析悟物理问题情境 发展学科关键能力

张小建

(江苏省栟茶高级中学,江苏 南通 226406)

1 问题的提出

物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任等4个方面．《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称《课程标准》)明确提出发展学生的物理学科核心素养是普通高中物理课程的具体目标．教师应基于具体的问题情境,科学设计各种教学活动,引导学生建构物理概念、形成物理规律,把形成的物理观念和科学思维用于解决实际问题,在问题解决的过程中发展关键能力,促进物理学科核心素养的逐步形成．由此可见,基于问题情境的课堂教学活动是提升学生物理学科关键能力的重要平台．然而,很多教师重解题训练却忽略在问题情境中帮助学生逐步形成和发展物理观念,制约了学生学科关键能力的发展．学生建构物理观念操之过急,导致解题时“眼高手低,一看觉得会,一做就错”．因此教师有必要领悟物理高考试题如何设置问题情境考查关键能力,反思教学实践中如何创设问题情境发展学科关键能力．

2 分析问题情境 聚焦关键能力

高考物理试题命题依托“一核四层四翼”的高考评价体系,加强了对学生逻辑推理、信息加工和模型建构等关键能力的考查,体现高考引导教学的核心功能．高考加强对关键能力的考查,引导高中物理教学的任务目标,即培养学生在具体的问题情境中运用所学知识进行独立思考、分析解决问题、交流与合作等能力．试题中创设的问题情境呈多样化、真实化等趋势．问题情境的多样化是指以文字、表格、图片、图像等多样化的形式为试题的任务情境;问题情境的真实化是选择社会、生产、生活中的实际情境．下面就2018年江苏省高考试题中的问题情境试题加以分析,体会高考是如何考查关键能力,发展核心素养．

2.1 逻辑推理能力

逻辑推理是科学研究中重要的思维方式和研究方法,是探究自然规律的重要思维工具．逻辑推理是指在问题解决的过程中能依据已知的事实和条件,关联到相应的知识和方法进行推理和论证,得出正确结论并准确地表达出来．2018年江苏省高考卷第6题以学生在乘火车时可能会遇到的生活现象为任务情境设置问题,考查学生的推理能力．下面通过对此题的分析,感悟解决实际情境问题的过程就是培养逻辑推理能力的过程．

例1.火车以60 m/s的速率转过一段弯道,某乘客发现放在桌面上的指南针在10 s内匀速转过了约10°.在此10 s时间内,火车

(A) 运动路程为600 m.

(B) 加速度为0.

(C) 角速度约为1 rad/s.

(D) 转弯半径约为3.4 km.

在本题审题的过程中,学生根据试题描述的实际情境:火车转过一段弯道和指南针在10 s内匀速转过10°,根据学生对参考系的理解,作出火车在10 s内匀速转过10°的结论．再依据匀速圆周运动的相关知识进行逻辑推理．在实际问题解决的过程中,推理的每一步都要有依据,如本题依据实际情境分析出运动性质,再依据运动性质相关联的物理知识由已知量推理出所求量．推理的主要依据是相关的物理知识,为提高逻辑推理能力,就要注重物理概念和规律的教学．《课程标准》中指出,引导学生体会物理概念、规律的形成过程是发展科学思维的重要途径,而逻辑推理又是科学思维的重要组成要素．创设合理的实际情境是引导学生体会概念、规律形成过程的有效策略,以培养学生通过逻辑推理解决问题的意识、积累相关经验,规范逻辑推理的思维程序．

2.2 信息加工能力

物理情境、物理规律通常也可以用函数图像、几何图形和表格等多种形式呈现．要求学生能够从图像中获取与物理过程、物理状态、物理概念和规律等相关关键信息.通过对关键信息进行准确地加工后,作出合理的推理判断．在问题解决的过程中学生的信息加工能力主要表现在对信息的收集能力、理解能力、分析与综合能力等．2018年江苏省高考卷第12题C(3)以振动图像为任务问题情境呈现两个质点的振动情况,考查学生的信息加工能力．

