基于物理核心素養(yǎng)的“平拋運動”教育價值解讀

□張惠作

（越州中學(xué)，浙江紹興 312075）

深化課程改革的目標(biāo)指向立德樹人，全面提升學(xué)生核心素養(yǎng).教師要充分挖掘物理教學(xué)內(nèi)容中蘊含的教育價值，發(fā)揮物理學(xué)科的教育功能.平拋運動是典型曲線運動模型之一，研究平拋運動的方法是解決曲線運動的重要方法.著眼高中物理核心素養(yǎng)，平拋運動這節(jié)內(nèi)容蘊藏豐富的教育價值.所以，基于核心素養(yǎng)的新課程標(biāo)準(zhǔn)的課程設(shè)置中，仍然在必修2保留了這一內(nèi)容.然而，基于三維目標(biāo)的原課標(biāo)人教版教材內(nèi)容和教學(xué)實踐中尚存在不少邏輯問題，削弱了平拋運動這節(jié)內(nèi)容的教育價值.當(dāng)前，與基于學(xué)科核心素養(yǎng)的新課程標(biāo)準(zhǔn)相匹配的教材尚未出版，本文總結(jié)原課標(biāo)人教版教材及教學(xué)實踐中存在的問題，基于有效落實物理核心素養(yǎng)，分析平拋運動教學(xué)內(nèi)容中蘊含的主要教育價值，以資有效落實新課標(biāo)教育教學(xué)實踐參考.

一、模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是物理核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的要素之一，體現(xiàn)為基于現(xiàn)象事實，為了揭示其本質(zhì)，抓主略次，構(gòu)建理想模型的抽象概括過程.

把物體拋出去是日常常見的運動現(xiàn)象，從這些常見的運動中抽象概括出理想化拋體運動模型，關(guān)鍵是空氣的影響這一因素能否忽略.原課標(biāo)人教版教材和實際教學(xué)中都缺失模型建構(gòu)的過程，導(dǎo)致這一內(nèi)容應(yīng)有的教育價值沒有發(fā)揮出來.

模型建構(gòu)的舉例（實驗演示）中，不可或缺的事例是受到空氣影響不能忽略的拋體.筆者在教學(xué)中，設(shè)計以下教學(xué)邏輯層次，把模型建構(gòu)落到實處.

（1）今天我們來研究拋體運動，請大家列舉把物體拋出去的事例.

（2）下面老師拋一支筆給某同學(xué)，請該同學(xué)注意接住啊.（演示）

（3）再演示拋一片紙給這位同學(xué)，拋三次，都沒有拋到位.紙片的運動很復(fù)雜，每次都不同.問題：為什么拋出的紙片運動這么復(fù)雜呢？（空氣的影響）

（4）把紙片捏緊成紙團(tuán)，再拋，一次到位.物理學(xué)研究問題的策略是通過建立理想化模型把復(fù)雜的問題簡化以突出本質(zhì).所以，我們建立只受重力作用的拋體運動模型，當(dāng)如紙團(tuán)、筆等拋體，空氣的影響很小，忽略不計，可近似看作拋體運動.

把紙片三次拋給某學(xué)生，該學(xué)生每次都試圖接住但都沒有成功的現(xiàn)象，引發(fā)大多數(shù)學(xué)生開懷大笑，有效調(diào)動學(xué)生的積極性和好奇心.所以，在模型建構(gòu)過程中，也潛移默化融入了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)中的要素.

二、比較分類

比較分類是科學(xué)思維的重要方法之一，通過比較事物的共性與特性，對事物加以分類研究，也是從物理學(xué)視角對事物本質(zhì)、內(nèi)在規(guī)律以及相互聯(lián)系的認(rèn)識方式之一.

拋體運動的研究具有這一教育價值，教學(xué)中要體現(xiàn)出來.教師通過演示從不同方向拋出物體（如粉筆頭，拋后注意及時撿起），學(xué)生通過觀察比較，先從初速度方向不同分類為：斜上拋，斜下拋，平拋，豎直上拋，豎直下拋，然后，再從軌跡上歸類：斜上拋，斜下拋，平拋都是曲線運動，豎直上拋和豎直下拋都是直線運動.在此基礎(chǔ)上，點明下一步目標(biāo)是以平拋運動為例，學(xué)習(xí)研究曲線運動的方法.

