基于物理真实情境的习题教学实践研究

◇ 海南 朱世军

新版的高中物理教材《必修二》中有这么一道题,很多学生都反映不知道如何下手．

原题木星的卫星中有4颗是伽利略发现的,称为伽利略卫星,其中三颗卫星的周期之比为1∶2∶4.小华同学打算根据万有引力的知识计算木卫二绕木星运动的周期,他收集到了如下一些数据．

木卫二的数据:质量为4.8×1022kg、绕木星做匀速圆周运动的轨道半径为6.7×108m．

木星的数据:质量为1.9×1027kg、半径为7.1×107m、自转周期为9.8 h.

但他不知道应该怎么做,请你帮助他完成木卫二运动周期的计算．

这道题与我们往常遇到的习题不太一样．题目有超量的信息,有些信息在解题中始终没有用上,其信息量不是刚好符合理想规律和理想模型．这种类型的习题就是基于物理真实情境,即非理想化情境设置的．

真实情境就是该情境和学生当前的学习和生活有着某种真实的联系,具有真实感,一般具有以下基本特征:

1)熟悉性．情境是真实存在的,一般是实际生产生活或科技工作中能切切实实看得见,或者能感受到的．学生可以在生活中观察到,或者可以通过照片、视频得以重现或构建,与学生熟悉的知识和经验相联系．如果真实,但学生不熟悉,不能为学生所认识,就失去了真实情境的意义,不能给学生以真实的感受．

2)原始性．真实情境只是存在,未经修饰,其中物理量的数据并不已知,也没有选择项,需要自己选择工具进行测量,数值也未必是刚刚好的,通常也不方便计算．

3)开放性．真实情境包含的信息可能涉及物理、化学、数学、历史等内容．单单物理方面的信息,也是多种多样的,比较复杂．比如上题中木星与卫星的已知信息,就存在信息超量的情况,真实情境中信息还要更多．真实情境中包含的信息是多元的,是开放的,需要进行信息的选择．从问题的答案来说也不是固定的,会随着具体情形有所变化．

我们以公共汽车车厢中吊环的运动为例．吊环时而竖直悬挂,时而向后偏离,时而向前偏离,或者偏离后不稳定还会来回摆动．其运动是复杂的、多样的,其偏离的角度也往往不确定．但这才是真实的情境,是我们乘坐公共汽车或地铁都能看得到的．

2 新课程改革对真实情境的新要求

物理源于生活,又高于生活．要提高学生实际运用知识的能力,就需要在具体的物理真实情境中加强训练,从真实情境中提炼知识,将物理规律运用于真实情境．作为教学行动纲领的课程标准明确提出了对真实情境的要求．在《普通高中物理课程标准(2017年版)》的命题建议中要求:“试题的情境要具有一定的问题性、真实性、探究性或开放性．通过学生在应对复杂现实情境,参与相应探究学习活动中的外在表现来考查物理学科核心素养．因此,评价学生的物理学科核心素养,应尽量创设类型多样的、具有一定复杂程度的、开放性的真实情境作为试题的任务情境．”在科学探究维度学业质量水平5中也明确要求:“能面对真实情境,从不同角度提出并准确表述可探究的物理问题,作出科学假设．”习题教学基于真实情境,可以培养学生解决实际问题的能力,聚焦学生物理学科核心素养．但对比学生做题的情况来看,与我们的期待仍有一定的差距,需要探讨和加强真实情境下的物理习题教学．

3 基于物理真实情境的习题教学策略

习题教学的主要目的是在运用中复习与巩固知识,提高探究能力和解决问题的能力．针对学生目前面临的困境,结合个人教学实践,提出下列教学策略．

首先是要创设真实的物理情境．真实物理情境需要选择学生生活中熟悉的,或者通过学习已经了解的情境．创设的手段与形式是多样化的,可以从教室、实验室延伸到家庭、社区、工厂、研究所等场所,也可以充分利用现代信息技术从网络上发掘好的素材,甚至是学生熟悉的游戏题材．

其次是利用建模的知识进行转换．学生往往已经习惯理想模型问题,一旦遇到真实背景的原始问题往往不知所措．这时需要将真实物理情境下的原始问题转换到理想化情境下的理想模型,实现经验与现实的“链接”．模型建构主要是从实际问题中抽取核心要素及要素间的关系,进而构建物理模型．下面我们以公共汽车吊环为例进行实践研究．

1)确定研究对象和研究问题．真实情境中物体众多,运动各异,需要根据问题从中选定研究的物体与研究的物理状态或过程．在公共汽车运动的过程中,车上的乘客、司机、车轮、吊环等都会随车的运动情况不同有不同的表现．从方便测量的角度可以选择吊环作研究对象,来分析汽车运动的加速度．

2)搜集真实背景中的相关物理信息．从物理视角和问题出发,框定信息收集范围,发掘物理量和物理关系．从吊环本身来说,它有自己的颜色、温度、形状,有自己的运动,也有不同的受力．从吊环与汽车的关系来说,二者有相互作用,运动有时相同,有时不同．只有当吊环与汽车相对静止时,汽车与吊环的运动情况才是一致的．

3)抽取核心要素,简化次要因素,忽略无关因素．从问题的角度出发,我们逐一对照所发现的物理信息与研究的问题的相关性,排除完全无关的,简化影响小的．如吊环吊带的颜色、粗细和材质几乎不影响问题的研究,就可以简化为细绳模型．

4)对比和选择合适的物理理想模型．将我们研究的情境和信息与理想模型进行对照,将真实情境下的原始问题抽象成一定的理想物理模型．公共汽车内的吊环运动问题就成为悬挂在小车内小球的运动模型．

5)选择物理规律.理想模型一旦选定,解决问题的途径和规律就逐渐熟悉和清晰,根据模型特点进行受力分析,进而应用牛顿第二定律算出其加速度a=gtanθ．

6)把情境转换为解题条件.根据解决问题的需要,重新审视模型和所需条件,将真实情境转化为解题条件．比如这里吊环的偏角就是我们需要的已知量,我们可以采用录像的方式,选择偏角稳定的时候暂停或截图进行测量．

总之,真实情境下的习题教学需要在真实情境下通过运用模型知识和模型思维,在练习中提高运用规律解决实际问题的能力,培养学生物理学科核心素养．