理清教材線索 提升科學(xué)素養(yǎng)

王云

摘 要：教材在編寫(xiě)過(guò)程中充分考慮了各個(gè)概念及規(guī)律彼此間的邏輯關(guān)系，設(shè)置合理的線索，創(chuàng)建通俗易懂的物理背景。本文以人教版物理必修1的第一章《運(yùn)動(dòng)的描述》為例，理清教材線索，確定各概念建立的背景，同時(shí)展現(xiàn)科學(xué)思想。

關(guān)鍵詞：教材線索；科學(xué)思想；科學(xué)素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）3-0019-2

物理學(xué)的各個(gè)概念、規(guī)律相互聯(lián)系，前后之間有著密切的因果關(guān)系，各知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)“鏈條”式的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。教材在編寫(xiě)過(guò)程中充分考慮了邏輯性，緊緊圍繞線索逐層展開(kāi)，層層推進(jìn)。同時(shí)，在編寫(xiě)過(guò)程中巧妙地把物理學(xué)思想和方法貫穿其中，從而潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

本文以人教版物理必修1的第一章《運(yùn)動(dòng)的描述》為例，理清教材線索，展現(xiàn)科學(xué)思想。

第一章的核心問(wèn)題是如何定量描述物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。教材以亞里士多德的名言“不了解運(yùn)動(dòng)，就不了解自然”激發(fā)學(xué)生探究自然的興趣，構(gòu)建了解運(yùn)動(dòng)的動(dòng)機(jī)。通過(guò)我們周圍可以看到的物體運(yùn)動(dòng)：汽車在公路上飛馳，江水在咆哮著奔向遠(yuǎn)方，鳥(niǎo)兒在飛翔，樹(shù)葉在搖動(dòng)……連我們腳下的地球，也在不停地自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)。這些運(yùn)動(dòng)的共同點(diǎn)是物體的空間位置隨時(shí)間的變化。從而引發(fā)學(xué)生思考以下問(wèn)題：

1.研究什么物體的空間位置隨時(shí)間的變化？

2.如何定量表達(dá)物體的空間位置？

3.如何判斷物體的空間位置是否變化？

4.如何從時(shí)間、空間角度分析物體的空間位置的變化？

5.物體的空間位置隨時(shí)間的變化有怎樣的定量關(guān)系？

6.物體的空間位置變化的快慢怎么研究？

物體的空間位置是否變化可以通過(guò)研究對(duì)象與另外一個(gè)物體的距離是否變化加以判斷。為了測(cè)量的距離具有統(tǒng)一性，可以忽略物體本身的形狀和大小，把物體簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)。為了凸顯物體的客觀存在性還需要考慮物體本身的質(zhì)量，建立質(zhì)點(diǎn)這個(gè)理想化模型。此過(guò)程體現(xiàn)了基本的科學(xué)方法，抓住主要因素，忽略次要因素，構(gòu)建理想化模型的科學(xué)思想。另外一個(gè)物體作為判斷研究對(duì)象的空間位置是否變化的依據(jù)，所以需要假定不動(dòng)，建立了參考系的概念。質(zhì)點(diǎn)概念的建立，參考系的選擇均體現(xiàn)了物理學(xué)的核心思想——相對(duì)思想。

研究對(duì)象的空間位置變化多少以及怎么變化需要進(jìn)行定量研究，從而建立坐標(biāo)系的概念。研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，有的做直線運(yùn)動(dòng)，建立一維坐標(biāo)系；有的在平面內(nèi)做曲線運(yùn)動(dòng)，建立二維坐標(biāo)系；有的在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，建立三維坐標(biāo)系。一門(mén)學(xué)科能否成為一門(mén)獨(dú)立的科學(xué)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一就是能否進(jìn)行定量研究。所以，第1節(jié)安排了質(zhì)點(diǎn)、參考系和坐標(biāo)系三個(gè)概念。對(duì)教材線索進(jìn)行分析，有利于學(xué)生了解這三個(gè)概念建立的背景、概念之間的邏輯以及應(yīng)用條件和范圍。

教材利用第13頁(yè)的圖1.2-2分析通過(guò)不同路線從北京到重慶，引導(dǎo)學(xué)生思考不同路線的共同點(diǎn)和區(qū)別。共同點(diǎn)是位置的變化是一樣的，即位置的移動(dòng)（變動(dòng)）是一樣的。區(qū)別是不同路線運(yùn)動(dòng)的軌跡是不一樣的。共同點(diǎn)的研究建立了位移的概念。教材這樣安排體現(xiàn)了科學(xué)的辯證邏輯思維。教材第13頁(yè)的“思考與討論”引發(fā)學(xué)生對(duì)位移運(yùn)算法則的思考，為建立矢量概念創(chuàng)建了背景和應(yīng)用前景。教材利用不同的交通工具從北京到重慶引入位移的概念，還為建立時(shí)刻和時(shí)間間隔的概念進(jìn)行鋪墊。教師可以構(gòu)建一列動(dòng)車幾點(diǎn)從北京出發(fā)，幾點(diǎn)到達(dá)重慶，歷經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間的情景引入時(shí)刻和時(shí)間間隔的概念。教材在編寫(xiě)過(guò)程中體現(xiàn)了空間和時(shí)間是物理學(xué)經(jīng)久不衰的兩大研究主題。

