際問題的過程中，引導學生建構物理模型、進行科學推理，只有這樣才有利于學生科學思維的發(fā)展。

1.2? ? 分析認知障礙，找準素養(yǎng)提升的突破點

在這之前，學生已經(jīng)認識了勻速直線運動，會用公式求勻速直線運動的位移。但勻速直線運動涉及的公式比較單一，學生習慣直接套用公式進行計算，系統(tǒng)分析的能力較弱，在面對綜合復雜問題時，不能建立公式和實際問題之間的聯(lián)系。

學生已經(jīng)學習了勻速直線運動的v-t圖像和x-t圖像，初步認識了圖像的物理意義，但對v-t圖像的面積代表位移的理解還不深刻，還不具有將方法遷移到新情境的意識。另外，理解圖像所描述的運動過程，把圖像和實際的運動對應起來，實現(xiàn)文字、圖像和公式等不同表征方式的轉(zhuǎn)化和統(tǒng)一也是學生的思維障礙點。

1.3? ? 設計學習活動，規(guī)劃素養(yǎng)發(fā)展的關聯(lián)點

學生的認知基礎和課標要求，分別對應了本節(jié)課的學習起點和預期達成的學習目標，而連接起點和目標的就是學習活動。因此，筆者針對本節(jié)課設計了兩個學習活動，呼應規(guī)律教學需要解決的三個核心問題。

1.3.1? ? 活動1：探究勻變速直線運動位移與時間的關系—— 規(guī)律的建立和內(nèi)涵

在這一活動中，學生類比勻速直線運動v-t圖像面積的含義，利用極限思想論證勻變速直線運動v-t圖像面積和位移的對應關系，然后數(shù)形結(jié)合，推導勻變速直線運動的位移與時間、位移與速度、平均速度的公式，理解公式中物理量的含義，再通過傳感器實驗驗證推導結(jié)果的正確性。通過這一系列活動，讓學生經(jīng)歷規(guī)律建立的過程，進而理解規(guī)律的適用條件，體會圖像在分析、解決物理問題中的重要作用，以及利用極限思想分析、解決物理問題的科學思維方法。

1.3.2? ? 活動2：估算汽車在高速公路上行駛的最小安全車距 —— 規(guī)律的應用

教師創(chuàng)設實際的問題情境：《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》中關于高速公路最小安全車距的規(guī)定是否合理？學生通過模型建構，利用物理公式、圖形、圖像等多種方法估算汽車在高速公路上行駛的最小安全車距。通過這一活動，讓學生體會建構物理模型、解決實際問題的科學思維方法，以及物理知識在實際中的應用價值。

2? ? 用問題解決路徑貫穿規(guī)律教學的實施過程

本節(jié)課的教學以“提出問題—分析問題—解決問題”的思路展開，教學流程如圖1所示。

2.1? ? 創(chuàng)設情境，提出問題

【教師】 高速公路兩側(cè)的車距確認指示牌像一把標尺，幫助駕駛員估測和前車的距離?！吨腥A人民共和國道路交通安全法實施條例》第八十條規(guī)定，機動車在高速公路上行駛，車速超過100 km/h時，應與同車道前車保持100 m以上的距離，車速低于100 km/h時，與同車道前車距離可以適當縮短，但最小距離不得少于50 m。今天我們要從物理學的角度評估這樣的規(guī)定是否合理？請同學們思考，如何建立模型把這個實際問題轉(zhuǎn)化為物理問題？

【學生】 可以把汽車剎車視為勻減速直線運動，估算汽車從剎車到停止的位移。我們的物理問題就是要探究勻變速直線運動位移和時間的關系。

【設計意圖】 從學生熟悉的實際生活情境出發(fā)提出問題，體現(xiàn)研究勻變速直線運動位移與時間的關系在實際中的應用價值，并引導學生體會把實際問題轉(zhuǎn)化為物理問題建構物理模型的科學思維方法。

2.2? ? 科學探究，分析問題

2.2.1? ? 層次1：尋找方案，提出猜想

【教師】 給出前面實驗課中得到的數(shù)據(jù)（表1），提出問題：如何計算勻變速直線運動的位移？讓學生提出計算方案，在此基礎上，引導學生嘗試通過v-t圖像的面積進行探究。