图1

例2.一列简谐横波沿x轴正方向传播,在x=0和x=0.6 m处的两个质点A、B的振动图像如图1所示.已知该波的波长大于0.6 m,求其波速和波长．

本题要求学生能由某质点的振动图像判断质点的振动方向和直接读出振动周期,再由质点的振动情况得出简谐波的传播规律．学生在问题解决的过程中,需要学生理解试题中的任务情境、抓住问题本质,吸收、加工题中文字和图像呈现的关键信息,并关联到已有知识和方法．未来社会一定是大数据、AI的时代,提高学生的信息加工能力才能适应人类社会发展的需求．在信息加工的过程中需要多种形式的思维参与,培养信息加工能力可以发展学生的科学思维能力．

2.3 模型建构能力

模型建构是运用物理观念解决问题、运用科学思维分析问题的关键．模型建构的过程就是把问题中情境细节转化为物理概念或规律、将实际情境转换为物理情境的过程．物理问题情境往往比较繁杂,在解决问题时需要忽略次要因素,抓住主要因素,建立能够反映问题本质特征的物理模型,如质点模型,匀强电场模型,匀变速直线运动模型,类平抛运动模型,匀速圆周运动模型等．2018年江苏省高考卷第3题就是以学生熟悉的玩具弹射管为情境,通过创新设置问题,考查学生模型建构能力．下文通过对本题的分析,审视在物理学科核心素养的视角下习题课教学的目的,体会解决实际情境问题进行模型建构能力的培养．

例3.某弹射管每次弹出的小球速度相等.在沿光滑竖直轨道自由下落过程中,该弹射管保持水平,先后弹出两只小球.忽略空气阻力,两只小球落到水平地面的

(A) 时刻相同,地点相同.

(B) 时刻相同,地点不同.

(C) 时刻不同,地点相同.

(D) 时刻不同,地点不同.

本题解题的关键是通过对实际情境中弹射管和小球进行动力学分析判断出两物体的运动性质,这一重要思维过程就是物体运动模型建构的过程,然后才能依据相关联的惯性定律和运动的独立性原理进行推理．可见,模型建构是一种重要的科学思维方法．因此习题课的教学目的是要让学生体会建构这些物理模型的思维过程及思维方法．为避免机械套用,必须理解物理模型的适用条件．为提升模型建构的能力,尽量选择学生熟悉的实际问题情境,在实际情境问题中一般不直接呈现物理模型,需要学生多角度分析才能建构物理模型,有益于提升学生的模型建构能力．

3 创设问题情境 发展关键能力

《课程标准》在实施建议中提出:创设情境教学,对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用．教师在设计教学活动时,要精心创设反映物理知识本质的问题情境,发展学生的学科关键能力．

3.1 物理概念的教学

图2 实际情境

在物理概念的教学中,由于物理概念的抽象性,学生通过生活体验获得大量的直觉经验并不能反映现象的本质特征,对物理概念的建立有较大的负面影响．例如,通常静止的物体受静摩擦力、运动的物体受滑动摩擦力,学生就会简单认为只有静止的物体才能受到静摩擦力作用．针对学生的这一认识,可播放如图2的视频:第一个镜头站在地面上拍摄的,另一个镜头站在电梯台面上拍摄的．以地面为参考系,小孩是运动的;但以电梯台面为参考系,小孩是静止的,即小孩与台面是相对静止的且有相对台面下滑的运动趋势,故台面对小孩施加沿台面向上的静摩擦力．创设学生熟悉的实际情境,学生能身临其境,也就不难反思出产生错误的原因是没有理解“相对”的含义．在物理概念的教学中创设学生熟悉的实际情境,学生容易概括出问题的共同特征,抽象出问题的本质特征,实践证明能够培养学生的科学思维,以发展关键能力．

3.2 物理规律的教学

在物理规律的教学中,如果对物理规律仅仅是理论探究,学生会感觉枯燥无味,久而久之就会丧失对物理学习的兴趣,也使物理失去其本质意义．而创设相应的问题情境,学生由真实的问题情境形成真实的问题,也就能认真的探究．

