落實情境教學 提煉物理觀念
——以“相互作用”復習課為例

戎 杰 陳旦妮 胡科杰

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

《普通高中物理課程標準》提到，物理觀念是從物理學視角形成的關于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎.基于此，在學科核心素養(yǎng)的5個水平劃分中，如表1所示，均提及要能從物理學的視角觀察自然現(xiàn)象，并應用物理知識解決實際問題[1].

表1 物理觀念水平劃分

筆者在“相互作用”復習課中，通過展示生活情境，提出具體問題，梳理解決思路，整合知識方法，真正有效地落實情境教學，提煉物理觀念.

1 提出實際問題 形成探究思路

教學環(huán)節(jié)：展示生活中常見的3種情境：曬衣服、引橋、起吊機的大型吊臂.提出問題，引發(fā)學生思考.

問題1：如圖1所示，曬衣服的繩長一定時，懸掛的固定點兩端為什么要靠近一些？

圖1 曬衣服

問題2：如圖2所示，起重機的大型吊臂繩索為什么要固定高一些？

(a) (b)

問題3：如圖3所示，引橋為什么要建造得長一些？

(a)

應用物理知識解決具體問題應結合具體的實際情境.運用物理知識解決實際問題的能力高低，往往取決于學生將情境與知識相聯(lián)系的水平.能不能把問題中的實際情境，建立相應的物理模型，這是應用物理觀念思考問題，應用物理知識分析解決問題的關鍵.在物理教學中，應讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的大量經(jīng)驗，并嘗試對實際問題進行物理模型的建構，最終形成把情境與知識相關聯(lián)的意識和能力.

2 “彈力”的情境教學

2.1 繩模型

問題探究一：曬衣服的繩長一定時，懸掛的固定點兩端近一些好還是遠一些好？

教學環(huán)節(jié)：邀請兩組學生上講臺，先后參與提杠鈴的趣味實驗.如圖4所示，先由一位瘦小的女生手提杠鈴，觀察到她能夠輕易地把杠鈴提升到離地70 cm的高度.后由兩位高大的男生通過麻繩拉杠鈴，觀察到他們很難把杠鈴拉到同一高度.引發(fā)學生由現(xiàn)象展開思考：用麻繩把杠鈴往上拉的過程中，兩繩之間的夾角越來越大，繩子受到的拉力顯然是越來越大的.

(a)女生手提杠鈴

由此產(chǎn)生聯(lián)想和類比：曬衣服時，懸掛的固定點越遠，兩繩之間的夾角越大，受到的拉力越大，繩子越容易斷裂.

學生上臺參與趣味實驗的教學活動，用教學情景刺激學生的身體感知，調(diào)動學生多方位地感受，用口動、手動、身動的結合來激發(fā)學生的學習興趣，提高學習質(zhì)量，加深感性認知.同時，通過麻繩拉杠鈴和繩上曬衣服兩類模型之間的類比，從定性的角度形成感性認知，得到初步結論[2].

教學環(huán)節(jié)：當我們遇到實際問題時，需要建立熟知的物理模型，對研究對象進行受力分析，采用相應的物理方法進行定量計算，解決實際問題,如圖5～圖7所示.

圖5 “曬衣服”的建模

圖6 對“懸掛點O”的受力分析

圖7 力的合成

實際問題模型化是高中階段處理問題的基本思路和方法.物理模型是一種理想化的物理形態(tài)，所謂“建模”就是將復雜的研究對象或物理過程，通過用理想化、簡單化、抽象化、類比化等手段，突出事物的本質(zhì)特征和規(guī)律，形成樣板式的概念、實物體系或情境過程.

教學環(huán)節(jié)：由平衡條件

2Tcosθ=mg

得

隨著θ的增大，cosθ減小，T增大.

定性分析和定量探究是物理教學中常用的兩種方法.定性分析是通過對物理問題的分析、解構，重新構建物理模型，定性地解釋物理現(xiàn)象，描述物理規(guī)律的過程.定量研究則是在定性分析的基礎上，將物理模型清晰化，用適當?shù)臄?shù)學方法求出精確解的過程.定性分析更多的側(cè)重于對問題的整體把握和理解，而定量分析則更利于抓住問題的本質(zhì).從定性到定量的探究，符合科學探究的基本思路.從定量的角度，具體分析了繩子受到的拉力與角度的關系.因此，曬衣服時，為了減小繩所受拉力，懸掛點應適當近一些，減小繩子與豎直方向的夾角.

