落实情境教学 提炼物理观念——以“相互作用”复习课为例

戎 杰 陈旦妮 胡科杰

(浙江省慈溪中学 浙江 宁波 315300)

《普通高中物理课程标准》提到，物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.基于此，在学科核心素养的5个水平划分中，如表1所示，均提及要能从物理学的视角观察自然现象，并应用物理知识解决实际问题[1].

表1 物理观念水平划分

笔者在“相互作用”复习课中，通过展示生活情境，提出具体问题，梳理解决思路，整合知识方法，真正有效地落实情境教学，提炼物理观念.

1 提出实际问题 形成探究思路

教学环节：展示生活中常见的3种情境：晒衣服、引桥、起吊机的大型吊臂.提出问题，引发学生思考.

问题1：如图1所示，晒衣服的绳长一定时，悬挂的固定点两端为什么要靠近一些？

图1 晒衣服

问题2：如图2所示，起重机的大型吊臂绳索为什么要固定高一些？

(a) (b)

问题3：如图3所示，引桥为什么要建造得长一些？

(a)

应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境.运用物理知识解决实际问题的能力高低，往往取决于学生将情境与知识相联系的水平.能不能把问题中的实际情境，建立相应的物理模型，这是应用物理观念思考问题，应用物理知识分析解决问题的关键.在物理教学中，应让学生获得在实际情境中解决物理问题的大量经验，并尝试对实际问题进行物理模型的建构，最终形成把情境与知识相关联的意识和能力.

2 “弹力”的情境教学

2.1 绳模型

问题探究一：晒衣服的绳长一定时，悬挂的固定点两端近一些好还是远一些好？

教学环节：邀请两组学生上讲台，先后参与提杠铃的趣味实验.如图4所示，先由一位瘦小的女生手提杠铃，观察到她能够轻易地把杠铃提升到离地70 cm的高度.后由两位高大的男生通过麻绳拉杠铃，观察到他们很难把杠铃拉到同一高度.引发学生由现象展开思考：用麻绳把杠铃往上拉的过程中，两绳之间的夹角越来越大，绳子受到的拉力显然是越来越大的.

(a)女生手提杠铃

由此产生联想和类比：晒衣服时，悬挂的固定点越远，两绳之间的夹角越大，受到的拉力越大，绳子越容易断裂.

学生上台参与趣味实验的教学活动，用教学情景刺激学生的身体感知，调动学生多方位地感受，用口动、手动、身动的结合来激发学生的学习兴趣，提高学习质量，加深感性认知.同时，通过麻绳拉杠铃和绳上晒衣服两类模型之间的类比，从定性的角度形成感性认知，得到初步结论[2].

教学环节：当我们遇到实际问题时，需要建立熟知的物理模型，对研究对象进行受力分析，采用相应的物理方法进行定量计算，解决实际问题,如图5～图7所示.

图5 “晒衣服”的建模

图6 对“悬挂点O”的受力分析

图7 力的合成

实际问题模型化是高中阶段处理问题的基本思路和方法.物理模型是一种理想化的物理形态，所谓“建模”就是将复杂的研究对象或物理过程，通过用理想化、简单化、抽象化、类比化等手段，突出事物的本质特征和规律，形成样板式的概念、实物体系或情境过程.

教学环节：由平衡条件

2Tcosθ=mg

得

随着θ的增大，cosθ减小，T增大.

定性分析和定量探究是物理教学中常用的两种方法.定性分析是通过对物理问题的分析、解构，重新构建物理模型，定性地解释物理现象，描述物理规律的过程.定量研究则是在定性分析的基础上，将物理模型清晰化，用适当的数学方法求出精确解的过程.定性分析更多的侧重于对问题的整体把握和理解，而定量分析则更利于抓住问题的本质.从定性到定量的探究，符合科学探究的基本思路.从定量的角度，具体分析了绳子受到的拉力与角度的关系.因此，晒衣服时，为了减小绳所受拉力，悬挂点应适当近一些，减小绳子与竖直方向的夹角.

教学环节：观光索道应设计得松弛些还是紧一些？

图8 观光索道

适当的思维拓展，引导学生灵活应用已学的物理知识，解释自然现象，指导生产实践，提高学生物理观念水平[3].

2.2 杆模型

问题探究二：起重机的大型吊臂绳索为什么要固定高一些？

教学环节：如图9所示，课堂实验，每位学生利用圆珠笔、细绳、钩码自制起重机吊臂模型，并感受：

图9 模拟“起重机吊臂”

(1)笔杆对手掌的弹力的方向？

(2)悬挂点由高到低的变化过程中，手指受到绳的拉力如何变化？

通过实验体验，学生感受到笔杆对手掌的力沿着杆的方向.当固定点降低(P′低于P)，角度变小(θ′<θ)，感受到手指被绳子勒住的痛感变明显，说明随着固定点的下移，绳子的弹力变大，同时，笔杆对手掌的压力也变大.让学生从感性认知中获得感受和体会，并能定性分析为了减小绳子所受拉力，吊臂的固定点应尽可能高一些.

教学环节：如图10～图12所示，建立物理模型，选择B点进行受力分析，采用力的合成作出图示.

图10 “起重机吊臂”的建模

图11 “结点B”的受力分析

图12 力的合成

教学环节：由平衡条件得

可知随着θ的减小，sinθ减小，T增大.

教学环节：如图13所示，空调外机底座上倾斜的金属杆铆钉应如何安装？靠近墙壁还是远离墙壁？

(a)空调外机及底座

3 “摩擦力”的情境教学

问题探究三：引桥为什么要建造得长一些？

教学环节：如图14～图16所示，按照上述探究思路，先对汽车过桥问题进行合理的物理建模，对汽车进行正确的受力分析，并进行力的分解，确定各力的定量关系.

图14 “汽车过桥”的建模

图15 汽车受力分析

图16 力的分解

若汽车在斜面上匀速下坡，由平衡条件得知

Ff=G1=Gsinθ

FN=G2=Gcosθ

由此可以得到，当θ越大，sinθ越大，重力沿斜面向下的分力越大，需要提供的阻力也就越大.同理，汽车上坡时，需要提供的牵引力也就越大.

因此，为了防止下坡时刹车片过热；上坡时动力不足，引桥的倾角要适当小些，即引桥需修筑长一些.

区别于问题探究一和二使用“力的合成”的方法，问题探究三中复习了“力的分解”的方法.将不同的方法融汇于各模型的问题探究，将知识和方法的复习，融入具体的问题情境解决中，代替知识点直白的枯燥讲解，使学生更好地掌握合成和分解的方法.

教学环节：如图17所示，游乐园里的“过山车”和“激流勇进”项目，轨道应设计得平缓些还是陡峭些？

(a)过山车 (b)激流勇进

在本节课中，围绕基本力“弹力”和“摩擦力”的复习，通过“现象观察，问题提出”“物理建模，受力分析”“合成分解，数学求解”“问题解决，指导实践”这4个环节，真正有效地落实了情景教学，提炼“相互作用”物理观念.在课堂教学中应当充分挖掘物理学科联系实际生活的素材，用生动、丰富的生活事例来丰富教学内容、优化教学过程，这是活化物理教学，提高学生物理知识建构的有效途径.加强物理知识与实际生活的联系，把渗透物理知识的实际应用作为当前物理改革的方向，也体现了从生活走向物理、从物理走向生活的理念[4].

图18 形成清晰、系统的物理观念思维导图