物理教学中学生科学素养的培养

陶兆宝

人教社物理必修1教材第一章第3节是关于“匀变速直线运动位移与时间的关系”的研究，是高中学生第一次将微元和极限思想结合起来，对较为复杂的匀变速直线运动进行研究，最终得出匀变速运动规律的位移与时间关系的表达式. 教材首先通过“探究小车的运动规律”的测量记录，用分段累积的方法估算物体的位移，用语言引导的方法启发学生，如果时间间隔越小，应该是估算越精确，然后用v-t图直观显示，时间间隔取得越小，越来越窄的小矩形面积之和就越接近物体在整个过程的位移. 最后，“很多很多”小矩形顶端的“锯齿形”就看不出来了，这些小矩形合在一起成了一个梯形，梯形面积就是物体的位移. 笔者觉得，这种只有定性说理和推测的研究，可以让学生较好地体会这种处理问题的思想方法，但总有一点美中不足、意犹未尽之感，本人通过在定性基础上的量化拓展研究，将隐性的科学知识和科学方法直观显性化，取得了良好的教学效果，现与同行交流.

一、 探究匀速运动过程中的位移与时间关系

从学生已经掌握的匀速直线运动规律开始研究，得到物体在时间t内的位移，从图1可以看出，匀速直线运动的位移为v-t图象下面的面积.

二、 探究匀变速直线运动位移与时间的关系

以教材《思考与讨论》为基础，定性体会估算匀变速运动位移的思想和方法，数据和处理方法如表1.

在此基础上，可用简化的匀变速直线运动数学模型，例如：一个匀变速直线运动物体的初速1m/s，加速度为1m/s2，运动时间为1s. 这段时间最小速度为1m/s，在1s内运动的位移应大于1m，这段时间运动的最大速度为2m/s，运动的位移应小于2m，由于匀变速运动的物体速度是均匀变化的，运动的位移可能是多少，让学生去猜想，几乎所有的同学都感知到好像应该是1.5m. 当学生猜想出位移的准确值之后，就为研究过程提供了可靠的方向性量化证据.

如果将全过程认为速度是1m/s的匀速运动，得到：x=vt=1×1=1（m）. 则位移是1m，比我们猜想的距离少了0.5m.

如果每小段用0.5s时间间隔来估算整个过程，这样全过程就分为2段处理，得到：x=1×0.5+1.5×0.5=1.25（m）. 比我们猜想的距离少了0.25m，有极个别同学发现并注意到是原来的二分之一.

如果每小段用0.2s时间间隔，分为5段处理，有的同学在计算求和时，还应用了如下所描述的数学取平均思想，这正是匀变速运动求平均速度的思想萌芽，为理解匀变速运动平均速度奠定了坚实的数学基础.

通过数学归纳和推测，学生很清楚地得出定量结论，如果时间段是原来的几倍，与真实结果的差异就是原来的多少分之一，如果取很多很多个时间段，就可以认为等于原来的真实值了.

三、 利用图象进一步探究匀变速直线运动位移与时间的关系

教材利用了如图2所示的四幅图，定性说明，时间间隔越少，很多很多的小矩形顶端就“看不出来了”，物体的位移就是v-t图象的梯形面积.

四幅图让学生直观清晰地领会了前面处理的思想和方法，再进行以下定量拓展研究，会让学生的思维得到升华.

如图3所示，以vc速度运动OA时间，比匀变速运动的v-t图下的面积差异了S0 . 如图4，如果将OA时间分为二段，物体第一段运动图线CD，第二段运动EF，则运动图线下面的面积与匀变速运动的CB段下面的面积相比，差异的如图4所示的两个三角形△CDE和△EFB的面积，其面积刚好为原来S0面积的二分之一. 如果将时间段变为四段，如图5所示，四段匀速运动的位移与匀变速运动的CB段下面的面积相比，差异了四个小三角形△abc的面积，△abc的边长是△CGB的四分之一，其面积为S0面积的十六分之一，四个就相差了S0面积的四分之一，这样从理论上得到同样的定量结论，如果估算时所取的时间段为原来的几倍，两者相差的面积就为原来的几分之一，当所取的时间段“很多很多”时，两者图线下的面积就可以认为相等了.

评析：第一，从匀速直线运动研究入手，问题设计是以学生的认知结构为起点 ，分析问题以学生的思维方式为起点，让认知和思维符合学生的实际，有利于引起思维共振，有利于降低认知难度，也有利于拉近师生情感距离，让学生能思其所思、因势利导，惑其所惑、以利解惑. 第二，我们从前面的算术计算可以看出，在分段估算中，匀变速直线运动的平均速度为研究段的最小速度和最大速度的平均值，从代数式中也可以看出匀变速运动的平均速度为初速和末速的平均值，从几何图形看，是梯形的中位线，这样的处理能让学生更加深刻地理解匀变速直线运动的平均速度特点. 第三，作为问题的定性分析，相对来说陈述性较多，在教学中如何进行科学素养培养，需要我们对蕴藏的科学探究要素进行挖掘和再现，通过设置问题进一步来进行定量研究，这样通过对研究过程中各探究要素意义的显性认识，来逐步掌握科学探究的方法，通过对科学方法教学的显性化，有效构建学生科学素养中的方法体系，这样的处理尽可能多地让学生在课堂教学中发生探究性活动的行为，同时基于基本问题的教学是培养学生科学素养的最直接也是最有效的途径.