基于問題解決理論解答物理習(xí)題的教學(xué)案例

張晨光 蔡武德

摘 要：物理是高中課程中較難的一門學(xué)科，教師教好物理，學(xué)生學(xué)好物理都要講究一定的方法。以高中物理習(xí)題中的多運(yùn)動過程習(xí)題為例，給出依據(jù)問題解決理論解答高中物理習(xí)題的具體步驟。將問題解決理論與物理習(xí)題解題過程有機(jī)結(jié)合，有利于學(xué)生在解題過程中對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：問題解決理論;物理習(xí)題;學(xué)科素養(yǎng)

1.引言

問題解決理論認(rèn)為，對于解決一個問題，無論問題難度大小，基本都涉及四個要素：一是起始條件，二是確定目標(biāo)，三是確定解決問題有什么障礙，四是尋找解答問題的方法;解決問題包括四個階段：理解和表征問題，設(shè)計(jì)計(jì)劃或?qū)で蠼獯穑瑘?zhí)行計(jì)劃或嘗試解答，評價(jià)結(jié)果[1]。物理習(xí)題的解答過程，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程中最難的一個環(huán)節(jié)，能否解答，以及解答的完整性和準(zhǔn)確性，不僅體現(xiàn)學(xué)生對物理知識點(diǎn)的理解程度，也體現(xiàn)解題思路及方法的科學(xué)性。

2.問題解決理論與物理解題的對應(yīng)關(guān)系

筆者在的實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，問題解決理論與物理習(xí)題的解答過程有著密切的

聯(lián)系，它們之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

3.解題案例

問題：如圖1所示，水平桌面的右端有一質(zhì)量為m的物塊B，該物塊用長度為L的不可伸長的細(xì)線懸掛，物塊B對水平桌面壓力剛好為零，水平桌面離地面的高度為h=5.0m，另一質(zhì)量為2m的物塊A以v=5.0m/s的水平初速度運(yùn)動到右端，從起始點(diǎn)到右端的距離為S=4m，并與物塊B發(fā)生彈性碰撞，已知物塊A與桌面間的動摩擦因數(shù)μ=0.2。求碰撞后物塊A的落地點(diǎn)與桌面右端的水平距離x。

第一步確定表征問題

審題：通讀題目明確以下內(nèi)容：（1）有A，B兩個物塊，質(zhì)量分別為m和2m。（2）水平桌面受到物塊B的壓力為0，證明物塊B與桌面不接觸，相互之間沒有摩擦，則兩物塊在碰撞過程中沒有因摩擦而消耗的能量。（3）由于物塊A和物塊B的質(zhì)量和體積不影響其運(yùn)動狀態(tài)，則可以視為質(zhì)點(diǎn)。（4）在題目所給的圖像中，明確標(biāo)注了距離S，繩長L以及桌面高度h，方便理解題目。在題目中所給條件中，干擾因素很多，例如物塊A與物塊B運(yùn)動過程中的空氣阻力以及碰撞過程中的能量損失，如果不仔細(xì)思考，將無法分析物塊的運(yùn)動過程。

第二步尋求解答

老師：題目中所呈現(xiàn)的是一個可以構(gòu)建的實(shí)際生活場景，對題目分析后我們能知道物塊運(yùn)動的過程可以分為三個階段來進(jìn)行，我請一位同學(xué)來說明一下。

學(xué)生：第一個階段，物塊A在摩擦力的作用下從起始點(diǎn)運(yùn)動到物塊B處，運(yùn)動距離為S=4m;

第二個階段，物理A與物塊B發(fā)生碰撞;

第三個階段，物塊A從桌面沿著運(yùn)動的切線方向飛出。

從學(xué)生的描述中可以分析出在物塊運(yùn)動的整個過程中可以建立三個理想化模型[3]：

（1）由于物塊A與物塊B的大小和體積對整個運(yùn)動過程無任何影響，所以根據(jù)理想化模型的定義，我們可以把他們看作質(zhì)點(diǎn)模型，所以物塊A在水平桌面上運(yùn)動時(shí)，桌面對物塊A的摩擦力是一個恒力，物塊A做勻減速運(yùn)動，與此同時(shí)建立了勻減速直線運(yùn)動模型。故可利用動能定理列出相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式。

（2）當(dāng)物塊A與物塊B發(fā)生碰撞時(shí)，根據(jù)題目所給的條件可得物塊之間是完全彈性碰撞，所以此過程動量守恒無能量損失。由此又建立完全彈性碰撞模型[4]，則根據(jù)動量守恒可以列出碰撞前后的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

（3）物塊A從水平面飛出，空氣阻力幾乎對物塊的運(yùn)動狀態(tài)不產(chǎn)生影響，所以建立平拋運(yùn)動模型并列出相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

第三步嘗試運(yùn)用模型解題

解題步驟：

設(shè)碰撞前物塊A的速度為v，碰撞后物塊A、物塊B速度分別為vA、vB，且設(shè)向右為正方向

由動能定理

由于物塊A與物塊B發(fā)生完全彈性碰撞，所以有：

第四步結(jié)果檢驗(yàn)與評價(jià)

解答完習(xí)題后進(jìn)行回顧和總結(jié)，得出所求解果符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，所以結(jié)果是正確的。在解答物理習(xí)題的教學(xué)過程中，將問題解決理論與建立物理模型相互滲透，不僅提升了學(xué)生解答物理習(xí)題的能力，還掌握了物理模型的使用方法，一舉兩得。

4.結(jié)束語

縱觀本次解題過程，優(yōu)點(diǎn)在于將解決問題步驟化，避免教師與學(xué)生在解答問題前不知道從哪里入手;也避免了在解題過程中出現(xiàn)思路不清晰，同時(shí)在解答問題的過程中有利于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)[5]。但是靈活運(yùn)用問題解決理論指導(dǎo)解題時(shí)，需要教師和學(xué)生進(jìn)行不斷的練習(xí)才能達(dá)到。

參考文獻(xiàn)

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[3]馮君生，黨婕.理想模型在物理學(xué)中的應(yīng)用[J].新課程·下旬，2019，（8）：84.

[4]龔承康.高中物理碰撞問題研究[J].高中數(shù)理化，2015，（10）：29-29.

[5]楊華國.核心素養(yǎng)下的物理習(xí)題教學(xué)[J].中學(xué)理科園地，2019，15（1）：48，50.

作者簡介：張晨光，（1995-），男，漢族，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閷W(xué)科教學(xué)（物理）。

通信作者：蔡武德，（1966-），男，副教授，教師，研究方向物理課程與教學(xué)論。