如何提高高中學生解決物理情景問題的能力

林 麗

（四川省青神中學校，四川 眉山 620460）

不管是近年來高考還是各地的診斷性考試，物理試題都呈現(xiàn)了這樣的一些特點：試題展現(xiàn)的較為新穎，情景題較多，對學生審題要求更高，試題更注重真實性，對學生應用數(shù)學知識解決物理問題的能力提高，這就對我們的學生在學習物理中有了更高的要求，也使我們教師面臨了新的挑戰(zhàn)。為了提高學生在解決物理情景問題的能力[1]。筆者做了以下的研究。

一、學生為什么在面對情景問題時會存在問題

1.情景問題導致物理模型不能建立

1.1 情景不熟悉

在物理考試中不是每個情景都是我們熟悉的，有些是學生完全沒見過的，例如2021年高考甲卷的第15題“旋轉(zhuǎn)紐扣”是一種傳統(tǒng)游戲?？鄣膬晒杉毨K擰在一起，然后用力反復拉繩的兩端，紐扣正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)會交替出現(xiàn)。這一題由于是傳統(tǒng)的游戲，對70后和80后學生來講情景很熟悉，但對現(xiàn)在的學生來講從未見過，導致學生不能把這類題與所學的物理模型建立起來

1.2 情景較新或涉及科技前沿

在物理試題中會出現(xiàn)一些情景較新或科技前沿，例如：2021年6月10日，搭載3名宇航員的神州十三號載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，三位宇航將在太空生活6個月。若某位連同裝備共100 kg的宇航員出倉執(zhí)行任務，在離飛船30m的位置與飛船處于相對靜止狀態(tài)，為返回飛船，宇航服中的高壓氣源一次性噴出一定質(zhì)量的速度40 m/s的氣體，5分鐘后宇航員返回飛船，則噴出氣體的質(zhì)量為多少？該題涉及了最新的神州13號，學生對發(fā)射衛(wèi)星的過程是比較熟悉的，但該題考的不是發(fā)射衛(wèi)星的變軌問題，而是依據(jù)神州13為情景考動量定理。這類試題的特點涉及科技前沿，對于很多學生來說只是知道在實際生活中有這些東西，但是從物理考題來看不知它能與什么樣的知識相結(jié)合。

1.3 情景描述較為復雜

有些情景本身不難，但在描述情景問題時，出題人為了描述清楚題目本身考的意圖，描述試題時描述得非常細致，導致情景較復雜[2]。例如，以2022年北京冬奧會上高山滑雪為情景運動軌跡有直線段和弧線段。分別描述了各直線段的距離，直線段上滑道作用于滑板的作用力，其中描述在斜面內(nèi)分為與運動方向始終相反的分量和垂直于運動方向的分量，其中與運動方向相反的分量大小是運動員與滑板總重力的k倍；在弧線段運動員均減速，經(jīng)過弧線段后的動能是進入弧線段時動能的一半。若運動員在直線段運動過程中保持姿態(tài)不變，從P1點由靜止開始下滑。該題描述情景的信息文字太長，為了使該題嚴謹，這些文字又是必不可少的，學生一看到大量的文字就頭暈腦漲，再加上對情景的敘述復雜，不易理解，致使學生做題時抓不住重點，不易從描述中提取有用信息。

1.4 情景較熟，但學生讀漏關鍵字

物理題中有很多是非常熟悉的情景的，但學生在這類題中反而容易出錯，因為學生覺得這類情景很熟，知識也簡單，但往往容易漏掉關鍵的區(qū)別，導致容易失分。例如，小明同學在家做家務時用拖把拖地，沿推桿方向?qū)ν习咽┘永，此時拉力與水平方向的夾角為θ，且拖把剛好做勻速直線運動。該題情景是生活中常見的勞動情景，學生在家也基本使用過，可是學生在審題時只讀了沿推桿方向，而漏了施加的是拉力從而把這題看成了推力導致結(jié)果錯誤。

2.課堂教學仍然陳舊

教學方法單一，手段陳舊，教學方法還處于一支粉筆、一張嘴、一塊黑板，從而使學生不能體會情景問題，只是存在于老師的講解和學生自我的想象，對情景就理解不清。有些老師更甚至讓學生死記一些物理模型，

當考到一樣問題時就會做，情景稍微變化，就完全不知試題在考的什么物理模型。

3.學生應對考試只是機械刷題，忽略了考試的本質(zhì)

現(xiàn)在的學生為了考試，就喜歡機械刷題，他們可能會覺得，不會的題目，刷題多了，自然就會了，他們在初中的時候因為知識內(nèi)容少，知識簡單，通過大量機械做題來獲得了成就感，但在上高中后，對學生的能力要求更高了，題目更加靈活、開放，更多考查學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力時，這些學生存在的問題，就會暴露出來。特別是情景類問題，遇到的有可能是同一情景但是所考查的是不同的物理模型[3]。如果學生還是靠大量機械刷題，有可能做出來的答案南轅北轍。

