物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的深度備課
——以“勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系”為例

北京師范大學(xué)廣州實驗學(xué)校(510700) 董友軍 馮碧云

北京市房山區(qū)教師進修學(xué)校(102401) 郭 芳

勻變速直線運動，是高中物理最常見的運動形式之一。勻變速直線運動的位移與速度關(guān)系，不僅應(yīng)用于直線運動，也應(yīng)用于曲線運動(如平拋運動)；不僅應(yīng)用于力學(xué)，也應(yīng)用于電學(xué)(如類平拋運動)?！皠蜃兯僦本€運動的位移與速度的關(guān)系”是“勻變速直線運動的位移與時間關(guān)系”的補充，它為解決未知時間的勻變速直線運動的實際問題提供了有效幫助。本文以發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標，對“勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系”進行深度備課。

1 教材分析

“勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系”屬于第二章“勻變速直線運動的研究”的第3節(jié)內(nèi)容。第二章第1、2節(jié)得出勻變速直線運動的速度與時間的關(guān)系，本節(jié)得出勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系、位移與速度的關(guān)系，從而完整地呈現(xiàn)勻變速直線運動的初速度、末速度、時間、加速度、位移之間的關(guān)系，為定量研究勻變速直線運動提供了分析依據(jù)。本節(jié)也是第4節(jié)“自由落體運動”的一般規(guī)律，自由落體運動是勻變速直線運動的特例，學(xué)好本節(jié)有助于理解自由落體運動。由此可見，本節(jié)內(nèi)容具有承上啟下的作用，是本章的教學(xué)重點。為了深刻理解本節(jié)內(nèi)容，需要采用“微元法”“數(shù)形結(jié)合法”。

2 教學(xué)環(huán)節(jié)

深度備課是指以物理課程與教學(xué)理論為指導(dǎo)，采用備課形式，研究符合物理知識規(guī)律、滿足物理教學(xué)規(guī)律、適合學(xué)生認知規(guī)律的教學(xué)設(shè)計，體現(xiàn)“物理知識傳授-物理方法教育-物理思想形成”的核心理念[1]。它不是基于信息加工理論的傳統(tǒng)教學(xué)流程描述，而是在物理教學(xué)理論指導(dǎo)下，對物理教學(xué)問題做出適合物理教學(xué)邏輯的優(yōu)化建構(gòu)。

筆者優(yōu)化教學(xué)流程、突出科學(xué)方法、重視實驗驗證、關(guān)注知識應(yīng)用，對第二章第3節(jié)第2課時“勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系”進行深度備課，從而有效發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)——物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，其教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)流程

深度備課的教學(xué)流程更加注重物理邏輯的嚴謹性、教學(xué)邏輯的漸進性、認知邏輯的適切性，有助于學(xué)生理解勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系的內(nèi)涵，提升學(xué)生用位移與速度關(guān)系解決實際問題的能力。依據(jù)教學(xué)流程，實施以下教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

師生活動：教師播放交通事故視頻，視頻中法官宣判：“司機以超過100 km/h的速度行駛在生活區(qū)，嚴重違反交通法規(guī)，造成慘重后果，以交通肇事罪最高處罰判刑”。學(xué)生看完視頻，對受傷小孩深表同情，但也對法官判案提出質(zhì)疑：現(xiàn)場沒有測速儀，法官是如何知道司機的速度超過100 km/h？

設(shè)計意圖：通過播放視頻，引導(dǎo)學(xué)生珍惜生命、遵守法規(guī)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。同時提出物理問題，質(zhì)疑法官判案依據(jù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維。

2.2 分析問題，展開探究

2.3 意義建構(gòu)，深度理解

活動1：創(chuàng)設(shè)實驗驗證

表1 實驗數(shù)據(jù)