第2節(jié)分別從空間和時(shí)間的角度描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，第3節(jié)自然聯(lián)想到綜合考慮空間和時(shí)間描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。從實(shí)際情況出發(fā)構(gòu)建物理背景，自行車在30 min內(nèi)行駛8 km，汽車在相同時(shí)間內(nèi)行駛50 km。在相同時(shí)間內(nèi)，比較物體運(yùn)動(dòng)位移的大小，位移大，運(yùn)動(dòng)得快，所以汽車比自行車快。另一種是位移相同，比較所用時(shí)間的長(zhǎng)短，時(shí)間短，運(yùn)動(dòng)得快，例如百米賽跑。引發(fā)學(xué)生思考，如何比較汽車和百米賽跑運(yùn)動(dòng)員的快慢？科學(xué)的比較方法必須要建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而利用比值法建立速度的概念。這樣的編寫(xiě)也體現(xiàn)了速度是連接空間和時(shí)間的紐帶。

如圖1，利用速度的公式計(jì)算A到B的速度，但不能精細(xì)化地描述A到B各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)快慢，只能粗略地描述運(yùn)動(dòng)的快慢，這樣構(gòu)建平均速度的概念。同時(shí)引發(fā)學(xué)生思考如何更加精細(xì)化地研究各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)快慢。從空間角度思考，如果A、B兩點(diǎn)無(wú)限接近，從時(shí)間角度出發(fā)，A到B的時(shí)間越小，運(yùn)動(dòng)的描述就越精確。這樣就自然地利用極限思想構(gòu)建了瞬時(shí)速度的概念。

極限思想是從粗放型研究向精細(xì)化研究的必由科學(xué)之路。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)瞬時(shí)速度這個(gè)全新概念的理解，教材安排了圖1.3-2中的汽車速度計(jì)顯示的速度可以看作瞬時(shí)速度，以及圖1.3-3的“說(shuō)一說(shuō)”。體現(xiàn)了科學(xué)源于實(shí)際、服務(wù)實(shí)踐的原則。

明確了速度的概念以后，學(xué)生必然思考如何測(cè)定速度的大小。教材第4節(jié)安排“實(shí)驗(yàn)：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度”。利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度有著明顯的局限性，教材特意安排了“做一做：借助傳感器用計(jì)算機(jī)測(cè)速度”。方案一用圖1.4-7的方法測(cè)定速度，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)把紅外線發(fā)射器和超聲波發(fā)射器安裝在運(yùn)動(dòng)的物體上不太方便。為此，方案二的圖1.4-9為升級(jí)版，超聲波發(fā)射器和接收器均固定在一個(gè)不動(dòng)的物體上。借助傳感器用計(jì)算機(jī)很方便地獲取了運(yùn)動(dòng)物體的速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，建立了圖1.4-8的速度-時(shí)間圖像。這樣安排讓各知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)順理成章，沒(méi)有任何突兀的感覺(jué)。本節(jié)充分體現(xiàn)了物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，一門(mén)科學(xué)是否嚴(yán)謹(jǐn)必須能經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

結(jié)合圖2的v-t圖分析發(fā)現(xiàn)，相同的速度變化，需要不同的時(shí)間，可見(jiàn)速度變化的快慢不一樣。如何定量比較速度變化的快慢？教材第25頁(yè)利用“思考與討論”構(gòu)建加速度的背景，加強(qiáng)對(duì)此概念的理解。教材為了學(xué)生便于形成加速度的直觀認(rèn)識(shí)，多次采用類比速度的思維方法，同時(shí)注意與速度的區(qū)別。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)比值法的理解，在第28頁(yè)安排了“科學(xué)漫步：變化率”。

編者在編寫(xiě)教材過(guò)程中以如何定量描述物體的運(yùn)動(dòng)為線索逐層展開(kāi)，構(gòu)建概念的物理背景，設(shè)置合理的知識(shí)、能力臺(tái)階。各個(gè)概念形成一個(gè)完整的“鏈條”式知識(shí)結(jié)構(gòu)，方便學(xué)生理解各個(gè)概念之間的邏輯關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.