二、如何解決學生面對情景問題時存在的問題

1.在課堂教學中怎樣結(jié)合情景來教學

1.1 利用現(xiàn)代化教學手段優(yōu)化物理情景

有些情景由于并不是我們隨處可見的，甚至是抽象的，我們可以利用現(xiàn)代化教學手段，能生動地再現(xiàn)生活情景，也能將不同的情景進行整合，并且能動態(tài)的展示情景的核心內(nèi)容。如在講衛(wèi)星的發(fā)射時，可以利用視頻觀看衛(wèi)星發(fā)射的全過程，并利用PPT制作動畫效果來結(jié)合可以涉及的物理問題，讓學生對情景一目了然，使學生對問題更加深刻和進一步的理解。

1.2 課堂上多角度的進行情景設問，把所學的知識能有機的結(jié)合起來

所謂課堂上情境設問，是指在我們的課堂教學中，依據(jù)教學內(nèi)容，展示內(nèi)容對應的情景，并向?qū)W生提出一些需要解決的問題，這樣可以讓學生從情景出發(fā)，結(jié)合自己所具有的物理知識去解決問題。我們還可以從一個背景中多角度的去設問。利用相同的試題背景構(gòu)建出不同的物理模型，有利于學生對知識的掌握和靈活運用。如滑雪作為試題背景，滑雪運動員可以做直線運動、圓弧運動、平拋運動?？梢栽O置以下情景問題運動員若要直線下滑的快需要如何做，下滑的加速度是多少？經(jīng)圓弧的最低點，運動員處于超重還是失重狀態(tài)，最低到最高重力的功率如何變化？平拋中運動員什么時候離斜面最遠，最遠距離是多少，若增大運動員平拋的初速度，落在同一斜面上的速度方向是否會變？這樣從不同的運動不同的問題去問，可提高學生所學知識與所做的題能夠結(jié)合起來，舉一反三，融會貫通。

1.3 課堂上用實驗來設置物理情景問題

物理課堂中，演示實驗是必要的，學生可以通過實驗形象、準確地理解知識內(nèi)容，提高學生探究問題的能力。我們利用演示實驗創(chuàng)設情景問題，老師提出問題，讓學生在觀察與思考中發(fā)現(xiàn)問題、提出質(zhì)疑，并用實驗來有效地解決問題。這樣能夠調(diào)動學生的學習熱情，增強學生的應試能力和學習能力。如豎直圓周運動的繩模型，我們可以用自制的繩模型來演示繩模型的運動，當運動速度較小時不能過最高點，若超過半圓但不過最高點，小球?qū)⒆鲂睊佭\動，若不超過半圓，則小球會來回擺動，通過演示，讓學生通過自我觀察就可以解決問題，而且讓學生對這一情景印象深刻。如可以自制力的合成的平行四邊形，可以用器材直觀看出兩個分力大小不變，夾角變小，合力增大。

1.4 教學中利用數(shù)學工具來輔助理解情景問題

在解決物理問題時，數(shù)學方法是必不可少的。數(shù)學方法在物理學中的應用有推導法、比值定義法、極值法、微元法、圖像法、函數(shù)圖像法、幾何圖形法、矢量法、微元法、數(shù)形結(jié)合法等。我們可以利用數(shù)學工具來幫助自己理清情景題意，比如當我們在遇到多過程的問題時，情景可能較為復雜，我們可以利用畫示意圖來幫助理解情景，使物理過程形象、直觀。并利用速度時間圖像來形象地描繪出運動的變化特點，而且可以利用該圖像快速看出速度、加速度、位移的變化。當我們在物理中遇到描述了立體空間的運動時，我們可以利用數(shù)學上的三維坐標來找立體空間關系。動態(tài)平衡問題中當遇到三個力的平衡，其中一個力大小方向不變，其余兩個力的夾角不變，可以利用數(shù)學中的圓形來畫動態(tài)變化圖，這樣求解不僅形象直觀而且簡潔明了。