【學生】根據(jù)不同時刻的瞬時速度計算小車運動的位移，并評估計算結(jié)果的誤差。類比勻速直線運動v-t圖像面積的物理意義，猜測勻變速直線運動v-t圖像面積的意義，進而確定通過v-t圖像面積探究勻變速直線運動位移的方案。

【設計意圖】從勻速直線運動的位移到勻變速直線運動的位移，引導學生體會通過類比把所學的知識遷移應用于解決陌生問題的思路方法。

2.2.2? ? 層次2：極限思想，理論探究

【教師】 這一環(huán)節(jié)教師活動分4步完成：第一，介紹《九章算術注》中記載的我國古代數(shù)學家劉徽利用割圓術計算圓面積和圓周率的方法，為利用極限思想證明勻變速直線運動v-t圖像面積代表位移作鋪墊;第二，通過作圖和動畫展示（圖2），引導學生體會當時間間隔越來越短，分割的矩形越來越多，矩形面積的和就越接近梯形面積，從而論證勻變速直線運動v-t圖像面積代表位移;第三，明確第二個層次的數(shù)學推導所對應的物理意義——當時間間隔足夠短，變速運動可當成勻速運動來處理，計算其位移所造成的誤差也就越來越小;第四，提出新問題，“v-t圖像面積代表位移”這一結(jié)論是否具有普遍意義？對圖3所示的運動是否成立？

【學生】 證明：“v-t圖像面積代表位移”這一結(jié)論具有普遍意義，體會極限思想在物理中的應用。

【設計意圖】 這一環(huán)節(jié)設計意圖有兩個：一方面，引導學生在證明v-t圖像面積代表位移的過程中，理解極限思想，并通過對我國古代早期數(shù)學思想偉大成就的介紹，讓學生感悟中華民族的智慧;另一方面，數(shù)學中的極限思想對應了重要的物理意義——“一個變化過程在極短時間內(nèi)可認為是不變的”，這是物理學中處理復雜變化過程的重要方法，需要適時、經(jīng)常滲透。

2.2.3? ? 層次3：數(shù)形結(jié)合，推導公式

【教師】引導學生通過不同的方法計算勻變速直線運動v-t圖像的面積，得出勻變速直線運動的位移隨時間變化關系的表達式，理解不同形式表達式的物理意義。

【學生】 學生分成不同的小組，利用不同方法計算勻變速直線運動v-t圖像的面積，得出相應的表達式，并說出其對應的物理意義。推導方法1（圖4）：根據(jù)梯形面積公式進行計算，突出平均速度的物理意義。推導方法2（圖5）：根據(jù)三角形面積與矩形面積之和計算，其物理意義是初速度為v0的勻加速直線運動的位移等于以v0的速度做勻速直線運動的位移和初速度為零的勻加速直線運動的位移之和。推導方法3（圖6）：梯形面積可以用大的矩形面積和三角形面積之差來計算，其物理意義是初速度為v0、末速度為vt的勻加速直線運動，可視為反向的初速度為vt的勻減速直線運動。

【設計意圖】 學生在分組討論、交流不同證明方法的過程中，理解不同形式位移公式的物理含義，并把公式、圖像與實際的物理過程相對應。

2.2.4? ? 層次4：實驗驗證，總結(jié)規(guī)律

【教師】 利用位移傳感器，測量小車在傾斜軌道加速下滑過程中的位移，通過電腦擬合v-t圖像和x-t圖像，通過v-t圖像得出小車的初速度和加速度，檢驗x-t圖像，驗證理論探究的結(jié)論是否正確。

【學生】 觀察實驗，思考實驗結(jié)果?？偨Y(jié)勻變速直線運動位移與時間的關系，并結(jié)合速度隨時間變化的關系，推導勻變速直線運動位移與速度的關系。

【設計意圖】 通過傳感器實驗，得出較為精確的實驗結(jié)果，讓學生體會理論和實驗相結(jié)合的研究方法。

2.3? ? 模型建構，解決問題

2.3.1? ? 層次1：初步建立模型

【教師】 呼應之前的問題，如何估算高速公路上最小安全車距？引導學生構建勻減速直線運動模型，估算汽車在高速公路上從開始剎車到停下來所行駛的距離，評估高速公路安全距離設置的合理性。提出問題：為估算汽車從開始剎車到停下來所行駛的距離，我們可以做怎樣的簡化處理，需要知道哪些條件？可以用哪些方法進行估算？高速公路最小安全車距的設置是否合理？