三、研究方法

曲線運動的研究方法，屬于科學(xué)思維，是從物理學(xué)視角對事物本質(zhì)、內(nèi)在規(guī)律及相互聯(lián)系的認(rèn)識方式.“方法”能夠以程序性知識傳承，關(guān)鍵在于經(jīng)歷思維過程的內(nèi)化.把曲線運動沿二維或三維坐標(biāo)分解，是研究曲線運動的重要方法之一.通過學(xué)習(xí)這一方法，學(xué)生還能體驗分析綜合、類比推理等科學(xué)思維方法，經(jīng)歷質(zhì)疑創(chuàng)新洗禮，體會將復(fù)雜運動分解為簡單運動的物理思想.

然而，原課標(biāo)人教版教材和實際教學(xué)中，對曲線運動的研究方法的理解把握卻存在很多問題，削弱了本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的教育價值.主要存在以下兩方面問題.

第一，曲解方法，人為加難.首先，原課標(biāo)人教版教材把運動的分解與相對運動問題混為一談，[1]可謂曲解方法，使學(xué)生誤入歧途.其次，曲線運動的“化曲為直”思想實際上是非常抽象的.把解決曲線運動的分解方法，深入挖掘拔高到這一思想水平，脫離了大多數(shù)中學(xué)生的實際認(rèn)知能力水平.一直以來我國高中物理教學(xué)實踐中，都是先以“相對運動”實例，灌輸“合直為曲”思想，然后再逆向思維，強(qiáng)行灌輸“化曲為直”這一思想，然后在此思想指導(dǎo)下，去體會運動的分解方法，這有違認(rèn)知規(guī)律，人為加難，適得其反.學(xué)生不僅未形成思想，而且不解方法.所以，筆者建議，在曲線運動這一章的教學(xué)，先不要急于灌輸“化曲為直”思想，而應(yīng)把“解決曲線運動的分解方法”實實在在地落實到位，學(xué)生在學(xué)習(xí)方法過程以及掌握方法之后再提煉升華思想，體會將復(fù)雜運動分解為簡單運動的物理思想.筆者認(rèn)為，“化曲為直”比“將復(fù)雜運動分解為簡單運動”更難理解，所以，在曲線運動的教學(xué)中，教師不宜使用“化曲為直”術(shù)語，建議使用“化繁為簡”.

第二，粗枝大葉，殘缺不全.首先，缺失分解初速度和加速度的過程.其次，分解是否唯一，是否只能沿水平和豎直兩個方向分解？是否只能在相互垂直的方向分解？缺乏知識的建構(gòu)過程，不給學(xué)生質(zhì)疑機(jī)會，是知識本位的教學(xué)理念.

筆者設(shè)計本節(jié)“研究方法”的教學(xué)邏輯如下.

（1）我們在上一節(jié)“曲線運動”中初步了解了研究曲線運動的方法：建立平面直角坐標(biāo)系，把位移、速度和加速度（合力）沿坐標(biāo)軸方向分解.本節(jié)具體的運用這種方法.

（2）下面，請注意觀察平拋軌跡，并在筆記上畫出示意圖.教師演示，并在黑板上畫出軌跡示意圖.以拋出點為坐標(biāo)原點，畫出平面直角坐標(biāo)系，畫出某一時間內(nèi)的位移，并分解，再畫出該時間末時刻速度，并分解.畫出初速度，分解得水平分初速度v0x=v0，豎直分初速度v0y=0；畫出加速度，并分解，水平分加速度ax=0，豎直分加速度ay=g.

（3）綜合剛才分解得到的信息與自由落體運動和勻速直線運動條件進(jìn)行類比，請大家猜想：水平分位移和水平分速度的變化規(guī)律，豎直分位移和豎直分速度的變化規(guī)律與你學(xué)過的哪個直線運動規(guī)律一樣？水平方向和勻速直線一樣，豎直和自由落體一樣.通常，我們把這樣的結(jié)論表述為：水平分運動是勻速直線運動，豎直分運動是自由落體運動.所以，我們猜想，平拋運動可以分解為水平方向勻速直線運動和豎直方向自由落體運動.

（4）假定猜想正確，設(shè)計實驗證明.實驗表明，猜想與假設(shè)正確.