教學環(huán)節(jié)：觀光索道應設計得松弛些還是緊一些？

圖8 觀光索道

適當?shù)乃季S拓展，引導學生靈活應用已學的物理知識，解釋自然現(xiàn)象，指導生產(chǎn)實踐，提高學生物理觀念水平[3].

2.2 桿模型

問題探究二：起重機的大型吊臂繩索為什么要固定高一些？

教學環(huán)節(jié)：如圖9所示，課堂實驗，每位學生利用圓珠筆、細繩、鉤碼自制起重機吊臂模型，并感受：

圖9 模擬“起重機吊臂”

(1)筆桿對手掌的彈力的方向？

(2)懸掛點由高到低的變化過程中，手指受到繩的拉力如何變化？

通過實驗體驗，學生感受到筆桿對手掌的力沿著桿的方向.當固定點降低(P′低于P)，角度變小(θ′<θ)，感受到手指被繩子勒住的痛感變明顯，說明隨著固定點的下移，繩子的彈力變大，同時，筆桿對手掌的壓力也變大.讓學生從感性認知中獲得感受和體會，并能定性分析為了減小繩子所受拉力，吊臂的固定點應盡可能高一些.

教學環(huán)節(jié)：如圖10～圖12所示，建立物理模型，選擇B點進行受力分析，采用力的合成作出圖示.

圖10 “起重機吊臂”的建模

圖11 “結點B”的受力分析

圖12 力的合成

教學環(huán)節(jié)：由平衡條件得

可知隨著θ的減小，sinθ減小，T增大.

教學環(huán)節(jié)：如圖13所示，空調(diào)外機底座上傾斜的金屬桿鉚釘應如何安裝？靠近墻壁還是遠離墻壁？

(a)空調(diào)外機及底座

3 “摩擦力”的情境教學

問題探究三：引橋為什么要建造得長一些？

教學環(huán)節(jié)：如圖14～圖16所示，按照上述探究思路，先對汽車過橋問題進行合理的物理建模，對汽車進行正確的受力分析，并進行力的分解，確定各力的定量關系.

圖14 “汽車過橋”的建模

圖15 汽車受力分析

圖16 力的分解

若汽車在斜面上勻速下坡，由平衡條件得知

Ff=G1=Gsinθ

FN=G2=Gcosθ

由此可以得到，當θ越大，sinθ越大，重力沿斜面向下的分力越大，需要提供的阻力也就越大.同理，汽車上坡時，需要提供的牽引力也就越大.

因此，為了防止下坡時剎車片過熱；上坡時動力不足，引橋的傾角要適當小些，即引橋需修筑長一些.

區(qū)別于問題探究一和二使用“力的合成”的方法，問題探究三中復習了“力的分解”的方法.將不同的方法融匯于各模型的問題探究，將知識和方法的復習，融入具體的問題情境解決中，代替知識點直白的枯燥講解，使學生更好地掌握合成和分解的方法.

教學環(huán)節(jié)：如圖17所示，游樂園里的“過山車”和“激流勇進”項目，軌道應設計得平緩些還是陡峭些？

(a)過山車 (b)激流勇進

在本節(jié)課中，圍繞基本力“彈力”和“摩擦力”的復習，通過“現(xiàn)象觀察，問題提出”“物理建模，受力分析”“合成分解，數(shù)學求解”“問題解決，指導實踐”這4個環(huán)節(jié)，真正有效地落實了情景教學，提煉“相互作用”物理觀念.在課堂教學中應當充分挖掘物理學科聯(lián)系實際生活的素材，用生動、豐富的生活事例來豐富教學內(nèi)容、優(yōu)化教學過程，這是活化物理教學，提高學生物理知識建構的有效途徑.加強物理知識與實際生活的聯(lián)系，把滲透物理知識的實際應用作為當前物理改革的方向，也體現(xiàn)了從生活走向物理、從物理走向生活的理念[4].

圖18 形成清晰、系統(tǒng)的物理觀念思維導圖