落實核心素養(yǎng)的習(xí)題教學(xué)：過程、模型和思維
——以魯科版必修二“圓周運(yùn)動”章節(jié)為例

江 翔 王玉輝

（永安市第一中學(xué)，福建 永安 3660 0 0）

物理習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，也是落實學(xué)生“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等核心素養(yǎng)的重要途徑。傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)“重結(jié)論、輕過程”“重知識、輕方法”“重解析、輕探究”［1］，導(dǎo)致學(xué)生主動性不夠，缺少內(nèi)在思維和知識方法發(fā)現(xiàn)探究的過程，影響習(xí)題課的教學(xué)效率，使物理課堂教學(xué)失去育人的價值。在核心素養(yǎng)導(dǎo)向的習(xí)題教學(xué)中，將知識情境化是知識活化并轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的必經(jīng)途徑。［2］本文嘗試在基于提升核心素養(yǎng)的習(xí)題教學(xué)中，通過創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生知識方法和技能獲取的過程，讓學(xué)生親歷物理規(guī)律的理解和應(yīng)用過程，并在此過程中注重培養(yǎng)學(xué)生建模的思想，通過變式類比的題型訓(xùn)練，掌握研究實際問題的思想方法，提升解決問題的遷移能力，達(dá)到舉一反三、觸類旁通的目的，從而拓展思維能力。最后通過實驗助力建模，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識和品質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。下面以高一物理“圓周運(yùn)動”習(xí)題教學(xué)為例進(jìn)行闡述。

一、過程情境：激發(fā)求知欲和轉(zhuǎn)變“物理觀念”

實際生活是學(xué)生學(xué)習(xí)的最好情境，教學(xué)應(yīng)與現(xiàn)實生活連接，創(chuàng)設(shè)來源于生活實踐的物理習(xí)題，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)并養(yǎng)成解決實際問題的能力。

（一）水平面上圓周運(yùn)動：汽車轉(zhuǎn)彎

水平轉(zhuǎn)臺上物塊隨轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動如圖1和汽車轉(zhuǎn)彎如圖2，這類水平面的圓周運(yùn)動問題，可以選擇汽車轉(zhuǎn)彎的習(xí)題情境來分析和訓(xùn)練。

例1：《今日說法》專欄曾報道了在長沙某公路上連續(xù)發(fā)生了八次大卡車側(cè)翻的的交通事故，在陳先生家門口公路轉(zhuǎn)彎處外側(cè)，現(xiàn)場示意圖如圖2所示，人們提出了整改建議來防止事故再次發(fā)生，下列建議合理的是（ ）。

圖1

圖2

A.轉(zhuǎn)彎處設(shè)立限載標(biāo)志，要求降低車載物品的重量

B.增大車輪與路面間的摩擦

C.轉(zhuǎn)彎處設(shè)立限速牌，提示司機(jī)不要超速轉(zhuǎn)彎

D.設(shè)計彎道路面外高內(nèi)低

通過選擇這道聯(lián)系生活的汽車轉(zhuǎn)彎習(xí)題，學(xué)生的興趣和思考被激發(fā)，學(xué)生樂于探究轉(zhuǎn)彎向心力來源的分析及安全轉(zhuǎn)彎的速度計算，提出改變路面間摩擦、設(shè)立限速標(biāo)志及改造彎道路面設(shè)計如圖3的合理建議，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

圖3

（二）豎直面上圓周運(yùn)動：汽車過拱形橋和凹形橋

教師：播放①播放汽車慢速行駛安全通過拱形橋；②汽車快速通過拱形橋頂點時水平飛出橋面。

例2：一段圓弧半徑為R=10m的拱形橋頂部，如圖4(a)，小汽車行駛到橋頂時的速度為v（g取10m/s2），以下說法不正確的是（ ）。

A.當(dāng)v=10m/s時，重力等于車對橋面的壓力

B.無論速度多大，重力有可能小于車對橋面的壓力

C.當(dāng)v=12m/s時，車不能安全通過拱形橋

D.當(dāng)v=5m/s時，車對橋面的壓力是重力的0.75倍

通過播放聯(lián)系生活的汽車過拱形橋視頻并滲透安全教育，其中脫離橋面的視頻給學(xué)生以震憾，說明汽車過拱橋要有一定安全速度，激發(fā)了學(xué)生求知欲，習(xí)題中選項問題可通過式子來分析，并得出N=0時是汽車安全通過拱形橋的臨界。再將習(xí)題拓展到凹橋情境如圖4(b)，由得出汽車N＞mg，汽車處于超重狀態(tài)，當(dāng)汽車速度越大時，橋面給輪胎作用力N就越大，輪胎就有可能爆胎，從而體會到物理學(xué)習(xí)的現(xiàn)實意義和價值。

二、類比模型：促進(jìn)知識內(nèi)化和提升“科學(xué)思維”

習(xí)題教學(xué)可以采用變式來創(chuàng)新習(xí)題情境，教師通過對題目的適當(dāng)引申、變式、拓展，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)對不斷變換的習(xí)題情境，使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)變得系統(tǒng)化，善于歸納形異而質(zhì)同習(xí)題的解題規(guī)律和方法，拾級而上，將思維逐漸引向深入。