（5）質(zhì)疑創(chuàng)新.研究平拋運動只能沿水平和豎直建立平面直角坐標(biāo)系嗎？比如，能否沿斜向上30°方向為x軸建立坐標(biāo)系呢？假如可以這樣建立，我們再猜想一下，分位移、分速度變化規(guī)律和哪些直線運動相同？兩個分運動都是初速度都不為零的勻變速直線運動，顯然比沿水平和豎直兩個方向建立坐標(biāo)系分解結(jié)果復(fù)雜，所以，為了研究的簡便，一般來說，我們研究拋體運動時沿水平和豎直兩個方向建立直角坐標(biāo)系.

值得指出，對平拋運動，無論沿什么方向的正交分解，抑或是斜分解，其分運動性質(zhì)及其規(guī)律，都是理論分析和實驗驗證相統(tǒng)一的正確結(jié)論.如果我們的教學(xué)、課后練習(xí)及考試，千方百計，千錘百煉，使得所有學(xué)生都對平拋運動的分解結(jié)論形成僵化的、唯一的認(rèn)識“水平方向勻速直線運動和豎直方向自由落體運動”，舍此無他，足見以往物理教學(xué)對“研究方法”的謬傳和對學(xué)生思想的禁錮.

四、科學(xué)探究

“科學(xué)探究”是物理核心素養(yǎng)的四個方面之一，是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.

“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.

物理核心素養(yǎng)的表述內(nèi)容是四面一體.四個方面其實是一體的不同面，各面有差異，但各面背后卻融為一體，你中有我，我中有你.比如，科學(xué)探究，是物理學(xué)研究方法的發(fā)展與推廣，是物理學(xué)基本認(rèn)識方式之一，是科學(xué)思維中的重要組成.但科學(xué)探究的諸要素中，都離不開科學(xué)思維素養(yǎng)的支撐.

平拋運動的教學(xué)內(nèi)容，是能夠完整凸顯科學(xué)探究素養(yǎng)的知識載體，具有很強(qiáng)的承載科學(xué)探究諸要素的張力.這一節(jié)的實際教學(xué)中，落實科學(xué)探究素養(yǎng)存在的主要問題是目標(biāo)設(shè)置不當(dāng)，有兩種極端表現(xiàn)。其一，常規(guī)課中基本不探究；其二，公開課中探究的力度過猶不及，顧此失彼，導(dǎo)致對其他方面素養(yǎng)的忽視.落實物理核心素養(yǎng)，既要深挖廣掘教學(xué)內(nèi)容的教育價值，也要酌情考慮，統(tǒng)籌安排，合理布局，量力而行，確定各方面素養(yǎng)要素配比恰當(dāng)與容量恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)目標(biāo)，“如烹小鮮”.原課標(biāo)人教版教材編排兩節(jié)內(nèi)容，“平拋運動”和“研究平拋運動”，按照新課程標(biāo)準(zhǔn)來看，也是安排兩節(jié)，筆者猜想這兩節(jié)的標(biāo)題為“平拋運動”和“探究平拋運動的特點”.

綜合考慮，筆者建議，落實科學(xué)探究素養(yǎng)諸要素要兩節(jié)統(tǒng)籌布局，各有側(cè)重，避免每一節(jié)都全面開花.

“平拋運動”這一節(jié)教學(xué)，重點落實提出問題、形成猜想和假設(shè)和基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋要素，在落實這些要素中，要以學(xué)生獨立思考、交流討論、表達(dá)觀點為主.在設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息要素，以教師為主.順便指出，教師提供的信息最好是頻閃照片（如圖1）.此圖片為學(xué)生提供了直觀感性材料，便于學(xué)生直觀地感受豎直分位移和水平分位移的變化規(guī)律.其實，位置、位移這兩個概念比速度概念更加感性，原課標(biāo)人教版教材上，先研究平拋速度分解合成，后研究位移分解合成，有違從感性到抽象的認(rèn)知規(guī)律.

圖1

“研究平拋運動”（或“探究平拋運動的特點”）這一節(jié)教學(xué)，重點落實設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋要素.實驗?zāi)繕?biāo)（問題、猜想假設(shè)）、器材等，教師開門見山，直接呈現(xiàn)給學(xué)生.