活動2：探索數(shù)形結(jié)合

圖2 v-t圖像

教師：從v-t圖像可以看出，速度隨時間的關(guān)系是什么？

學(xué)生：在v-t圖像中，速度與時間的關(guān)系是一條傾斜的直線，即表示速度隨時間均勻增加。

教師：若以縱坐標為v，以橫坐標為x，即在v-x圖像中，速度與位移的關(guān)系是一條直線嗎？

教師：若以縱坐標為v2，以橫坐標為x，即在v2-x圖像中，速度與位移的關(guān)系是一條直線嗎？

圖3 v2-x圖像

教師：由圖1和圖2可以看出：從時間角度理解，勻變速直線運動的速度隨時間均勻變化，即相等時間內(nèi)，速度改變量相等；從空間角度理解，勻變速直線運動的速度的平方隨位移均勻變化，即相等位移內(nèi)，速度的平方的改變量相等。這就是勻變速直線運動的時空特征。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)實驗，驗證公式的正確性，強化“實驗是檢驗理論是否正確的唯一標準”的理念，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)。引導(dǎo)學(xué)生把公式與圖形對應(yīng)起來，深化對物理公式的理解，進一步強化“數(shù)形結(jié)合”，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。引導(dǎo)學(xué)生把v-t圖像與v2-x的圖像結(jié)合起來，強化了學(xué)生對勻變速直線運動時空特征的理解，并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會“化曲為直”的數(shù)據(jù)處理方法。

2.4 小結(jié)鞏固，拓展應(yīng)用

活動1：小結(jié)本節(jié)內(nèi)容

教師引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個方面進行總結(jié)。

(2)科學(xué)思維：把剎車過程建構(gòu)成理想物理模型——勻減速直線運動。

(3)科學(xué)探究：學(xué)生自主探究出勻加速直線運動的位移與速度的關(guān)系。

(4)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：作為學(xué)生，要珍惜生命，避免出現(xiàn)交通事故；作為司機，要尊重生命，不要超速行駛，要遵照交通規(guī)則，安全駕駛。

活動2：解決實際問題

教師創(chuàng)設(shè)4個生活情境——航母艦載機降落、奧運冠軍跳水、消防隊員滑桿訓(xùn)練、高速公路ETC收費系統(tǒng)，讓學(xué)生應(yīng)用勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系解決實際問題。

例1：山東號航空母艦是我國第一艘自主建造的國產(chǎn)航母，若艦載機著艦時的速度為80 m/s，把艦載機著艦后看作勻減速直線運動，其加速度大小為20 m/s2，則艦載機降落跑道至少需要多長時間？(要求學(xué)生先畫出示意圖，并在示意圖上標出v0、v、a、t、x)。

例2：在2020東京奧運會上，全紅嬋以三跳滿分的成績獲得女子單人10米跳臺冠軍。若全紅嬋起跳高度為1 m，從最高點下落做勻加速直線運動，設(shè)加速度大小為10 m/s2，求全紅嬋接觸水面時的速度大?。?要求學(xué)生先畫出示意圖，并在示意圖上標出v0、v、a、t、x) 。

例3：如圖4所示，一名消防隊員在演習(xí)訓(xùn)練中，沿著長為l的豎立在地面上的鋼管往下滑。他從鋼管頂端由靜止開始先勻加速再勻減速下滑，滑到地面時速度恰好為零，如果加速和減速運動的加速度大小分別為a1和a2，求下滑過程的最大速度？

圖4 例3圖示

例4：汽車分別通過ETC通道和人工收費通道的流程如圖5所示。若汽車以v0=30 m/s朝收費站正常沿直線行駛，如果過ETC通道，需要在收費站中心線前20 m處正好勻減速至v=10 m/s，勻速通過中心線后，再勻加速至v0正常行駛；若過人工收費通道，需要恰好在中心線處勻減速至零，經(jīng)過20 s繳費成功后，再啟動汽車勻加速至v0正常行駛。設(shè)汽車加速和減速過程中的加速度大小均為1 m/s2，求：

圖5 例4圖示

(1)汽車過ETC通道時，從開始減速到恢復(fù)正常行駛過程中的位移大??；

(2)汽車過ETC通道比過人工收費通道節(jié)省的時間是多少。

設(shè)計意圖：對所學(xué)重要知識進行小結(jié)，有利于增強學(xué)生的歸納能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。把艦載機降落看作勻減速直線運動、跳水降落看作勻加速直線運動、消防隊員滑桿訓(xùn)練看作先勻加速后勻減速直線運動、高速公路ETC收費系統(tǒng)看作先勻減速、再勻速、后勻加速直線運動，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型等科學(xué)思維。做習(xí)題過程中，要求學(xué)生先畫出運動過程示意圖，并標出對應(yīng)物理量，除了可以清晰呈現(xiàn)物體的運動過程，也可以促進知識結(jié)構(gòu)化，提升學(xué)生運用物理知識解決物理問題的能力。