具體教學案例：以《人造衛(wèi)星宇宙速度》的教學設計為例

課前準備：學生收集資料衛(wèi)星的有關資料了解以下問題：1.我國哪一年發(fā)射了自己的第一顆人造衛(wèi)？人造衛(wèi)星的軌道有哪些？

引入新課：學生上臺展示查找的資料

教師：現(xiàn)在我們地球上空有非常多的人造衛(wèi)星，它們會相撞嗎？它們?nèi)绾伪话l(fā)射來繞地球運動的？今天我們就通過學習來解決這一問題。

新課教學：

播放不同衛(wèi)星繞地運動的視頻學生觀察

問：（1）不同衛(wèi)星的其運行軌道相同嗎？

（2）這些不同衛(wèi)星靠什么力來運動？

PPT展示，圖中有三顆不同的人造地球衛(wèi)星圍繞地球運動，它們運行的軌道如圖所示。

問：三顆衛(wèi)星的軌道正確嗎？為什么？什么樣的衛(wèi)星軌道才是正確的？

學生回答：衛(wèi)星軌道的圓心必須要在地心。

教師小結(jié)：根據(jù)衛(wèi)星軌道的不同可以分為三種軌道：赤道軌道、極地軌道和其他軌道。

教師：有那么多不同軌道和不同高度額衛(wèi)星，問怎樣才能將衛(wèi)星發(fā)送到指定軌道上的呢？

利用PPT動畫放牛頓發(fā)射衛(wèi)星的設想。

學生拋物演示：觀察落地點隨速度的變化情況。

問：當我們平拋一個物體時物體落地地面上的某一點，增大拋出的速度，物體會距我們越遠。

問：如果我們增大物體平拋的速度到足夠的某一值，物體有沒有可能不再落回地面？

學生出現(xiàn)不同觀點。

問：物體至少需要多大的速度才會不再落回地面？

學生分小組討論：（教師引導利用萬有引力知識）

學生討論得出：物體需要大約7.9km/s

教師總結(jié)出，所以我們要發(fā)射一顆人造衛(wèi)星至少需要7.9km/s，這就是地球的第一宇宙速度。

第一宇宙速度的定義：人造衛(wèi)星在地面附近繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度。

問：如果要發(fā)射更高軌道的速度需要怎么辦呢？高軌道上衛(wèi)星運行的速度與低軌道相比大還是??？為什么？

播放神十三的發(fā)射過程的視頻。

學生討論分析：發(fā)射的軌道越高所需要的速度越大，在從低軌道到高軌道的過程中動能會大量轉(zhuǎn)換為勢能，所以在高軌道的衛(wèi)星速度反而小。

教師總結(jié)：區(qū)分發(fā)射速度和環(huán)繞速度，指出第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度，也是衛(wèi)星繞地球運動的最大速度。

PPT展示宇宙的三大速度。

問：我們發(fā)射高軌道衛(wèi)星時是否是直接發(fā)射到高軌道呢？如果不是，具體是怎樣發(fā)射的呢？（學生思考下去查找資料，下節(jié)課探究）。

課堂小結(jié)：本節(jié)課主要學習了人造衛(wèi)星宇宙速度，讓大家對衛(wèi)星的發(fā)射有了初步的認識，下節(jié)課我們將講一下特殊的人造衛(wèi)星-同步衛(wèi)星幾同步衛(wèi)星如何發(fā)射，同學們下來查找一下相關資料。

2.在作業(yè)講評中對同情景類的問題進行歸納總結(jié)

學生在做題時經(jīng)常會碰到同個情景類的問題，雖然情景基本是一樣的但考查的方向有可能不一樣，這會導致學生做一樣的情景題時不能保證每次都對。如冰壺的運動類的有關試題。這些試題經(jīng)?？赡芏紩婕皠恿渴睾悖诓煌念}中有不同的描述，有些可能描述實際中出現(xiàn)摩擦冰面的情況，導致提出會出現(xiàn)不同摩擦的過程，不同的題中會出現(xiàn)不同的速度去碰撞，導致碰撞的結(jié)果不同，不同的題會有不同的表達方式來表示情景，圖像、文字。如果學生沒把具體的問題分析清楚，就會出現(xiàn)一團混亂。而我們老師在評講試題時如果將題進行對比，在進行歸納總結(jié)，那學生對模型的建立就會輕而易舉。

3.關注科技發(fā)展前沿，引導學生聯(lián)系所學知識理解科技前沿

科學技術的發(fā)展必然以物理學科為基礎。前沿科技可以涉及到物理的各個方面。動力學、能量、動量、電磁學等等。如第5代通信技術，使學生可以從物理學的角度理解5G技術的特點，引導學生結(jié)合所學的近代物理、物理光學、電磁波的知識了解5G技術諸如信號頻率、波段、電磁波的發(fā)射于接收等相關信息，思考相關問題。如神十三引導學生結(jié)合衛(wèi)星的發(fā)射，宇宙的速度、變軌、對接、能量、動量等相關知識。

4.關注體育運動，引導學生用物理知識的解決問題

體育運動情景也與物理知識結(jié)合緊密。如冬奧會的滑雪，冰壺比賽等可以涉及特殊的勻變速直線運動、平拋運動、圓周運動等多過程問題；可以涉及力學、能量、動量，撐竿跳高架可以涉及能量變化、超重、失重，打籃球可以涉及拋體運動，擲鉛球可以涉及動量定理、動能定理，擲鏈球涉及圓周運動和離心現(xiàn)象，等等。所有的體育運動可以結(jié)合物理中的力學、運動學、能量、動量來考試。

結(jié)語

總而言之，物理情景題相對于其他常規(guī)題型有著一定的難度，為了提高學生情景題的解題能力，我們老師一定要不斷改變自己的教學模式，在教學中利用各種方法來輔助自己的情景教學，使學生在平時的學習中去提升解決這類問題的能力，從而更好地適應新課程改背景下的題型，適應新的高考。