基于物理真實(shí)情境的習(xí)題教學(xué)實(shí)踐研究

◇ 海南 朱世軍

新版的高中物理教材《必修二》中有這么一道題,很多學(xué)生都反映不知道如何下手．

原題木星的衛(wèi)星中有4顆是伽利略發(fā)現(xiàn)的,稱為伽利略衛(wèi)星,其中三顆衛(wèi)星的周期之比為1∶2∶4.小華同學(xué)打算根據(jù)萬有引力的知識計(jì)算木衛(wèi)二繞木星運(yùn)動(dòng)的周期,他收集到了如下一些數(shù)據(jù)．

木衛(wèi)二的數(shù)據(jù):質(zhì)量為4.8×1022kg、繞木星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為6.7×108m．

木星的數(shù)據(jù):質(zhì)量為1.9×1027kg、半徑為7.1×107m、自轉(zhuǎn)周期為9.8 h.

但他不知道應(yīng)該怎么做,請你幫助他完成木衛(wèi)二運(yùn)動(dòng)周期的計(jì)算．

這道題與我們往常遇到的習(xí)題不太一樣．題目有超量的信息,有些信息在解題中始終沒有用上,其信息量不是剛好符合理想規(guī)律和理想模型．這種類型的習(xí)題就是基于物理真實(shí)情境,即非理想化情境設(shè)置的．

真實(shí)情境就是該情境和學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)和生活有著某種真實(shí)的聯(lián)系,具有真實(shí)感,一般具有以下基本特征:

1)熟悉性．情境是真實(shí)存在的,一般是實(shí)際生產(chǎn)生活或科技工作中能切切實(shí)實(shí)看得見,或者能感受到的．學(xué)生可以在生活中觀察到,或者可以通過照片、視頻得以重現(xiàn)或構(gòu)建,與學(xué)生熟悉的知識和經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系．如果真實(shí),但學(xué)生不熟悉,不能為學(xué)生所認(rèn)識,就失去了真實(shí)情境的意義,不能給學(xué)生以真實(shí)的感受．

2)原始性．真實(shí)情境只是存在,未經(jīng)修飾,其中物理量的數(shù)據(jù)并不已知,也沒有選擇項(xiàng),需要自己選擇工具進(jìn)行測量,數(shù)值也未必是剛剛好的,通常也不方便計(jì)算．

3)開放性．真實(shí)情境包含的信息可能涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、歷史等內(nèi)容．單單物理方面的信息,也是多種多樣的,比較復(fù)雜．比如上題中木星與衛(wèi)星的已知信息,就存在信息超量的情況,真實(shí)情境中信息還要更多．真實(shí)情境中包含的信息是多元的,是開放的,需要進(jìn)行信息的選擇．從問題的答案來說也不是固定的,會(huì)隨著具體情形有所變化．

我們以公共汽車車廂中吊環(huán)的運(yùn)動(dòng)為例．吊環(huán)時(shí)而豎直懸掛,時(shí)而向后偏離,時(shí)而向前偏離,或者偏離后不穩(wěn)定還會(huì)來回?cái)[動(dòng)．其運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的、多樣的,其偏離的角度也往往不確定．但這才是真實(shí)的情境,是我們乘坐公共汽車或地鐵都能看得到的．

2 新課程改革對真實(shí)情境的新要求

物理源于生活,又高于生活．要提高學(xué)生實(shí)際運(yùn)用知識的能力,就需要在具體的物理真實(shí)情境中加強(qiáng)訓(xùn)練,從真實(shí)情境中提煉知識,將物理規(guī)律運(yùn)用于真實(shí)情境．作為教學(xué)行動(dòng)綱領(lǐng)的課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出了對真實(shí)情境的要求．在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的命題建議中要求:“試題的情境要具有一定的問題性、真實(shí)性、探究性或開放性．通過學(xué)生在應(yīng)對復(fù)雜現(xiàn)實(shí)情境,參與相應(yīng)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中的外在表現(xiàn)來考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)．因此,評價(jià)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),應(yīng)盡量創(chuàng)設(shè)類型多樣的、具有一定復(fù)雜程度的、開放性的真實(shí)情境作為試題的任務(wù)情境．”在科學(xué)探究維度學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5中也明確要求:“能面對真實(shí)情境,從不同角度提出并準(zhǔn)確表述可探究的物理問題,作出科學(xué)假設(shè)．”習(xí)題教學(xué)基于真實(shí)情境,可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力,聚焦學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．但對比學(xué)生做題的情況來看,與我們的期待仍有一定的差距,需要探討和加強(qiáng)真實(shí)情境下的物理習(xí)題教學(xué)．

