物理教學中學生科學素養的培養

陶兆寶

人教社物理必修1教材第一章第3節是關于“勻變速直線運動位移與時間的關系”的研究，是高中學生第一次將微元和極限思想結合起來，對較為復雜的勻變速直線運動進行研究，最終得出勻變速運動規律的位移與時間關系的表達式. 教材首先通過“探究小車的運動規律”的測量記錄，用分段累積的方法估算物體的位移，用語言引導的方法啟發學生，如果時間間隔越小，應該是估算越精確，然后用v-t圖直觀顯示，時間間隔取得越小，越來越窄的小矩形面積之和就越接近物體在整個過程的位移. 最后，“很多很多”小矩形頂端的“鋸齒形”就看不出來了，這些小矩形合在一起成了一個梯形，梯形面積就是物體的位移. 筆者覺得，這種只有定性說理和推測的研究，可以讓學生較好地體會這種處理問題的思想方法，但總有一點美中不足、意猶未盡之感，本人通過在定性基礎上的量化拓展研究，將隱性的科學知識和科學方法直觀顯性化，取得了良好的教學效果，現與同行交流.

一、 探究勻速運動過程中的位移與時間關系

從學生已經掌握的勻速直線運動規律開始研究，得到物體在時間t內的位移，從圖1可以看出，勻速直線運動的位移為v-t圖象下面的面積.

二、 探究勻變速直線運動位移與時間的關系

以教材《思考與討論》為基礎，定性體會估算勻變速運動位移的思想和方法，數據和處理方法如表1.

在此基礎上，可用簡化的勻變速直線運動數學模型，例如：一個勻變速直線運動物體的初速1m/s，加速度為1m/s2，運動時間為1s. 這段時間最小速度為1m/s，在1s內運動的位移應大于1m，這段時間運動的最大速度為2m/s，運動的位移應小于2m，由于勻變速運動的物體速度是均勻變化的，運動的位移可能是多少，讓學生去猜想，幾乎所有的同學都感知到好像應該是1.5m. 當學生猜想出位移的準確值之后，就為研究過程提供了可靠的方向性量化證據.

如果將全過程認為速度是1m/s的勻速運動，得到：x=vt=1×1=1（m）. 則位移是1m，比我們猜想的距離少了0.5m.

如果每小段用0.5s時間間隔來估算整個過程，這樣全過程就分為2段處理，得到：x=1×0.5+1.5×0.5=1.25（m）. 比我們猜想的距離少了0.25m，有極個別同學發現并注意到是原來的二分之一.

如果每小段用0.2s時間間隔，分為5段處理，有的同學在計算求和時，還應用了如下所描述的數學取平均思想，這正是勻變速運動求平均速度的思想萌芽，為理解勻變速運動平均速度奠定了堅實的數學基礎.

通過數學歸納和推測，學生很清楚地得出定量結論，如果時間段是原來的幾倍，與真實結果的差異就是原來的多少分之一，如果取很多很多個時間段，就可以認為等于原來的真實值了.

三、 利用圖象進一步探究勻變速直線運動位移與時間的關系

教材利用了如圖2所示的四幅圖，定性說明，時間間隔越少，很多很多的小矩形頂端就“看不出來了”，物體的位移就是v-t圖象的梯形面積.

四幅圖讓學生直觀清晰地領會了前面處理的思想和方法，再進行以下定量拓展研究，會讓學生的思維得到升華.

如圖3所示，以vc速度運動OA時間，比勻變速運動的v-t圖下的面積差異了S0 . 如圖4，如果將OA時間分為二段，物體第一段運動圖線CD，第二段運動EF，則運動圖線下面的面積與勻變速運動的CB段下面的面積相比，差異的如圖4所示的兩個三角形△CDE和△EFB的面積，其面積剛好為原來S0面積的二分之一. 如果將時間段變為四段，如圖5所示，四段勻速運動的位移與勻變速運動的CB段下面的面積相比，差異了四個小三角形△abc的面積，△abc的邊長是△CGB的四分之一，其面積為S0面積的十六分之一，四個就相差了S0面積的四分之一，這樣從理論上得到同樣的定量結論，如果估算時所取的時間段為原來的幾倍，兩者相差的面積就為原來的幾分之一，當所取的時間段“很多很多”時，兩者圖線下的面積就可以認為相等了.

評析：第一，從勻速直線運動研究入手，問題設計是以學生的認知結構為起點 ，分析問題以學生的思維方式為起點，讓認知和思維符合學生的實際，有利于引起思維共振，有利于降低認知難度，也有利于拉近師生情感距離，讓學生能思其所思、因勢利導，惑其所惑、以利解惑. 第二，我們從前面的算術計算可以看出，在分段估算中，勻變速直線運動的平均速度為研究段的最小速度和最大速度的平均值，從代數式中也可以看出勻變速運動的平均速度為初速和末速的平均值，從幾何圖形看，是梯形的中位線，這樣的處理能讓學生更加深刻地理解勻變速直線運動的平均速度特點. 第三，作為問題的定性分析，相對來說陳述性較多，在教學中如何進行科學素養培養，需要我們對蘊藏的科學探究要素進行挖掘和再現，通過設置問題進一步來進行定量研究，這樣通過對研究過程中各探究要素意義的顯性認識，來逐步掌握科學探究的方法，通過對科學方法教學的顯性化，有效構建學生科學素養中的方法體系，這樣的處理盡可能多地讓學生在課堂教學中發生探究性活動的行為，同時基于基本問題的教學是培養學生科學素養的最直接也是最有效的途徑.