核心素養(yǎng)導(dǎo)向下提高初中生物理計(jì)算能力的策略研究

摘 要：物理核心素養(yǎng)的提出為物理教學(xué)注入了新鮮血液，本文基于物理核心素養(yǎng)體系論述了提高初中生物理計(jì)算能力的策略。重點(diǎn)在概念教學(xué)、培養(yǎng)物理學(xué)科思維、重視物理原始問題三個方面闡述了如何提高初中學(xué)生的計(jì)算能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);初中物理;計(jì)算能力

核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力。發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的主要途徑落在了學(xué)科教學(xué)上，其中物理學(xué)科作為自然科學(xué)的重要組成部分，將毫無疑問承擔(dān)起重要的責(zé)任。因此，近年來基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)研究成為物理教育工作者的研究熱點(diǎn)，并且基于核心素養(yǎng)體系要求和物理學(xué)科的特點(diǎn)形成了物理核心素養(yǎng)體系，其中包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個維度的內(nèi)容。同時(shí)，各省市的《初中畢業(yè)生學(xué)業(yè)考試說明》對初中生物理計(jì)算能力的考察均有明確的要求，并且表現(xiàn)出遞增的態(tài)勢。比如，蘭州市在《2019年蘭州市初中畢業(yè)生學(xué)業(yè)考試說明》文件中對學(xué)生物理計(jì)算能力考察的要求是“能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)方法表達(dá)、分析和處理簡單的物理問題，是區(qū)分學(xué)生學(xué)習(xí)能力的重要依據(jù)”。物理計(jì)算能力是一項(xiàng)綜合能力的體現(xiàn)，主要包含數(shù)學(xué)應(yīng)用能力、語言分析能力、邏輯判斷能力、思維轉(zhuǎn)化等能力。計(jì)算能力作為學(xué)生解決物理問題必備的基本能力，實(shí)際情況卻不容樂觀，計(jì)算的正確性、合理性、簡捷性等方面都存在著較大的問題。有鑒于此，本文重點(diǎn)探討了如何基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)來提升初中生物理計(jì)算能力的幾點(diǎn)策略，以便為廣大師生提供一些參考。

一、 基于物理核心素養(yǎng)，重視概念教學(xué)

物理核心素養(yǎng)要素之一是物理觀念，要求學(xué)生對物理知識形成基本認(rèn)識，并能夠?qū)⑵渲泻诵母拍詈鸵?guī)律進(jìn)行提煉和升華。計(jì)算題作為考查學(xué)生計(jì)算能力的直接形式，表面上看考查的是學(xué)生的數(shù)字運(yùn)算能力，但實(shí)質(zhì)上是在考查學(xué)生對物理學(xué)科基本概念和規(guī)律的掌握情況，學(xué)生只有在透徹理解物理概念的基礎(chǔ)上，才能在解決物理問題過程中準(zhǔn)確地找到理論依據(jù)。例如：初中階段常考查的需要通過密度的計(jì)算來解決的實(shí)際問題有以下四類：①求龐大物體的質(zhì)量;②求形狀不規(guī)則或較大物體的體積;③鑒別物質(zhì);④判斷金屬球是否空心。如果在概念教學(xué)階段，教師只是給學(xué)生擺出“密度”的定義是“某種物質(zhì)組成的物體的質(zhì)量與它的體積之比”，公式為“ρ=m/V”，ρ、m、V分別表示什么物理量以及計(jì)算注意事項(xiàng)等，學(xué)生根本不理解“密度”這一概念的本質(zhì)，也就不知道如何利用密度的計(jì)算來解決問題。教學(xué)中如果讓學(xué)生有了“密度是表示物質(zhì)分布疏密程度的比值定義的量，是物質(zhì)的固有屬性，與物質(zhì)的質(zhì)量、體積、位置變化無關(guān)，與物質(zhì)的種類、狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素有關(guān)”這樣上位概念的理解，學(xué)生便很容易通過計(jì)算來解決實(shí)際問題。學(xué)生有了對物理概念和規(guī)律的基本理解，一方面從根本上清除了處理問題過程中遇到的知識障礙，為提升學(xué)生計(jì)算能力鋪墊了基石;另一方面，也促進(jìn)學(xué)生物理觀念的建構(gòu)，發(fā)展了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