五、解釋現(xiàn)象和解決問題

解釋現(xiàn)象和解決問題的過程，是學(xué)生形成物理核心素養(yǎng)的必要過程，解釋現(xiàn)象和解決問題的能力水平，是學(xué)生物理核心素養(yǎng)水平的體現(xiàn).物理觀念是從物理學(xué)視角解釋現(xiàn)象和解決問題的基礎(chǔ)，運用物理觀念解釋和解決問題過程，必然需要模型建構(gòu)、分析綜合、邏輯推理等科學(xué)思維，甚至經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程.挑戰(zhàn)性的問題解決，需要強(qiáng)烈的學(xué)科興趣、堅持不懈的科學(xué)精神、團(tuán)隊合作的精神等.所以，解釋現(xiàn)象和解決問題極具培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的功能，但能否充分發(fā)揮這一功能，與以下三個“度”密切相關(guān).

第一，解釋現(xiàn)象的復(fù)雜程度和問題的難度.現(xiàn)象太復(fù)雜，難度太大，學(xué)生產(chǎn)生畏懼心理，喪失學(xué)習(xí)物理的興趣，不僅無法發(fā)揮培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的功能，而且成為物理核心素養(yǎng)形成的殺招.根據(jù)SOLO理論，筆者認(rèn)為，平拋運動的習(xí)題，最簡單的運用，也屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平.從知識結(jié)構(gòu)上，要綜合運用分運動規(guī)律，屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，從能力上，分析與綜合能力是必須的，在過去的高考大綱里，分析與綜合能力是重點考核的能力，能力程度至少屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平.教學(xué)實踐表明，有不少學(xué)生對“落地速度”迷思不解，對從斜面高處拋出，落到斜面低處，從斜面外拋出，垂直撞到斜面等情景，其中的信息斜面傾斜角往往不得要領(lǐng).以基于物理核心素養(yǎng)的物理教育理念而論，物理教師科學(xué)把控習(xí)題難度、梯度，才能發(fā)揮“解釋現(xiàn)象和解決問題”的育人功能.

第二，現(xiàn)象、問題情境的真實度.聯(lián)系實際，貼近生活、生產(chǎn)實踐的現(xiàn)象、問題情境，使學(xué)生覺得物理有用.新課標(biāo)在“實施建議”部分的“教學(xué)建議”中指出，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.應(yīng)用物理知識解決具體問題應(yīng)結(jié)合具體的實際情境.運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學(xué)生將情境與知識相聯(lián)系的水平.

第三，解釋現(xiàn)象和解決問題思維路徑的清晰度.解釋現(xiàn)象要條理清晰，推理嚴(yán)密，避免囫圇吞棗，霧里看花.解決具體問題時，細(xì)致地展現(xiàn)思維路徑，讓學(xué)生把握思維路徑中的關(guān)鍵路標(biāo)和某些疑難路段的方法策略.比如，平拋物體的飛行時間取決于哪些因素？先要暴露不同類型學(xué)生的不同思路和結(jié)論.有學(xué)生根據(jù)水平分位移規(guī)律，認(rèn)為與初速度和水平射程有關(guān)，初速度越大，時間越短.他們的思維過程有以下問題，其一，在運用水平位移規(guī)律時，沒有確認(rèn)位移一定前提下，就得出時間與速度成反比，推理不嚴(yán)密.其二，思維缺乏多角度分析與綜合，沒有考慮從多角度分析時間，如果考慮到，從豎直位移公式分析時間，會得出與水平結(jié)論不同的認(rèn)識，就會重新思考問題出在何處，培育自我反思習(xí)慣和能力.從豎直位移規(guī)律得出時間取決于豎直位移，進(jìn)而反思，認(rèn)識到水平位移和初速度成正比的關(guān)系.還要經(jīng)歷通過實驗，驗證水平位移和初速的密切關(guān)系.

通過以上五個主要方面的教育價值的落實，學(xué)生在提升能力的過程中，頭腦中形成的拋體模型、運動規(guī)律、化繁為簡的思想以及對力與運動關(guān)系的進(jìn)一步升華，都屬于物理觀念方面的素養(yǎng).可見，在理解物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵時，要結(jié)合學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，注意素養(yǎng)的整體性.在四個方面中，物理觀念代表物理知識的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，科學(xué)思維和科學(xué)探究是關(guān)鍵能力，科學(xué)態(tài)度和責(zé)任是必備品格.四個方面互相依賴，共同發(fā)展.[2]

［1］張惠作.“曲線運動”教學(xué)邏輯的設(shè)計［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（12）：30-32.

［2］胡衛(wèi)平.物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與表現(xiàn)［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（8）:1-3.