基于高中物理核心素養(yǎng)的習題教學
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摘要：在我國新一輪課堂教學改革育人目標指向?qū)W生核心素養(yǎng)的大背景下，如何在學科教學中落實核心素養(yǎng)，是一線教師要探究和解決的問題。本文以曲線運動的習題課教學為例，闡述如何在習題教學中提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。
關(guān)鍵詞：高中物理教學；運動的合成與分解；習題課；物理核心素養(yǎng)
習題課是中學物理教學中一個非常重要的環(huán)節(jié)，它貫穿于整個中學物理教學過程中，是提高物理教學質(zhì)量和實現(xiàn)學科育人目標的重要途徑之一。新課標要求物理教師結(jié)合教學實際情況創(chuàng)造性地開展教學工作，將物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)融入到物理教學活動的全過程。因此，為順應(yīng)課程改革目標，實現(xiàn)由單一的學科知識結(jié)為中心向以個人終身發(fā)展、終身學習為主體的核心素養(yǎng)目標轉(zhuǎn)化，本文以人教版高中物理必修二第五章第一節(jié)曲線運動習題課——運動的合成與分解的教學片段為例，談如何在習題教學中落實物理學科核心素養(yǎng)。
一．精心設(shè)計教學活動，促進物理觀念形成
問題1：兩個互成角度的勻速直線運動的合運動是什么運動？你能不能用現(xiàn)有的器材設(shè)計實驗來證明你的結(jié)論？教師給每個學習小組提供有圖釘、直尺、細線、小球等實驗器材。學生自主設(shè)計實驗方案。有的同學二人配合，一邊沿水平方向的尺子移動鉛筆，一邊推動尺子上移；也有相當一部分同學設(shè)計出如圖1所示實驗方案進行探究并展示。展示的兩名同學互相配合，其中一人將手中握筆沿著尺子向右勻速移動，另外一人每隔一段時間記錄小球所在位置，這樣就描繪出了合運動的軌跡。受此方案啟發(fā)，立即有同學將刻度尺傾斜，如圖2所示，構(gòu)建出兩個分運動所成的角度為任意值，由剛才兩分運動互相垂直拓展到一般形式。這樣，研究形式就不僅僅局限于互相垂直的特殊情況，完成了從特殊到一般的研究過程。問題2：兩個互成角度的變速直線運動的合運動是什么運動？仍利用上述方案通過實驗觀察現(xiàn)象，只是將筆沿尺子變速運動，仍然每隔一段時間記錄小球所在位置。結(jié)果仍為直線運動。問題3：為什么兩次觀察到物體的運動軌跡都是直線？經(jīng)過對兩個運動過程的比較和思考，并借助于作出的速度矢量示意圖，學生會發(fā)現(xiàn)，無論分方向的運動是勻速運動還是變速運動，由于合運動的速度方向并沒有發(fā)生改變，因此合運動軌跡就是一條直線。問題4：怎樣判斷兩個分運動的合運動軌跡是直線還是曲線？經(jīng)過問題3的鋪墊，至此這種問題研究方法呼之欲出：即只要判斷合運動的速度方向有無變化即可知其軌跡是曲是直。設(shè)計思路：學科活動是形成素養(yǎng)的途徑。物理觀念并不是概念和規(guī)律本身，而是在學習概念和規(guī)律基礎(chǔ)上知識的內(nèi)化；物理觀念是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，只有形成正確、全面而深刻的物理觀念，才能在此基礎(chǔ)上發(fā)展核心素養(yǎng)的其他三個方面。而所有素養(yǎng)的形成與發(fā)展，必須要蘊含在精心設(shè)計和踏踏實實開展的教學活動中。如果沒有以優(yōu)質(zhì)的學習活動過程作為支撐，即使學生知道了一些概念與規(guī)律，也不能形成全面、深刻而正確的物理觀念，更不能將其自覺應(yīng)用于解釋現(xiàn)象和解決問題當中。在這個教學過程中，教師提供了實驗器材，為學生創(chuàng)設(shè)了學習探索的問題情境，充分發(fā)揮了情境在轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)方面的作用。在這種條件下，學生根據(jù)需要解決的問題，思考采用何種方案才能達到解決目的，通過自主設(shè)計實驗方案，觀察實驗現(xiàn)象、分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、找出規(guī)律，得出結(jié)論等一系列思維活動，經(jīng)歷了獨立思考、分析比較、討論交流、相互啟發(fā)的自主學習過程，加深了對運動的合成與分解規(guī)律的理解，豐富了運動與相互作用觀念的組成部分，內(nèi)化與升華了概念體系。同時，四個問題螺旋上升，為學生思考搭建合理臺階，加強了對學生思維的引導(dǎo)，凸顯了物理學科以觀察實驗和物理思維相結(jié)合的學科特點，使學生感悟到一個結(jié)論的得出，不能僅靠主觀臆測，必須要以客觀事實作為依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進一步總結(jié)得出非特殊情況中如何確定合運動性質(zhì)。
二、多種研究方法并舉，促進科學思維發(fā)展
