習題教學中彰顯物理學科情懷
——以勻變速直線運動規律運用的習題課為例

楊學切

(福建省廈門第一中學，福建 廈門 361003)

1 課程標準凝練了物理學科情懷

《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱課標)的課程性質表明：高中物理課程引領學生認識科學的本質以及科學·技術·社會·環境(STSE)的關系，形成科學態度、科學世界觀和正確的價值觀，為做有社會責任感的公民奠定基礎.[1]因此，高中物理教學終極目標是培養有社會責任感的公民.作為有社會責任感的公民，首先要有家國情懷.科學無國界，科學家卻是有祖國的，根據高中物理教學內容的相關性，及時講述國內外科學家的愛國史實，以此點燃學生的家國情懷，在物理教學活動的一言一行中滲透，使得學生的家國情懷從心靈深處生長.

課標提出的物理學科4大核心素養：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.通過高中物理學習學會用物理觀念描述自然界圖景；能用理性思維思考、解決問題，在質疑中追求創新；能基于觀察提出問題，基于證據解釋問題，能運用科學語言與他人溝通交流；了解科學研究、應用應遵循道德規范，具有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感.[2]這些都是以人為本，以人為終極目的的情懷，對人類生存意義與價值的關懷，物理教學需要充分發揮的物理學科的人文情懷.教師把物理學的知識體系展現給學生的同時，教學過程中夠適時、合理地引入人文情懷的熏陶，是實現內化知識，形成學科思維，樹立正確人生觀、價值觀的一條蹊徑.

課標中似乎沒有審美情懷的相關表述，但是在科學探究的過程，科學思維的訓練，物理觀念的形成，科學態度的養成各個細節，無不蘊含著科學的審美情懷.楊振寧說:“科學中存在美,所有的科學家都有這樣的感受.如果對科學理論中所呈現出來的審美特征作比較直接的描述概括,那就是簡單、對稱、和諧與統一.”高中物理教學中滲透審美情懷，讓學生懂得領略和鑒賞,進而激發人們對科學產生濃郁的興趣;讓學生明白審美情懷有助于科學創造.

木心說：“沒有審美力是絕癥，知識也解救不了.”美能夠滌蕩人的心靈，改變人的精氣神，美能喚醒我們對內心的尊重，因而去尊重生活、尊重他人.將審美情懷滲透到物理教學中的點點滴滴，才能讓學生品嘗到生命中最甜的那部分滋味.

基于以上認識，下面以勻變速直線運動習題課為例，展示在高中物理習題教學中如何彰顯學科情懷.

2 勻變速直線運動規律應用的習題課教學設計

2.1 教學設計流程

教學設計流程如圖1所示.

圖1 教學流程圖

2.2 教學過程

環節1：協和號AF4590客機空難的思考.

圖2

課題引入，觀看視頻(視頻截圖如圖2)

教師介紹事件背景：賦有“空中驕子”之稱的協和超音速飛機,最大飛行速度可達2.04馬赫(2150 km/h).2000年7月25日，協和客機AF4590班機在法國戴高樂機場進行起飛，當起飛速度達到328 km/h時(約為90 m/s)機長接到塔臺傳來消息飛機尾部起火.但是，機長還是拉起了飛機(繼續升空飛行).飛機于起飛后約2 min爆炸，墜毀于機場附近，這場悲劇造成了113人喪生.

過渡語：讓我們把沉重的心情化為嚴肅認真的科學態度，用勻變速直線運動規律來研究下面的問題.

問題1： 協和號AF4590班機的機長為什么還是拉起了飛機，而不是緊急迫降？

例1.有關數據：法國戴高樂機場跑道的總長度為4000 m，飛機勻加速起飛過程的加速度大小約為1.2 m/s2，勻減速制動過程中加速度大小約1.8 m/s2，飛機起飛速度達到328 km/h(約為90 m/s), 機長接到塔臺傳來消息飛機尾部起火.請通過計算說明，機長為什么還是拉起了飛機.

答案：加速階段位移為3375 m，減速階段位移為2250 m，兩者之和大于4000 m(具體解答略).

教師引領學生共同完成解決問題的過程，強化解題思維規范、答題規范.培育學生運用科學推理來分析機長為什么還是拉起了飛機；讓學生體驗解決物理問題程序、方法、規范的重要性，從中感受規范之美，科學思維的魅力.

問題2： 你是否有好的方法避免類似AF4590班機空難中人員傷亡?

討論交流.師生交流、生生交流、學生發表個人見解.

學生甲：將機場跑道加長；

學生乙：改善飛機性能，減速的加速度增大；

學生丙：安裝自動滅火裝置；

……

在此環節，一方面培養學生質疑創新精神，另一方面尊重學生的個性認知，靈活地的處理生成性教學資源，體現教學過程的人文情懷.為了將學生情緒拉回到“用勻變速直線運動規律解決問題”的教學目標上來，順勢拋出例題2.