二、 基于物理核心素養(yǎng)，培養(yǎng)物理學(xué)科思維

發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)，最關(guān)鍵的是要提升學(xué)生的物理思維。物理思維分為形象思維和抽象思維，形象思維包括感覺、記憶、圖形、空間、想象等;而抽象思維包含分析、綜合、演繹、歸納、推理、判斷、數(shù)學(xué)運(yùn)算等。不難看出，提升學(xué)生計(jì)算能力的過程就是培養(yǎng)學(xué)生物理思維的過程。

（一） 學(xué)會思維轉(zhuǎn)化，將簡單文字轉(zhuǎn)化為物理情境

大多數(shù)物理計(jì)算問題是以文字描述的形式呈現(xiàn)的。解決物理問題的過程，其實(shí)就是思維轉(zhuǎn)化的過程，要求學(xué)生把題目中抽象的文字轉(zhuǎn)化為物理情境或物理模型，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語言，必要時(shí)還需要借助草圖（如：力的示意圖，電路圖等）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，最后把結(jié)論回歸到真實(shí)問題情境中。在教學(xué)過程中，可要求學(xué)生將題目的已知條件、目標(biāo)、用到的公式寫出，使思考過程更加清晰。另外，需要學(xué)生注意的是在寫已知條件時(shí)一定要注意單位的換算和統(tǒng)一，以此來保障計(jì)算的準(zhǔn)確性。例如：如圖1所示，底面積為400cm2的容器中裝有50cm深的水，水中有一個密度為0.6×103kg/m3，體積為4×10-3m3的木塊被細(xì)線系著處于靜止?fàn)顟B(tài)，試求：（1）水對容器底面的壓強(qiáng);（2）繩子的拉力。本題就是在考察學(xué)生的思維轉(zhuǎn)變能力，學(xué)生首先要把文字描述轉(zhuǎn)化為物理情境，寫出已知條件：S容=4×10-2m2;h=0.5m;ρ木=0.6×103kg/m3;V木=4×10-3m3;ρ水=1.0×103kg/m3。目標(biāo)：p;F拉。此時(shí)學(xué)生很容易根據(jù)公式p=ρgh將第（1）問求出，但在求第（2）問繩子的拉力時(shí)，學(xué)生如果不借助示意圖對木塊進(jìn)行受力分析（F拉=F浮-G），就會出現(xiàn)思維混亂、無從下手的情況。因此，教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生對物體受力分析的習(xí)慣。受力分析是學(xué)生解決力學(xué)問題必備的習(xí)慣和素養(yǎng)，也是學(xué)生以后走入高一級的學(xué)校學(xué)習(xí)的必備品格和關(guān)鍵能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的有序思維。

（二） 注重物理模型建構(gòu)，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型

物理模型是反映原物某方面本質(zhì)特征的理想物質(zhì)（過程）或假設(shè)結(jié)構(gòu)，是對實(shí)際問題進(jìn)行科學(xué)的抽象化處理的結(jié)果，運(yùn)用了忽略次要因素、突出主要因素的簡化方法，有利于對實(shí)際問題的分析和研究。在教學(xué)過程中，構(gòu)建物理模型是研究物理問題時(shí)常用的思維方法。學(xué)生在了解物理情境的基礎(chǔ)上，能快速抽象與之對應(yīng)的物理模型，往往是解決物理問題的關(guān)鍵。如圖2所示：身高1.7m，質(zhì)量為50kg的小明同學(xué)做俯臥撐運(yùn)動，他的重心在A點(diǎn)，若他將身體撐起，地面對手的作用力至少多大？這個問題只有把小明抽象成支點(diǎn)為O、阻力（重力）作用在重心A點(diǎn)的杠桿時(shí)，學(xué)生才能根據(jù)杠桿平衡條件解決問題。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)物理模型內(nèi)涵的研究，厘清各種常見模型（如：運(yùn)動模型中的勻速直線運(yùn)動;結(jié)構(gòu)模型中的串、并聯(lián)電路;條件模型中的光滑模型等），強(qiáng)化學(xué)生對物理模型觀念的理解。學(xué)生通過物理模型的建構(gòu)過程反過來又會促進(jìn)對物理概念和規(guī)律的深刻理解，從而促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用物理模型解決實(shí)際問題的能力，提高物理核心素養(yǎng)。