問題1：一個物體同時參與兩個互相垂直方向的運動，水平方向做勻速直線運動，豎直方向做勻加速直線運動，那么這個物體的運動軌跡是什么樣的？學生依然想要使用給定器材來通過實驗得出結(jié)論。發(fā)現(xiàn)無法保證和控制豎直方向物體做勻加直線運動。問題2：既然無法用現(xiàn)有器材通過實驗的方法來確定這種復(fù)合運動的性質(zhì)，那么你可以用什么辦法來研究這個問題？至此，學生容易想到還可以采用理論分析的方法來確定兩種運動的合運動性質(zhì)。即依據(jù)物體做曲線運動的條件，由物體運動過程中合外力與速度方向是否共線來判斷。設(shè)計思想：這一教學片段可以視為第一個教學片段的延續(xù)。物理觀念不同于概念和規(guī)律本身，而是在概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華。它反映了人對于概念的加工。同時，觀念獲得后的要應(yīng)用于解釋現(xiàn)象和解決實際問題，在問題解決和現(xiàn)象解釋中提煉和升華物理觀念。在上問題最后已經(jīng)總結(jié)出如何判斷某兩個互成角度的直線運動的合運動性質(zhì)的方法，只要能夠確定出物體的合速度方向是否發(fā)生變化即可知軌跡是曲是直。根據(jù)這一結(jié)論進行理論分析得出結(jié)果，即從物理學的視角看待和解決問題。高中學生較于初中，邏輯思維更加發(fā)展。比如初中還只能用實驗的方法得出串并聯(lián)電路的有關(guān)規(guī)律，高中便可以采用理論推導(dǎo)的方式。本教學片段中，通過理論推導(dǎo)，與上一環(huán)節(jié)的實驗探究相結(jié)合，實現(xiàn)了理論與實驗的完美匹配，證明該結(jié)論的可靠性，同時也體現(xiàn)了實驗探究和理論探究都是重要的科學研究方法，兩者是相輔相成的。二者結(jié)合，可以讓學生體驗實驗的魅力和邏輯的力量。人的發(fā)展在于思維能力的發(fā)展。物理教學不僅要使學生掌握表層的物理知識，更重要的是學會在表層知識背后蘊含的更深層次的東西——物理學的研究思想與方法，以及物理學習的內(nèi)核——形成價值取向，提升素養(yǎng)。課程標準中對科學思維提出了如下目標：能運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論；具有使用科學證據(jù)的意識和評估科學證據(jù)的能力，能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測。同時，必修二關(guān)于曲線運動的學業(yè)要求表述如下：“體會物理學中實驗或理論推導(dǎo)的方法”，這與科學思維教育目標一致。上述教學過程讓學生感悟到，無論哪一個結(jié)論的得出，無論是采用實驗還是理論的研究方法，都不能憑主觀臆測，都要有相應(yīng)的證據(jù)，以實證作為論證的依據(jù)，以邏輯作為論證的手段，這也是科學思維的價值所在。一般認為，自伽利略開始，形成了以實驗、邏輯、數(shù)學方法相結(jié)合為主要內(nèi)容的近代科學思維方法。而隨著時展與科技進步，我們還可以搭上互聯(lián)網(wǎng)+這艘大船。課標在基本理念中有這樣的說明：“利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學生理解物理學的本質(zhì)，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力”。借助于信息技術(shù)，可以提高學生學習興趣，幫助推進物理問題的研究過程，促進物理結(jié)論和規(guī)律的得出。問題2也可以借助于功能強大的軟件，比如Matlab或者Origin軟件，繪制出兩個方向上運動的合運動軌跡，從而使規(guī)律呈現(xiàn)更生動直觀，有效地促進學生對于該問題的理解和內(nèi)化。教師接下來引導(dǎo)學生采用另一種方法來解決這個問題：借助直角坐標系描述質(zhì)點運動軌跡（用特殊值作圖的方法）。坐標系描述物體位置是數(shù)學知識在物理學科中的應(yīng)用。在物理學中用數(shù)學知識，會使抽象的數(shù)字變得更加具體和有意義，能使學生體會到數(shù)理結(jié)合的魅力。本環(huán)節(jié)的教學過程，并沒有直接將結(jié)論拋給學生，而是讓學生嘗試多角度多方法來解決問題。讓學生感悟到深藏在外顯知識中的思維方法，這是物理文化的重要內(nèi)容。而且也是科學思維價值取向所在?？傊?，在習題教學中，教師要為學生提供自主學習環(huán)境，要通過具體的、有實際意義的學習活動，如結(jié)合實驗，或設(shè)計學生參與游戲，或依托互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)平臺，讓學習過程豐富多彩，這樣才能更好地促進學生的科學思維發(fā)展，培養(yǎng)學生運用物理觀念分析和解決實際問題的能力，促成核心素養(yǎng)的達成，從而實現(xiàn)課程目標。
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作者：楊艷 單位：延邊州教育學院