基于核心素養(yǎng)的初中原始物理問題教學(xué)探討①

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(福建省詔安縣邊城中學(xué)，福建 漳州 363500)

原始物理問題作為一種真實、自然情境下的問題，與傳統(tǒng)的物理習(xí)題有著顯著的區(qū)別，具有真實性、情境性、生成性、應(yīng)用性、綜合性、創(chuàng)新性等特點，與發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著高度的適切性。把原始物理問題引入初中物理教學(xué)，必將促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的有效達(dá)成。

1 原始物理問題的內(nèi)涵及特征

原始物理問題是指在自然界以及生產(chǎn)生活中客觀存在的、未被分解、簡化、抽象的，能夠直接反映最真實的物理生活情境的現(xiàn)象或問題，其特點是：

(1) 它是對客觀現(xiàn)象的描述，沒有對現(xiàn)象作加工處理；

(2) 通常都是文字描述，沒有給出已知條件，其中隱含的變量、常量等均需要學(xué)生自己去設(shè)置；

(3) 沒有示意圖，解決問題所需的圖需要學(xué)生自己畫出；

(4) 來自真實的生活情境；

(5) 具有趣味性，能引起學(xué)生的思考，并向?qū)W生提出智力挑戰(zhàn)；

(6) 不一定有唯一的答案，各種不同水平的學(xué)生都可以由淺入深地作答；

(7) 需個人或小組合作解決它。[1]

原始物理問題與普通習(xí)題的關(guān)系如圖1所示，筆者通過典型的習(xí)題與原始物理問題加以對比說明。

圖1

習(xí)題1：有一成人系著安全帶坐在一輛以80km/h行駛的汽車上，懷里抱著一個6kg的嬰兒。在一次時長為0.1s的撞車事故時,成人需要用多大的力才能抱住這個嬰兒?

原始問題1：有人認(rèn)為嬰兒由成人抱著坐在汽車?yán)锸呛馨踩?，只要成人系好安全帶就行了。請分析在發(fā)生撞車事故中，成人能抱住嬰兒可能性。

習(xí)題以真實的情境為背景，提供了各物理量的具體數(shù)據(jù)，學(xué)生只需將數(shù)據(jù)代入公式即可求解；原始物理問題僅描述了真實情境，對相關(guān)物理量未作具體描述。兩者的問題解決方式、方法等都不同，在考查學(xué)生的問題解決能力和核心素養(yǎng)方面有著顯著的差異。

2 原始物理問題教學(xué)與學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的適切性

2.1 原始問題教學(xué)可以促進(jìn)物理觀念的形成

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等方面的基本認(rèn)識，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)。原始物理問題未經(jīng)命題者精細(xì)的加工，保持著現(xiàn)實生活中物理情境的“原汁原味”。學(xué)生能否從物理學(xué)的立場審視這些真實情境，并抽象、概括出相應(yīng)的物理模型，取決于其頭腦中是否具備相關(guān)的物理概念和規(guī)律，是否根植了科學(xué)、合理的物理觀念。

2.2 原始問題教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提升

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，根據(jù)問題的需要，收集和選擇有用的信息，基于證據(jù)和邏輯對問題作出合理解釋。”[2]通常習(xí)題是經(jīng)過命題者充分、完整的模型設(shè)計與參數(shù)設(shè)置，學(xué)生在解題過程中僅需應(yīng)用相關(guān)的規(guī)律及公式，進(jìn)行演算推導(dǎo)即可得出正確的結(jié)論。學(xué)生對純化的物理問題的訓(xùn)練機(jī)會較多，而在“收集和選擇有用的信息”“基于證據(jù)和邏輯對問題作出合理解釋”等重要環(huán)節(jié)鍛煉的機(jī)會就少了。當(dāng)學(xué)生遇到真實問題、原始問題時會束手無策，無從下手。

習(xí)題2：某同學(xué)體重為500N，跳繩時平均起跳的高度約為10cm，每分鐘能跳75次，則該同學(xué)在跳繩過程中克服身體重力做功的功率是多少？

原始問題2：請你估測跳繩時的功率。

從科學(xué)探究的角度來看，需要設(shè)計測量方案：(1) 學(xué)生先要把實際的情境與所學(xué)的物理知識相聯(lián)系，對跳繩過程進(jìn)行模型建構(gòu)，認(rèn)識到跳繩的過程為克服人體自身重力做功的過程；(2) 要測定出跳繩時克服重力做的功W和時間t；(3) 測量跳起的平均高度h是一個技術(shù)問題，學(xué)生利用各種方法進(jìn)行了測量。如有同學(xué)先用記號筆在墻壁上標(biāo)出了刻度線，跳繩時請另外一位同學(xué)蹲在旁邊仔細(xì)觀察跳起的大致高度。有同學(xué)利用智能手機(jī)拍下跳繩過程的視頻，再利用“慢速回放”功能，能較清楚地看出跳起時能達(dá)到的刻度線。學(xué)生運用多種方法、通過大量的測量比較，發(fā)現(xiàn)：跳繩較快的同學(xué)一般跳起的高度都比較低，大約在10cm左右，他們每分鐘大約能跳100多次。而跳得慢的同學(xué)，跳起的高度較高，一般可達(dá)20～30cm，每分鐘大約跳六十次；(4) 計算出功和功率，跳繩的平均功率在幾十瓦左右。

學(xué)生在解決這個原始物理問題的過程中，經(jīng)歷了建構(gòu)模型—抽象概括—應(yīng)用知識—測定數(shù)據(jù)—進(jìn)行計算—得出結(jié)論—評估交流等環(huán)節(jié)，探究能力在整個活動過程中得到了有效提升。