【學生】 分小組討論，為了估算汽車從開始剎車到停下來行駛的距離，我們進行如下簡化：① 汽車的行駛速度為100 km/h;②汽車剎車過程的運動可視為勻減速直線運動;③汽車剎車的加速度大小約為5 m/s2。

用不同方法進行估算：方法1，利用勻變速直線運動位移與速度的關系;方法2，利用勻變速直線運動位移與時間的關系;方法3，利用平均速度;方法4，利用圖像。

計算得出汽車從開始剎車到停下來行駛的距離約為77 m?？梢?，在上述條件下，保持100 m以上的車距基本是合理的。

2.3.2? ? 層次2：修正模型

【教師】 這個估算的模型是否可以進一步優(yōu)化？教師進一步提出問題：駕駛員看到緊急情況后需要一小段時間才能作出反應，從駕駛員踩剎車到汽車開始減速也需要一段時間，這兩段時間大約是0.6 s，在這段時間內(nèi)，汽車在做什么運動？如果考慮這段時間，又該如何估算汽車在高速公路上行駛從開始剎車到停下來的距離？在這種情況下高速公路安全距離的設置是否還合理？

【學生】 學生根據(jù)增加的條件，把汽車的運動分為兩個階段，勻速直線運動和勻減速直線運動，分別用公式和圖像的方法進行估算，再次評估高速公路安全車距的設置是否合理。

【設計意圖】 本環(huán)節(jié)層次1的設計意圖有兩個：一方面，引導學生體會如何對實際問題進行簡化，作出合理估算;另一方面，讓學生體會公式、圖像等對勻變速直線運動不同描述方式的統(tǒng)一，為靈活選擇不同的方式解決問題作鋪墊。層次2旨在引導學生根據(jù)實際情況對模型進行修正。

【課堂總結(jié)】

本節(jié)課，從勻速直線運動的位移公式出發(fā)，利用極限思想證明v-t圖像面積代表位移，從中體會到“一個變化的過程在極短的時間內(nèi)可視為不變”的思想。同時，通過建立物理模型，利用勻變速直線運動規(guī)律，評估了高速公路上安全車距的問題。在這一過程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著實際問題復雜程度的增加，模型的復雜度隨之增加，盡管模型和真實的情況還存在一定的差距，但在一定程度上可以對真實問題作出合理判斷。同學們課后還可以進一步思考，如何利用勻變速直線運動的規(guī)律解決生活中的問題。

3? ? 探索規(guī)律教學結(jié)構，落實物理核心素養(yǎng)

物理規(guī)律教學圍繞規(guī)律的形成過程而展開，有助于學生凝練物理觀念;通過經(jīng)歷規(guī)律認知過程的觀察、實驗、思維、想象、數(shù)學推理等心智活動，能促進學生科學思維水平的提高，科學探究能力的提升[4]。物理規(guī)律對社會發(fā)展和科技進步發(fā)揮著重要的推動作用，認識物理規(guī)律的實際應用價值，有助于學生形成正確的科學態(tài)度和責任。

在本節(jié)課的教學中，從認識勻速運動到掌握勻變速直線運動的規(guī)律，豐富了學生的運動觀;同時，從猜想到理論推導再到實驗驗證勻變速直線運動位移規(guī)律的過程，提升了學生的探究能力;運用真實情境評估《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》中設置安全距離的合理性，發(fā)展學生建構模型、分析推理等科學思維能力，感受物理規(guī)律的實際應用價值。

因此，高質(zhì)量的規(guī)律教學是促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的有效途徑，我們應該把握規(guī)律教學的結(jié)構，不斷提高規(guī)律教學的實效性。

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2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]馮杰.物理概念教學與物理規(guī)律教學之差異性探討[J].物理教師，2020，41（01）：2-8.

[3]胡揚洋.我國物理規(guī)律教學思想的回望與前瞻[J].教育導刊，2015（07）：44-47.

[4]邢紅軍，張抗抗，胡揚洋，等.物理概念與規(guī)律的教學要求：反思與重構[J].課程·教材·教法，2018，38（02）：91-96.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）