基于真實(shí)情境培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力
——以“曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例

盧敏翔 陳 藝

(1. 江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215000;2. 西安交通大學(xué)蘇州附屬初級(jí)中學(xué),江蘇 蘇州 215000)

物理學(xué)是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,源于生活,且服務(wù)于社會(huì)。在高中物理教學(xué)中,合理利用生活現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境至關(guān)重要,但也要避免一味堆砌問(wèn)題情境,僅展示表面現(xiàn)象,要深度挖掘情境背后蘊(yùn)含的物理知識(shí)和科學(xué)本質(zhì),讓學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題的解決中發(fā)展關(guān)鍵能力。

1 概念界定

1.1 關(guān)鍵能力

關(guān)鍵能力是真實(shí)情境課堂教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)。諸多教學(xué)方法、教育理念和教學(xué)模式等都是為培養(yǎng)學(xué)生面向未來(lái)生活所需的能力而提出的?！吨袊?guó)高考評(píng)價(jià)體系》指出:面向21世紀(jì),支撐學(xué)生終身發(fā)展的關(guān)鍵能力群可劃分為以認(rèn)識(shí)世界為核心的知識(shí)獲取能力群、以解決實(shí)際問(wèn)題為核心的實(shí)踐操作能力群、涵蓋各種關(guān)鍵思維能力的思維認(rèn)知能力群。[1]2019年12月教育部考試中心提出物理學(xué)科關(guān)鍵能力應(yīng)包括理解能力、推理論證能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、模型建構(gòu)能力和創(chuàng)新能力。[2]

1.2 必備知識(shí)

必備知識(shí)是真實(shí)情境課堂教學(xué)的基礎(chǔ)支撐,是發(fā)展關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)。物理學(xué)科的必備知識(shí)由基本事實(shí)、概念和規(guī)律以及科學(xué)方法等組成。物理學(xué)作為一門(mén)自然科學(xué),它的整體知識(shí)框架和基本事實(shí)以陳述性知識(shí)形態(tài)存在,基本技術(shù)與方法以程序性知識(shí)形態(tài)保持,但陳述性知識(shí)并不是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的準(zhǔn)確表征,仍需要針對(duì)具體情境進(jìn)行再創(chuàng)造。對(duì)不同知識(shí)命題的理解需要由學(xué)生基于自己的已有認(rèn)知建構(gòu)起來(lái),這取決于特定情境下的學(xué)習(xí)歷程。教師可以通過(guò)創(chuàng)設(shè)不同類(lèi)型的情境,促進(jìn)程序性知識(shí)的生成,提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

1.3 問(wèn)題情境

問(wèn)題情境是以問(wèn)題或任務(wù)為中心構(gòu)成的活動(dòng)場(chǎng)域,[4]真實(shí)情境課堂教學(xué)需要以學(xué)生經(jīng)驗(yàn)世界的豐富性和差異性為支撐,關(guān)注學(xué)生的潛在能力和個(gè)性化經(jīng)驗(yàn)。按照知識(shí)應(yīng)用和產(chǎn)生方式的不同,問(wèn)題情境可分為生活實(shí)踐情境和學(xué)習(xí)探索情境。生活實(shí)踐情境源于自然現(xiàn)象、生產(chǎn)生活以及科技前沿。學(xué)習(xí)探索情境包括物理學(xué)史問(wèn)題情境、課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中的典型問(wèn)題情境以及科學(xué)探究問(wèn)題情境。同一類(lèi)型的情境存在層級(jí)差異,不同層級(jí)的情境有助于培養(yǎng)不同水平學(xué)生的關(guān)鍵能力,從而實(shí)現(xiàn)核心價(jià)值的引領(lǐng)作用。

1.4 情境活動(dòng)

情境活動(dòng)是指學(xué)生在情境中所進(jìn)行的解決問(wèn)題或完成任務(wù)的活動(dòng)。[4]教師可以通過(guò)設(shè)置不同層級(jí)的情境活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力?；A(chǔ)性情境活動(dòng)通過(guò)基本的、典型的情境,要求學(xué)生調(diào)用學(xué)科基本概念、原理、技能和思維方法;綜合性情境活動(dòng)通過(guò)多項(xiàng)關(guān)聯(lián)活動(dòng)組成的復(fù)雜情境,反映學(xué)生對(duì)知識(shí)、能力的整合和綜合運(yùn)用水平;應(yīng)用性情境活動(dòng)通過(guò)貼近時(shí)代、社會(huì)和生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境,培養(yǎng)學(xué)生的遷移應(yīng)用和理論聯(lián)系實(shí)際的能力;創(chuàng)新性情境活動(dòng)通過(guò)新穎、陌生情境,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考,完成開(kāi)放性或探究性任務(wù)。

