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      構(gòu)建習(xí)題進(jìn)階拓展,引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

      2024-08-10 00:00:00徐凱彬李豐果
      物理教學(xué)探討 2024年7期

      摘 要:習(xí)題是促進(jìn)學(xué)生形成知識體系、深刻理解物理規(guī)律、提升思維能力的重要途徑,也是高中物理教學(xué)的重要組成部分。以一道力學(xué)習(xí)題為例,探討習(xí)題的進(jìn)階拓展路徑,并利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真,引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí),激發(fā)學(xué)生思考,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

      關(guān)鍵詞:習(xí)題;拓展;臨界問題;仿真物理實(shí)驗(yàn)室

      中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2024)7-0057-3

      在高中物理教學(xué)中,習(xí)題是教學(xué)的重要組成部分。它不僅能鞏固和檢測課堂知識,加深對知識的理解,還能教會學(xué)生運(yùn)用學(xué)科的觀念和方法,解決各種復(fù)雜、開放的實(shí)際問題。習(xí)題對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維具有重要的作用。高中階段習(xí)題的功能除了“檢測”學(xué)生所達(dá)到相關(guān)素養(yǎng)的水平之外,更重要的功能是“建構(gòu)”和“培養(yǎng)”,讓學(xué)生解答問題的過程,就是提升素養(yǎng)的過程[1]。

      對于習(xí)題研究和教學(xué),學(xué)者們從不同角度進(jìn)行了深入研究。李明哲提出,在習(xí)題評講中利用“思維可見”和“結(jié)論可鑒”的方法提升學(xué)生高階思維[2];范永梅提出,在習(xí)題教學(xué)中,利用意義建構(gòu)理論幫助學(xué)生建構(gòu)起對問題客觀、全面、深刻的認(rèn)識[3];陳一垠提出,借助手機(jī)、DIS傳感器和電腦等現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備將習(xí)題具體化、形象化[4]。

      本文以一道力學(xué)習(xí)題為例,探討如何對習(xí)題進(jìn)行從單個特殊位置到多個特殊位置、從特殊到一般的進(jìn)階式拓展,并利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真模擬,引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。這一研究將對高中物理習(xí)題的開發(fā)和教學(xué)有一定的參考價值。

      1 原題呈現(xiàn)及評析

      如圖1所示,粗糙水平地面AB與半徑R=0.4 m的光滑半圓軌道BCD相連接,且在同一豎直平面內(nèi),O是BCD的圓心,BOD在同一豎直線上。質(zhì)量m=1 kg的小物塊在9 N的水平恒力F作用下,從A點(diǎn)由靜止開始做勻加速直線運(yùn)動。已知xAB=5 m,小物塊與水平地面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.1,當(dāng)小物塊運(yùn)動到B點(diǎn)時撤去力F,重力加速度g=10 m/s2,求:

      (1)小物塊到達(dá)B點(diǎn)時速度的大?。?/p>

      (2)小物塊運(yùn)動到D點(diǎn)時,軌道對小物塊作用力的大小。

      評析 本題研究單物體多運(yùn)動過程,題設(shè)情境簡明清晰。運(yùn)動形式涉及直線運(yùn)動和圓周運(yùn)動,主要考查學(xué)生對牛頓第二定律、勻變速直線運(yùn)動規(guī)律、動能定理等重點(diǎn)知識的掌握情況。兩個設(shè)問旨在引導(dǎo)學(xué)生明確力與運(yùn)動之間的關(guān)系,讓學(xué)生理解牛頓第二定律的因果性、瞬時性等特征,理解動能定理的因果性以及功是能量變化的度量關(guān)系。在突出學(xué)生基本技能、基本素養(yǎng)的同時,引導(dǎo)學(xué)生從“運(yùn)動與相互作用觀念”“能量觀念”等視角認(rèn)識物理學(xué),并解決實(shí)際問題。

      2 進(jìn)階拓展,引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

      原題情境較為常見,其兩個設(shè)問也指向了力學(xué)的核心知識,但僅僅兩個設(shè)問稍顯意猶未盡。原題中半圓形軌道為該習(xí)題的進(jìn)階拓展提供了突破口,可以在“臨界問題”上深度挖掘拓展。總的拓展思路為從一個特殊位置的臨界問題到多個特殊位置,再到一般位置的臨界問題,突出從一個到多個,從特殊到一般拓展,再對一般位置進(jìn)行仿真模擬,引導(dǎo)學(xué)生逐步深入學(xué)習(xí)。

      2.1 拓展1:一個特殊位置的臨界問題拓展

      設(shè)問拓展:若小物塊恰能通過最高點(diǎn)D,求力F的作用距離?

      評析 本拓展中,小物塊恰能通過最高點(diǎn)的臨界問題是經(jīng)典考題,學(xué)生相對比較熟悉。隨著F作用距離的減小,小物塊通過D點(diǎn)的速度逐漸變小,其所受支持力也不斷變小。當(dāng)支持力為零時,即為臨界狀態(tài)。本拓展要求學(xué)生必須理解掌握力與運(yùn)動的關(guān)系,并對最高點(diǎn)D進(jìn)行受力分析,由題目隱含條件“恰能”,科學(xué)推理找到臨界條件。

      2.2 拓展2:多個特殊位置的臨界問題拓展

      設(shè)問拓展:若要小物塊運(yùn)動過程中不脫離半圓軌道,求F的作用距離?