（三） 發(fā)展創(chuàng)新能力，多角度思考問題

創(chuàng)新能力包括創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能三部分內(nèi)容，其核心是創(chuàng)新思維。創(chuàng)新思維的培養(yǎng)需要教師在日常物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度、不同的層面看待問題，獨(dú)立思考、敢于創(chuàng)新，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、自主性、獨(dú)創(chuàng)性。例如：體積為1.2L的容器中，能否裝下1.1kg的酒精，已知酒精密度為0.9×103kg/m3。學(xué)生遇到這樣的問題，一般情況會根據(jù)密度公式變形“V=m/ρ”計(jì)算出酒精的體積判斷能否裝下，這樣單一的訓(xùn)練局限了學(xué)生思維的發(fā)展。如果在設(shè)計(jì)問題時(shí)加上“請用多種方法求解”，就會促使學(xué)生進(jìn)一步思考，還可以從比較密度或比較質(zhì)量的角度去思考，這時(shí)學(xué)生思維更開闊、方法更多樣，在實(shí)際情境中獲得解決問題的真實(shí)體驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展，一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

三、 基于物理核心素養(yǎng)，重視物理原始問題

核心素養(yǎng)的提出給物理教學(xué)注入了新鮮血液。同時(shí)，研究表明：原始物理問題與核心素養(yǎng)的內(nèi)涵十分契合，注重培養(yǎng)學(xué)生在面對復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實(shí)問題時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合品質(zhì)。傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)雖然能促進(jìn)學(xué)生計(jì)算能力的提高，但是由于缺乏對學(xué)生思維發(fā)散能力的培養(yǎng)，學(xué)生在知識的遷移和實(shí)際物理問題面前顯得力不從心，無形之中限制了學(xué)生計(jì)算能力的提升。由于原始物理問題的生態(tài)性，恰恰能彌補(bǔ)這一缺失。原始物理問題通過將習(xí)題嚴(yán)格控制在物理現(xiàn)象中，并且經(jīng)過抽象又可以變?yōu)榱?xí)題的特點(diǎn)，一定程度上可以促進(jìn)對物理知識的內(nèi)化。

例如：將阻值均為12Ω的兩個電熱絲，分別串聯(lián)和并聯(lián)在電壓均為24V的電源兩端，通電10min后，哪種連接方式產(chǎn)生的熱量多，多了多少？將其改編為：住宿樓樓道里的燈常常徹夜通明，因而極易損壞。有經(jīng)驗(yàn)的電工師傅采用把兩只相同的燈泡串聯(lián)后再接入電路的方法，使其使用壽命延長，省去了頻繁更換燈泡的麻煩。其中的道理是什么？自主設(shè)置物理量寫出推導(dǎo)過程。首先，要明白問題是什么？燈泡壽命的長短與產(chǎn)生熱量的多少密切相關(guān)，在相同的時(shí)間內(nèi)就是比較熱功率的高低。通過比較熱功率的高低將生活和物理聯(lián)系在一起。其次，要明確串聯(lián)與并聯(lián)電路相比，哪些物理量發(fā)生了變化，兩個相同的燈泡在串聯(lián)和并聯(lián)電路中相比串聯(lián)電路中的總電阻變大，熱功率變小，因此兩個燈泡在串聯(lián)電路中的壽命更長。

在這個案例中學(xué)生根據(jù)生活現(xiàn)象的描述，提取有效信息，發(fā)現(xiàn)背后隱藏的物理問題，綜合運(yùn)用物理知識與方法去解釋現(xiàn)象，從而提高解決實(shí)際問題的能力和對物理知識的認(rèn)同感。這恰恰就是物理核心素養(yǎng)中要求的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。原始物理問題源于生活，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以使學(xué)生積極主動地思考抽象出類似物理習(xí)題的模型，避免了學(xué)生通過“題海戰(zhàn)術(shù)”提升計(jì)算能力造成的局限性。

本文提出的基于核心素養(yǎng)下初中學(xué)生物理計(jì)算能力的培養(yǎng)策略，著眼于學(xué)生長遠(yuǎn)的發(fā)展，以“通過概念的理解，著重培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維，強(qiáng)調(diào)物理原始問題的重要性”為具體措施，將提升學(xué)生核心素養(yǎng)作為貫穿教師日常教學(xué)的基本準(zhǔn)則，有利于學(xué)生良好計(jì)算習(xí)慣的養(yǎng)成，有序計(jì)算思維的培養(yǎng)，遷移應(yīng)用能力的提升，最終在提高計(jì)算能力的同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升。

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作者簡介：

馮平，甘肅省蘭州市，蘭州市第六十二中學(xué)。