2 “曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)實(shí)踐

2.1 依據(jù)單元教學(xué)理念,分析教學(xué)內(nèi)容

“曲線運(yùn)動(dòng)”是人教版高中物理必修第二冊(cè)第五章第一節(jié)的內(nèi)容,具有承前啟后的作用,承接必修第一冊(cè)的“直線運(yùn)動(dòng)”和“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”,利用“直線運(yùn)動(dòng)”的研究思路,結(jié)合“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的相關(guān)知識(shí)分析曲線運(yùn)動(dòng),為“平拋運(yùn)動(dòng)”“圓周運(yùn)動(dòng)”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。從知識(shí)結(jié)構(gòu)上看,曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向、物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件分別反映了曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,為新舊知識(shí)的聯(lián)系搭建了橋梁。

2.2 創(chuàng)設(shè)有效情境,提升關(guān)鍵能力

2.2.1 曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向

問(wèn)題情境1:教學(xué)中呈現(xiàn)3個(gè)情境,并進(jìn)行相關(guān)的情境活動(dòng)。

(1) 砂輪打磨金屬器具時(shí)火星飛濺?；鹦窃陲w出前隨著砂輪做圓周運(yùn)動(dòng),火星離開(kāi)砂輪的瞬間,沿砂輪邊緣的切線方向飛出(圖1)。

圖1

(2) 陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí),滴上紅墨水。紅墨水在飛出之前隨陀螺做圓周運(yùn)動(dòng),飛出后留下的墨跡是直線,將直線反向延長(zhǎng),延長(zhǎng)線沿著圓形陀螺邊沿的切線方向(圖2)。

圖2

(3) 小球在帶側(cè)壁的圓盤(pán)中做圓周運(yùn)動(dòng)。撤去四分之一圓盤(pán)側(cè)壁后,小球沿圓盤(pán)的切線方向滾出(圖3)。

圖3

圓是特殊的曲線,做圓周運(yùn)動(dòng)物體的速度方向沿切線方向。那么做一般曲線運(yùn)動(dòng)物體的速度方向是否也沿切線方向呢?

情境活動(dòng)1:學(xué)生通過(guò)觀察情境中的現(xiàn)象,總結(jié)得出結(jié)論:當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡為圓時(shí),瞬時(shí)速度沿切線方向。以此為證據(jù),再由特殊到一般,猜想做一般曲線運(yùn)動(dòng)物體的速度方向。

問(wèn)題情境2:如圖4所示,利用組合式曲線槽裝置、水寫(xiě)紙(遇水變色)、鼠標(biāo)球,使鼠標(biāo)球沿傾斜軌道在曲線槽中滾動(dòng),探究它在A、B兩點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向。

圖4

情境活動(dòng)2:如圖5所示,鼠標(biāo)球沿曲線槽滾動(dòng)得到軌跡①,發(fā)現(xiàn)該軌跡無(wú)法反映A點(diǎn)和B點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向。為進(jìn)一步探究鼠標(biāo)球在A點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向,拿掉1、2兩塊板,得到軌跡②。同理,為探究鼠標(biāo)球在B點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向,拿掉3、4兩塊板,得到軌跡③。鼠標(biāo)球離開(kāi)A點(diǎn)和B點(diǎn)后,軌跡為直線,直線的方向即為該點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向。

圖5

引導(dǎo)學(xué)生由簡(jiǎn)單的情境活動(dòng)進(jìn)入復(fù)雜的情境活動(dòng),找出物體做一般曲線運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度方向的特點(diǎn)(圖6)。

圖6

問(wèn)題情境3:如圖7所示,騎車(chē)經(jīng)過(guò)一段泥濘的路,人的后背會(huì)沾上泥水,泥水如何從后輪甩到人的后背上?如何改進(jìn)自行車(chē)以避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生?

圖7

情境活動(dòng)3:利用無(wú)擋泥板的兒童自行車(chē)、橢圓形水桶、水寫(xiě)紙板,如圖8所示,將自行車(chē)后輪架空,浸沒(méi)在水桶中,觀察水濺射的方向。如圖9所示,將水寫(xiě)紙板放在自行車(chē)車(chē)座上方模擬人的后背,觀察能射到后背的水的濺射方向范圍。學(xué)生通過(guò)小組合作,提出應(yīng)在CDE弧段增設(shè)擋泥板的解決方案(圖10)。

圖8

圖9

圖10

教學(xué)意圖:以基本問(wèn)題情境為載體,加強(qiáng)物理概念、原理、方法的學(xué)習(xí)。通過(guò)這一類(lèi)型的問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理基礎(chǔ)內(nèi)容,知道做曲線運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度方向,并會(huì)在軌跡圖上畫(huà)出物體在某點(diǎn)的速度方向。利用組合式曲線槽裝置驗(yàn)證物體做曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向,通過(guò)設(shè)計(jì)自行車(chē)擋泥板,培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移應(yīng)用能力。

2.2.2 探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件

問(wèn)題情境4:利用雙軌斜面裝置、鼠標(biāo)球、水寫(xiě)紙、3組箭頭(分別表示摩擦力Ff、重力沿斜面向下的分力Gx和速度v),探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件。