3 基于物理真實(shí)情境的習(xí)題教學(xué)策略

習(xí)題教學(xué)的主要目的是在運(yùn)用中復(fù)習(xí)與鞏固知識,提高探究能力和解決問題的能力．針對學(xué)生目前面臨的困境,結(jié)合個(gè)人教學(xué)實(shí)踐,提出下列教學(xué)策略．

首先是要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境．真實(shí)物理情境需要選擇學(xué)生生活中熟悉的,或者通過學(xué)習(xí)已經(jīng)了解的情境．創(chuàng)設(shè)的手段與形式是多樣化的,可以從教室、實(shí)驗(yàn)室延伸到家庭、社區(qū)、工廠、研究所等場所,也可以充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)上發(fā)掘好的素材,甚至是學(xué)生熟悉的游戲題材．

其次是利用建模的知識進(jìn)行轉(zhuǎn)換．學(xué)生往往已經(jīng)習(xí)慣理想模型問題,一旦遇到真實(shí)背景的原始問題往往不知所措．這時(shí)需要將真實(shí)物理情境下的原始問題轉(zhuǎn)換到理想化情境下的理想模型,實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)的“鏈接”．模型建構(gòu)主要是從實(shí)際問題中抽取核心要素及要素間的關(guān)系,進(jìn)而構(gòu)建物理模型．下面我們以公共汽車吊環(huán)為例進(jìn)行實(shí)踐研究．

1)確定研究對象和研究問題．真實(shí)情境中物體眾多,運(yùn)動(dòng)各異,需要根據(jù)問題從中選定研究的物體與研究的物理狀態(tài)或過程．在公共汽車運(yùn)動(dòng)的過程中,車上的乘客、司機(jī)、車輪、吊環(huán)等都會(huì)隨車的運(yùn)動(dòng)情況不同有不同的表現(xiàn)．從方便測量的角度可以選擇吊環(huán)作研究對象,來分析汽車運(yùn)動(dòng)的加速度．

2)搜集真實(shí)背景中的相關(guān)物理信息．從物理視角和問題出發(fā),框定信息收集范圍,發(fā)掘物理量和物理關(guān)系．從吊環(huán)本身來說,它有自己的顏色、溫度、形狀,有自己的運(yùn)動(dòng),也有不同的受力．從吊環(huán)與汽車的關(guān)系來說,二者有相互作用,運(yùn)動(dòng)有時(shí)相同,有時(shí)不同．只有當(dāng)?shù)醐h(huán)與汽車相對靜止時(shí),汽車與吊環(huán)的運(yùn)動(dòng)情況才是一致的．

3)抽取核心要素,簡化次要因素,忽略無關(guān)因素．從問題的角度出發(fā),我們逐一對照所發(fā)現(xiàn)的物理信息與研究的問題的相關(guān)性,排除完全無關(guān)的,簡化影響小的．如吊環(huán)吊帶的顏色、粗細(xì)和材質(zhì)幾乎不影響問題的研究,就可以簡化為細(xì)繩模型．

4)對比和選擇合適的物理理想模型．將我們研究的情境和信息與理想模型進(jìn)行對照,將真實(shí)情境下的原始問題抽象成一定的理想物理模型．公共汽車內(nèi)的吊環(huán)運(yùn)動(dòng)問題就成為懸掛在小車內(nèi)小球的運(yùn)動(dòng)模型．

5)選擇物理規(guī)律.理想模型一旦選定,解決問題的途徑和規(guī)律就逐漸熟悉和清晰,根據(jù)模型特點(diǎn)進(jìn)行受力分析,進(jìn)而應(yīng)用牛頓第二定律算出其加速度a=gtanθ．

6)把情境轉(zhuǎn)換為解題條件.根據(jù)解決問題的需要,重新審視模型和所需條件,將真實(shí)情境轉(zhuǎn)化為解題條件．比如這里吊環(huán)的偏角就是我們需要的已知量,我們可以采用錄像的方式,選擇偏角穩(wěn)定的時(shí)候暫?；蚪貓D進(jìn)行測量．

總之,真實(shí)情境下的習(xí)題教學(xué)需要在真實(shí)情境下通過運(yùn)用模型知識和模型思維,在練習(xí)中提高運(yùn)用規(guī)律解決實(shí)際問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．