教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識對原始物理問題進(jìn)行探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。如估測學(xué)生站立(行走)時對地面的壓強(qiáng)、估測在游泳時受到的浮力、估測在單桿上做引體向上時克服身體重力做功的功率、估測家用空調(diào)工作時的功率等，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)、解決問題的過程中，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體驗科學(xué)探究的樂趣。經(jīng)歷科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等過程，提升學(xué)生的思維品質(zhì)與核心素養(yǎng)。

2.3 原始問題教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：科學(xué)思維由模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素所構(gòu)成，[2]原始問題的解決需要學(xué)生根據(jù)面臨的情境，通過假設(shè)、抽象、概括等獲得必要的數(shù)據(jù)，合理建構(gòu)物理模型，經(jīng)歷科學(xué)推理及科學(xué)論證的過程，最終解決實際問題。一般習(xí)題的命制采用“掐頭、掐尾、留中段”的模式，通常側(cè)重于演算和推導(dǎo)等中間環(huán)節(jié)，對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)是片面的、狹窄的。學(xué)生會通過套用模型和公式解題，而在實際問題面前往往會不知所措。

在學(xué)習(xí)了“杠桿”知識后，可設(shè)計原始問題：估測做俯臥撐時的功率，讓學(xué)生進(jìn)行實踐操作?！案┡P撐”實質(zhì)上也是一個克服自身重力做功的過程，但地面對手臂向上的舉力與身體的重力并沒有在同一直線上，兩者不是一對平衡力，大小并不相等。測量時要求學(xué)生具備轉(zhuǎn)換、建模的思維能力，將人體抽象成一個以腳尖為支點轉(zhuǎn)動的杠桿模型(圖2)，根據(jù)杠桿的平衡條件F舉L1=GL2，可求出舉力的大小。對于舉力通過的距離，學(xué)生通過觀察之后發(fā)現(xiàn)：該距離大約等于人上手臂的長度h，因此克服自身重力所做的功為W=F舉h。測出1分鐘內(nèi)完成的俯臥撐總次數(shù)，求出總功，再除以時間，即可得出平均功率。

圖2

從“跳繩”到“俯臥撐”的原始問題解決過程來看，學(xué)生在合理建構(gòu)克服重力做功、杠桿等物理模型的基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用功、功率、杠桿平衡條件等相關(guān)物理概念與規(guī)律測算出功率的大小。

初中生由于年齡的原因，思考問題的方式往往會停留在“想當(dāng)然”之上，而模型建構(gòu)的過程必須經(jīng)歷“比較—分解—簡化—抽象—理解—概括”等環(huán)節(jié)。學(xué)生思維能力的培養(yǎng)并不是一蹴而就的，而是必須經(jīng)歷一個由表及里、不斷深入的過程，原始物理問題教學(xué)正是加快了這一進(jìn)程。[3]

2.4 原始問題教學(xué)可促進(jìn)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的養(yǎng)成

原始問題教學(xué)可以在“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的養(yǎng)成過程中起到一定的作用，學(xué)生從物理學(xué)的視角觀察并發(fā)現(xiàn)自然界及生產(chǎn)生活中的相關(guān)問題，可促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度，在問題解決的過程中也養(yǎng)成了他們的社會責(zé)任感。

筆者所在學(xué)校門口有一個地下過街通道，很多學(xué)生反映在經(jīng)過過街通道時，感到里面的空氣不流通、很悶。在學(xué)習(xí)了“流體壓強(qiáng)”之后，可引導(dǎo)學(xué)生去觀察、思考，解決原始物理問題：如何應(yīng)用所學(xué)物理知識，改變地下過街通道空氣不流通的現(xiàn)狀？

學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)的方式，應(yīng)用學(xué)過的物理知識進(jìn)行分析，因為過街通道兩邊與路面連通的引道中空氣流速基本相同，幾乎不存在大氣壓強(qiáng)差，故新鮮空氣無法灌進(jìn)過街通道。

如何使兩邊引道的空氣流速不同呢？學(xué)生提出了不同的方案，其中比較可行的是：可以在其中一邊引道的墻壁上設(shè)計一個凸形的浮雕(圖3)，讓空氣流過這一邊引道時流速加快，大氣壓強(qiáng)會減小。這樣便使兩邊引道的空氣由于流速不同而產(chǎn)生了壓強(qiáng)差，故而使空氣流通、穿過地下通道。同學(xué)們根據(jù)此方案整理成了一份調(diào)查報告和建議信，遞交給有關(guān)市政管理部門，得到了重視與落實，使學(xué)生獲得了參與市政建設(shè)的成就感。

圖3

3 結(jié)語

物理教學(xué)要從原始物理問題出發(fā)，以現(xiàn)象為導(dǎo)向，以模型為載體，培養(yǎng)學(xué)生提煉模型、分析問題、總結(jié)規(guī)律的能力。[4]在原始物理問題的解決過程中，學(xué)生沒有現(xiàn)成的模型可用，也沒有相關(guān)題型經(jīng)驗可借鑒，需要經(jīng)過綜合分析，建構(gòu)物理模型，設(shè)定和估計解題所需的物理量，再根據(jù)相關(guān)的物理概念、規(guī)律等進(jìn)行推理演算，得出結(jié)論。原始問題教學(xué)對于學(xué)生物理觀念的形成、科學(xué)探究以及思維能力的培養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成有著重要的促進(jìn)作用。