3 備課反思

傳統(tǒng)備課存在處理教材呆板、制定目標籠統(tǒng)、設(shè)計教案簡單、教學(xué)反思空洞等問題，其原因在于缺乏科學(xué)理論指導(dǎo)。深度備課要求教師超越傳統(tǒng)教材分析，不僅要明確“教什么”“如何教”，還要明白“為何教”“教如何”。回顧備課過程，得到五點啟發(fā)。

3.1 深度備課體現(xiàn)學(xué)生主體

學(xué)生主體是指學(xué)生是課堂教學(xué)活動的主體，學(xué)生主動建構(gòu)知識、解決實際問題。本節(jié)課由學(xué)生自己提出問題，由學(xué)生自己推導(dǎo)出位移與速度的關(guān)系并驗證法官判案結(jié)論，由學(xué)生自己實驗驗證位移與速度關(guān)系正確性，由學(xué)生自己完成4個應(yīng)用并總結(jié)規(guī)律，學(xué)生是課堂的主人、是物理知識的建構(gòu)者、是應(yīng)用物理知識解決實際問題的實踐者。

3.2 深度備課凸顯科學(xué)方法

科學(xué)方法是人們在認識和改造世界中遵循并符合科學(xué)原則的各種途徑或手段，包括在科學(xué)活動中采用的思路、程序、規(guī)則、技巧和模式。物理深度備課，以科學(xué)方法為中心開展物理教學(xué)設(shè)計如圖6所示。自然現(xiàn)象通過科學(xué)方法得到物理知識，物理知識通過科學(xué)方法得到函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系通過科學(xué)方法得到拓展應(yīng)用，科學(xué)方法把自然現(xiàn)象、科學(xué)知識、函數(shù)關(guān)系、拓展應(yīng)用聯(lián)結(jié)起來。整個備課過程，以知識為載體，先后用到情景引入法、實驗驗證法、數(shù)形結(jié)合法、反思總結(jié)法、過程圖像法等，從而實現(xiàn)用科學(xué)方法得到物理知識，用物理知識傳承科學(xué)方法。

圖6 物理教學(xué)設(shè)計圖示

3.3 深度備課創(chuàng)設(shè)驗證實驗

實驗是物理學(xué)科的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的特色。筆者提出：“無實驗不物理”，即沒有實驗就不是物理教學(xué)。在物理教學(xué)過程中，物理教師必須想方設(shè)法創(chuàng)設(shè)實驗，讓學(xué)生在實驗中驗證物理規(guī)律。本節(jié)備課，先通過速度與時間關(guān)系、位移與時間關(guān)系，推導(dǎo)出位移與速度關(guān)系，再創(chuàng)設(shè)學(xué)生實驗，讓學(xué)生驗證勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系符合實際，體現(xiàn)理論的正確性。這不僅可以培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力，也可以養(yǎng)成學(xué)生科學(xué)研究習(xí)慣。

3.4 深度備課強化數(shù)形結(jié)合

數(shù)與形反映了事物兩個方面的屬性，把數(shù)與形聯(lián)系起來，就稱為數(shù)形結(jié)合。通過“以形助數(shù)”或“以數(shù)解形”，可以使復(fù)雜問題簡單化、抽象問題具體化。著名數(shù)學(xué)家華羅庚教授說，“數(shù)形結(jié)合百般好，隔裂分家萬事休”。備課過程中，推導(dǎo)出位移與速度的關(guān)系后，把它轉(zhuǎn)化成v-t圖像，強化學(xué)生科學(xué)思維，讓學(xué)生對勻變速直線運動的位移與速度的關(guān)系理解既深刻又具體。

3.5 深度備課聯(lián)系現(xiàn)實生活

認知心理學(xué)表明，要讓學(xué)生真正理解知識，最有效的方式就是把知識應(yīng)用于生活[2]。勻變速直線運動是生活中最常見的物理現(xiàn)象，教師可以精心挑選現(xiàn)實生活情境，把物理知識融于生活素材中，讓學(xué)生把現(xiàn)實過程轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，運用物理知識解決生活問題，既可以增強學(xué)生解決問題能力，也可以體現(xiàn)物理學(xué)科應(yīng)用價值，還可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)。如選用消防員滑桿訓(xùn)練、高速ETC收費系統(tǒng)，讓學(xué)生把物理知識與運動結(jié)合起來，體會到生活即物理、物理即生活。還有選用奧運冠軍跳水、國產(chǎn)航母艦載機降落作為素材，除了讓學(xué)生用物理知識解決生活實際問題，還可以樹立學(xué)生民族自豪感和國家自信心，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)。