（一）一題多變

以水平轉(zhuǎn)臺上物塊隨轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動的習(xí)題入手變式，探究物體即將開始滑動時臨界條件及角速度等的計算。如圖5所示，改變物體受力條件、轉(zhuǎn)動物體個數(shù)和質(zhì)量，從沒有繩子牽連到有繩子牽連，由一個物塊到多個物塊，習(xí)題設(shè)置由淺入深，層層遞進(jìn)，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，因為學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己再跳一跳就能夠到，內(nèi)驅(qū)力促使學(xué)生知識內(nèi)化，提高了學(xué)習(xí)的效率。

圖5

（二）多題歸一

以外高內(nèi)低的路面上汽車轉(zhuǎn)彎問題變式到火車轉(zhuǎn)彎問題，再類比拓展到圓錐擺運(yùn)動問題，如圖6。雖然這些模型的情境不同，但受力情況相同，解答所用的物理規(guī)律相同，創(chuàng)設(shè)多題歸一的變式情境，可以實現(xiàn)觸類旁通的教學(xué)目的。［3］

圖6

還可將圓錐擺模型如圖7拓展變式1到兩小球的圓錐擺運(yùn)動，分析兩小球線速度和角速度關(guān)系等，再變式到游樂場“飛天秋千”的模型，多方位變式情境以內(nèi)化知識，培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì)。再創(chuàng)新變式2到小球剛好沒有受到圓錐體的支持力，將習(xí)題轉(zhuǎn)化為小球在光滑的圓錐面上做圓周運(yùn)動的臨界問題，使研究問題進(jìn)一步深化。還可把圓錐筒斜面的支持力與繩子的拉力等效，將模型等效為如圖7中的“飛車走壁”，相似受力情境的變式，提升學(xué)生應(yīng)用該模型的遷移能力，培養(yǎng)了學(xué)生思維的靈活性。

圖7

三、實驗思維：促進(jìn)知識建構(gòu)和養(yǎng)成“科學(xué)探究”

習(xí)題教學(xué)通過創(chuàng)設(shè)實驗?zāi)M生活情境進(jìn)行輔助教學(xué)，讓學(xué)生親自觀察，親身體會，有助于調(diào)動學(xué)生參與探究的欲望，激活學(xué)生的形象思維，幫助理解知識方法，產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果。

例3：游樂場的過山車運(yùn)行到圓周最高點時，游客頭朝下而人不會掉下來（如圖8甲）。把它抽象成曲面軌道和圓軌道平滑相連接于B點的模型如圖8乙所示。讓質(zhì)量為m的小球從曲面軌道上的C點靜止滑下，沿著圓形軌道通過圓周的最高點A，圓軌道的半徑為R，CB兩點的高度差h=3R，運(yùn)動過程中摩擦和空氣阻力不計，求：①小球通過A時對圓軌道的壓力有多大？②試分析在圓周運(yùn)動的過程中軌道受到小球壓力最大在哪個位置？

圖8

教師：展示例3后，播放一段“過山車”視頻后，再實物展示過山車的軌道模型如圖9，讓小球從斜軌某一高度靜止釋放，模擬過山車運(yùn)動。提出問題：從不同高度釋放是否影響小球過圓周運(yùn)動的最高點？并讓學(xué)生實驗。［4］

學(xué)生：①學(xué)生自行設(shè)計幾個不同高度（高、中、低）滑下進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)高度會影響小球過圓周最高點。

②DIS實驗：在圓周軌道從B點位置開始每隔45°設(shè)置一個壓力傳感器，記錄不同位置處軌道受到小球壓力的讀數(shù)變化。

圖9

（一）變抽象為具體，幫助建模

在習(xí)題教學(xué)中，有些題目的圖景比較難建構(gòu)，導(dǎo)致解題建模受阻，學(xué)生借助實物演示有利于建構(gòu)“過山車”模型是豎直面上圓周運(yùn)動的“繩模型”如圖10，通過創(chuàng)設(shè)實驗?zāi)M的情境，把抽象的過程更形象地呈現(xiàn)出來，有助于學(xué)生感知過程、積極探究，建立“繩模型”后，由牛頓第二定律可得：在最高點A點：mg+和機(jī)械能守恒定律可得解出第（1）問。

圖10

（二）助力習(xí)題結(jié)論的驗證

第（2）問中問題可以從理論探究和實驗探究驗證兩方面來完成。一是通過機(jī)械能守恒定律得vB在整個圓周運(yùn)動中速度最大和可得在最低點小球?qū)壍赖膲毫ψ畲?。二是軌道的不同位置安裝好壓力傳感器，通過DIS實驗，得到一系列壓力大小的數(shù)據(jù)，可以將原本定性的結(jié)論變?yōu)槎繑?shù)據(jù)，再次驗證理論推導(dǎo)的結(jié)論，深化規(guī)律的理解和應(yīng)用。

總之，在落實核心素養(yǎng)的習(xí)題教學(xué)實踐中，要樹立“過程比結(jié)果更重要，模型比題型更重要，思路比套路更重要”的意識，通過創(chuàng)設(shè)各種情境，引導(dǎo)學(xué)生在解題過程中糾正日?！拔锢碛^念”，建立模型，學(xué)會“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”，通過一題多變和多題歸一習(xí)題訓(xùn)練，能從不斷變化的習(xí)題情境中找出“不變”的規(guī)律方法，形成以不變應(yīng)萬變的高效解題策略，提高了習(xí)題教學(xué)的有效性，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識和創(chuàng)新思維能力，從而有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的提高。