例如,在“探究小灯泡的伏安特性曲线”一节课中不是直接把实验原理、实验步骤等一讲就放手让学生做实验而是创设如图3所示的问题情境,先让学生观察定值电阻的电流随时间的变化,然后把电阻换成小灯泡,再让学生观察小灯泡中电流随时间的变化关系．学生通过比较两个图像的不同之处,自然就会根据通过小灯泡的电流发生变化判断出小灯泡的电阻发生变化．进一步产生想探究小灯泡的电阻是如何变化的冲动,再适时启发学生如何利用欧姆定律设计测量电路,怎么解决遇到的问题,怎么减小系统误差,又怎么实现多次测量等．先展示问题情境,让学生发现问题,可以激发了学生自主探究的兴趣,培养了学生的问题意识,也实现了由问题情境向物理模型的转化．学生切身体会把真实情境转化为物理模型的探究过程,感受研究自然现象的乐趣,提升对现象本质的认识,提高模型建构能力．

图3 实验情境

3.3 习题的教学

高考命题有从考查解题能力向考查问题解决能力转变的趋势．在习题的教学中,要从培养学生终身发展所需的核心素养的视角审视习题教学的目的,应注重把学生在物理课程中形成的关键能力用于分析、解决实际情境问题.这样做既可避免习题教学的作用仅仅是得出答案又可全面提高学生的问题解决能力．

图4 经典模型

例如,研究如图4的装置——阿特伍德机,阿特伍德机为经典物理模型,是一种测量加速度和研究运动规律的装置．高考试题中经常以理想化的阿特伍德机为试题任务情境设置问题．高中物理实验室里一般选用塑料材质的滑轮和棉线,由于滑轮、棉线的质量较轻可忽略不计,作理想化处理．这类典型问题的解法也较常规,但不能只是简单告诉学生结论．在完成常规解法的教学任务后可作如下的拓展．对理想化的模型轻绳,要让学生明白为什么轻绳两端拉力大小相等,其本质原因为轻绳是忽略质量的理想模型,对整个轻绳进行研究,根据牛顿第二定律知,轻绳的合外力始终等于0,与加速度为多大无关,所以轻绳两端受到的拉力大小相等．对于轻质且不计一切阻力的滑轮,也是一个理想模型．如果滑轮有质量,由于滑轮有转动惯量,滑轮两端绳的拉力不等,要解释就超过大纲要求;但如果滑轮有摩擦阻力,滑轮两端绳的拉力大小仍相等吗?通过受力分析,由整个轻绳的合力为0，得TB=TA+f．由此还可提出开放性问题让学生自主探究:如何消除滑轮受到摩擦阻力的影响?或如何测出摩擦阻力的大小?这样学生在遇到2018年江苏省高考第11题(3)问的创新设问“怎么用橡皮泥减小滑轮的摩擦阻力引起的实验误差”时,就会心中有底了．

在平时的习题教学中,如果仅仅就题讲题、告诉学生经验性的结论,就不利于学生建立物理观念、培养科学思维．对于典型的物理模型既要让学生学会怎样做更要让学生理解为什么是这样做,这样学生在面对新情境、创新设问时就能灵活应对．以实际情境为背景的习题,可以提升学生科学探究的兴趣,增强问题意识,提高模型建构和信息加工等能力．这样,在习题教学中可以让学生获得在实际情境中解决问题的大量经验,形成把情境与知识相关联的意识和能力,可以进一步有效提高学生的学科关键能力．

4 结语

随着高考考试内容的深化改革,试题凸显基础性、综合性、应用性和创新性,强调创新问题情境的设置、创新试题的设问角度,考查关键能力,凸显核心素养,推进素质教育的发展．在高中物理概念、规律、习题等教学过程中教师要创设合理的问题情境,加强学生对物理知识内涵与外延的理解,体会问题解决的思维程序,提升学生在多样而真实的情境中吸收与加工关键信息的意识,积累问题情境转化的经验,以逐步培养学生的学科关键能力．