雙軌斜面裝置的特點(diǎn):小球在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力如圖11所示,由于小球所受重力沿垂直斜面方向的分力Gy與小球所受支持力FN相平衡,小球所受重力沿斜面的分力Gx與小球所受摩擦力Ff的合力即為小球受到的合外力;通過(guò)貼在斜面上的水寫(xiě)紙,可以顯示小球的運(yùn)動(dòng)軌跡,能非常直觀地描出小球所受合力方向與速度方向(圖12)。

圖11

圖12

情境活動(dòng)4:如圖12所示,將小球沿斜面上的兩個(gè)導(dǎo)軌釋放,留下一條直線運(yùn)動(dòng)軌跡和一條曲線運(yùn)動(dòng)軌跡,用箭頭在軌跡上分別表示Gx、Ff和v的方向,學(xué)生通過(guò)觀察、分析得到結(jié)論:當(dāng)合外力方向與速度方向不在同一條直線上時(shí),小球做曲線運(yùn)動(dòng)。

問(wèn)題情境5:觀察大量生活中的曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)例,如鉛球被拋出后在空中飛行(圖13)、小車(chē)在細(xì)繩牽引下做圓周運(yùn)動(dòng)(圖14)、月球在萬(wàn)有引力作用下繞地球運(yùn)行(圖15),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)出它們所受合力和瞬時(shí)速度的方向特點(diǎn)。

圖13

圖14

圖15

情境活動(dòng)5:學(xué)生通過(guò)對(duì)生活中大量實(shí)例的分析,總結(jié)出物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件:運(yùn)動(dòng)物體所受合外力方向跟它的瞬時(shí)速度方向不在同一直線上。

教學(xué)意圖:利用雙軌斜面裝置既可以留下小球的運(yùn)動(dòng)軌跡,又能很方便地標(biāo)出小球所受合力的方向,既有利于學(xué)生得出曲線運(yùn)動(dòng)的條件,又有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)軌跡彎曲方向、速度方向與合力方向的關(guān)系。列舉空中運(yùn)動(dòng)的鉛球、做圓周運(yùn)動(dòng)的小車(chē)和繞地球運(yùn)行的月球等實(shí)例,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到任何物理規(guī)律都是基于大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)而得出的,提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.2.3 物體做曲線運(yùn)動(dòng)條件的應(yīng)用

問(wèn)題情境6:如圖16所示,蜿蜒河道在拐彎處內(nèi)側(cè)地勢(shì)相對(duì)平坦,外側(cè)地勢(shì)相對(duì)陡峭,試解釋這一現(xiàn)象。

圖16

情境活動(dòng)6:學(xué)生利用組合式曲線槽裝置探究小球的受力特點(diǎn),讓小球從軌道上某高度處由靜止釋放做曲線運(yùn)動(dòng)。為了證明是哪些板塊對(duì)小球有力的作用,拿掉曲線槽的某個(gè)板塊,看會(huì)不會(huì)對(duì)軌跡產(chǎn)生影響。若軌跡發(fā)生改變,則該板塊對(duì)小球有力的作用;反之,則沒(méi)有力的作用。如圖17所示,學(xué)生經(jīng)過(guò)探究發(fā)現(xiàn):拿掉板塊2、4、5,小球的軌跡不變,說(shuō)明只有板塊1、3、6對(duì)小球有力的作用。

圖17

確定了哪幾個(gè)板塊對(duì)小球有力的作用后,再分析力的具體方向。小球在豎直方向上重力和支持力平衡,在曲線槽中受到的合外力是摩擦力和板側(cè)壁所施彈力的合力,這個(gè)合力方向指向曲線的凹側(cè)(圖18)。所以,在河道拐彎處,是河岸外側(cè)對(duì)河水有力的作用,使它蜿蜒流動(dòng)。根據(jù)牛頓第三定律,河水對(duì)河岸會(huì)產(chǎn)生反作用力。正是在這個(gè)反作用力的作用下,河水不斷沖刷外側(cè)河岸,使其比內(nèi)側(cè)河岸更加陡峭。

3 結(jié)語(yǔ)

在教育改革深化背景下的課堂教學(xué),應(yīng)依據(jù)學(xué)科邏輯和學(xué)生的認(rèn)知邏輯確定情境內(nèi)和情境間的問(wèn)題關(guān)系,重視情境的真實(shí)性和實(shí)踐性。[5]在“曲線運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)中,通過(guò)選取合適的素材,呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題情境,有側(cè)重地多次利用組合式曲線槽裝置研究做曲線運(yùn)動(dòng)物體的速度方向和物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件。在真實(shí)的問(wèn)題情境下引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力解決實(shí)際問(wèn)題,在這一過(guò)程中逐步提升其自主獲取知識(shí)的能力。真實(shí)情境教學(xué)對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式具重要作用,教師應(yīng)全面考量所選情境的人文性和社會(huì)性,以及授課內(nèi)容和方式能否覆蓋物理學(xué)科必備知識(shí)和關(guān)鍵能力,確保課堂教學(xué)向“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”轉(zhuǎn)變。