      分析:小物塊不脫離半圓軌道可能對應(yīng)3種情況,即小物塊能到達(dá)B點(diǎn)、小物塊能通過B點(diǎn)但不通過C點(diǎn)、小物塊能通過C點(diǎn)且能通過D點(diǎn)。

      評析 拓展2也是從小物塊運(yùn)動的臨界問題設(shè)問。相較而言,拓展1只關(guān)注了最高點(diǎn)D的臨界條件,拓展2則需要同時考慮圓弧上三個特殊點(diǎn)B、C、D的臨界條件。拓展1的問題比較常見,學(xué)生完成難度不大,有些學(xué)生甚至通過死記硬背得到結(jié)論;拓展2則要求學(xué)生對運(yùn)動過程進(jìn)行全面、細(xì)致的分析,充分理解力與運(yùn)動的關(guān)系,可以更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層次的思考,培養(yǎng)學(xué)生的思維嚴(yán)謹(jǐn)性。

      2.3 拓展3:一般位置的臨界問題拓展

      評析 豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動,常見的臨界問題均以特殊位置為背景進(jìn)行設(shè)置,易致學(xué)生養(yǎng)成定式思維,對其臨界問題認(rèn)識存在偏差。拓展3從特殊位置過渡到一般位置。根據(jù)力與運(yùn)動的關(guān)系,由于力F的作用距離不同,則小物塊將有可能在圓弧CD間任一位置脫離軌道。拓展3要求學(xué)生深刻理解力是因,運(yùn)動狀態(tài)的改變是果,突破定式思維,通過嚴(yán)密的邏輯分析找到臨界條件對應(yīng)的受力特點(diǎn)。

      3 借助仿真物理實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

      由于豎直平面圓周運(yùn)動的臨界問題常以特殊位置為背景,因此,拓展3中滑塊在圓弧CD間脫離軌道的情境學(xué)生接觸較少,單純從理論上分析,學(xué)生理解仍有困難。借助仿真物理實(shí)驗(yàn)室對該情境仿真模擬,可以幫助學(xué)生理解、論證,促進(jìn)學(xué)生對物理概念、規(guī)律的理解,提高學(xué)生的辨析能力,促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[5]。下面在介紹仿真物理實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上,闡述如何借助仿真實(shí)驗(yàn)室對拓展3進(jìn)行仿真,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深度學(xué)習(xí)。

      3.1 仿真物理實(shí)驗(yàn)室介紹

      物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程,實(shí)驗(yàn)作為一種認(rèn)知方式,可以幫助學(xué)生加深對所學(xué)知識的信任與理解[6]。仿真物理實(shí)驗(yàn)室提供了一個如同真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺,又可以突破真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的限制,其內(nèi)置了基本的物理定理,建立了基本的物理模型,在這個平臺上建立實(shí)驗(yàn),不再需要考慮任何的數(shù)學(xué)建模[7]。

      3.2 建立實(shí)驗(yàn)

      對仿真物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本的設(shè)置,并根據(jù)原題信息對相關(guān)對象賦值,建立仿真物理情境(圖3)。其中,坐標(biāo)原點(diǎn)的小圓點(diǎn)即為運(yùn)動小球(為研究方便,用小球替代原題中的滑塊),小球下方的軌道即為組合好的直線軌道與半圓軌道。

      3.3 編寫語句,控制F作用距離

      Fx=0

      結(jié)束判斷1

      3.4 運(yùn)行程序,觀察分析

      運(yùn)行程序,輸出小球運(yùn)動軌跡(圖4)。由軌跡可以直觀地看到小球在半圓軌道CD間的某個位置離開軌道做斜拋運(yùn)動。小球與半圓軌道之間的相互作用力是彈力,彈力為接觸力,即當(dāng)小球脫離半圓軌道后將不再受到彈力作用,亦說明在脫離軌道瞬間,彈力為零,是臨界條件。

      若小球脫離半圓軌道的位置標(biāo)為E,利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室自帶的角度度量工具,可直接顯示“C、O、E的角度為30”(圖5),與拓展3的理論分析計算結(jié)果相吻合。

      利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,符合物理學(xué)科的一般研究過程,同時深化了力與運(yùn)動的關(guān)系,引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

      4 結(jié) 語

      習(xí)題是促進(jìn)學(xué)生形成知識體系、深刻理解物理規(guī)律、提升思維能力的重要途徑。本文以一道力學(xué)習(xí)題為例,探討了習(xí)題拓展的路徑和方法,實(shí)現(xiàn)了從單個特殊位置到多個特殊位置、從特殊到一般的進(jìn)階式拓展,并利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了仿真模擬,模擬結(jié)果與理論分析一致。文中設(shè)計的拓展已在公開課上進(jìn)行了施教,從學(xué)生課堂表現(xiàn)和課后的訪談看,達(dá)到拓展應(yīng)用的目的,實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí),培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力,同時也得到了同行的認(rèn)可。

      參考文獻(xiàn):

      [1]人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊教師教學(xué)用書[M].北京:人民教育出版社,2019:8.

      [2]李明哲.可見與可鑒:指向高階思維的物理習(xí)題教學(xué)[J].物理教師,2023,44(10):90-92.

      [3]范永梅.意義建構(gòu)理論下的習(xí)題教學(xué)新樣態(tài)[J].中學(xué)物理,2023,41(19):12-15.

      [4]陳一垠.經(jīng)歷科學(xué)探究 提升核心素養(yǎng)——以“瞬時加速度”習(xí)題課的教學(xué)為例[J].物理教學(xué)探討,2024,42(1):29-32.

      [5]郭玉英,姚建欣,張靜.整合與發(fā)展——科學(xué)課程中概念體系的建構(gòu)及其學(xué)習(xí)進(jìn)階[J].課程·教材·教法,2013,33(2):44-49.

      [6]李春密.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)課例式解讀初中物理[M].北京:科學(xué)教育出版社,2022.

      [7]朱明光,陳曉紅.中學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)室[J].沈陽師范學(xué)院學(xué)報,2001,19(4):72-75.

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