例2.改善飛機的制動系統設計：為了避免類似AF4590班機空難的再發生，在原有跑道長度條件下，為協和號飛機設計一個制動系統，使飛機控制系統失靈之前恰能在跑道末端停下來，計算乘客可以獲得多少逃生時間?(有關數據：法國戴高樂機場跑道的總長度為4000 m，飛機起飛時的加速度約為1.2 m/s2，飛機起飛速度達到90 m/s，飛機于起飛后約1.5 min控制系統失靈、約2 min爆炸…)

答案(解答過程略)：減速制動時間約14 s，逃生時間約106 s.

此題給學生一定的時間獨立思考、解決，經歷體驗式學習，彰顯教育需要等待的人文情懷.

事件感悟： 協和式AF4590班機失事的原因.

圖3

教師：當年事故調查結果表明，AF4590班機在進行起飛時，輾過了跑道上另一架美國大陸航空公司的DC-10號班機脫落的小鐵條，如圖3.小鐵條造成爆胎，而輪胎碎片以超過音速的高速擊中機翼中的油箱，之后引發大火.

學生對此事故調查結果發表自己的看法.

學生甲：細節決定成敗.

學生乙：……

教師補充：協和式飛機高能耗、高燥聲、安全性差，為此協和飛機已經退出了商用客機的歷史舞臺.同學們說說人類在追求高速度與保護環境兩者之間應該做出怎樣的抉擇？

學生：……

過渡語：雖說一旦空難發生，人們很難逃生，但是實際上飛機還是最安全的交通工具.我們把目光從空中轉向地面.

環節2：汽車交通事故發生剖析.

圖4

觀看汽車追尾事故的視頻(視頻截圖如圖4).

問題3： 若對一個地區在一定時期內，汽車交通事故的原因做個調查分析.你認為造成交通事故的主要原因會是什么？

學生發表個人見解，了解科學分析問題的手段，體會運用證據說明問題的意識.

例3.酒駕和超速往往是造成交通事故的主要原因，表1為客車以不同的車速行駛時的相關參數，表中“思考距離”是指駕駛員從發現情況到采取制動的時間內(也稱反應時間)客車行駛的距離，“制動距離”是指駕駛員從發現情況到客車停止行駛的距離.

表1

(1) 根據表格，司機酒后駕駛要比正常駕駛的反應時間多多少？該客車的制動時的加速度為多少？

(2) 若該駕駛員酒后以v1=108 km/h行駛，他發現正前方l1=80 m處有障礙物，該客車是否安全？

(3) 在限速120 km/h的路段，若該駕駛員酒后以v2=135 km/h的行駛，他發現正前方l2=50 m處有一貨車以v′=54 km/h勻速行駛，就采取制動，是否安全？

學生：討論交流，思考、規范解答.

答案(解答過程略)： (1) Δt=0.5 s，a=7.5 m/s2； (2) 制動距離s1=90 m>l1=80 m該客車不安全； (3) 設客車與貨車共速時，客車制動距離s2=56.25 m>l2=50 m不安全.

教師：動畫演示突破難點(動畫截圖如圖5).

圖5

教師追問：該車只有超速，沒有酒駕的結果如何？(答案：制動距離45 m

教師再追問：只有酒駕沒有超速其結果又如何？(答案：制動距離40.26 m

學生計算得出結果：若該車只有超速，或只有酒駕還是可以避免事故發生的.當然，這不是說明生活中可以酒駕或超速，而是說明酒駕又超速是事故發生的概率大大增加.

教師：動畫演示，該車只有超速或只有酒駕的過程模擬，再用圖象直觀的展示，讓學生懂得用圖像法分析問題.

事件感悟：

教師：呈現PPT如圖6.

圖6

學生討論：知道“酒駕入刑”的必要性，遵守交通規則的重要性，感受到物理學習中充滿人文情懷.

環節3:解決問題方法總結歸納.

(1) 定對象；(2) 明過程,畫出運動示意圖；(3) 找規律，選公式；(注意多個運動過程的關聯物理量)(4) 列方程求解；(5) 審視結果合理性.

環節4：布置課后習題，繼續滲透家國情懷.

課后練習.2011年8月10日，改裝后的瓦良格號航空母艦進行出海航行試驗，中國成為擁有航空母艦的國家之一.已知該航空母艦飛行甲板長度為L=300 m，某種戰斗機在航空母艦上起飛過程中的最大加速度為a=4.5 m/s2，飛機速度要達到v=60 m/s才能安全起飛.

(1) 如果航空母艦靜止，戰斗機被彈射裝置彈出后開始加速，要保證飛機起飛安全，戰斗機被彈射裝器彈出時的速度至少是多大?

(2) 如果航空母艦勻速前進，在沒有彈射裝置的情況下，要保證飛機安全起飛，航空母艦前進的速度至少是多大?

3 教學中彰顯學科情懷的思考

本案例以一節勻變速直線運動規律應用的習題課作為例子，通過設置情境化問題，引發學生討論交流，使得學生溫故知新的同時，不知不覺之中體驗到學科情懷.實際上，物理教師僅僅要有扎實的學科專業理論知識，還要對物理有欣賞與敬畏之情,對學生的善解和仁愛之心，那么物理教學中體現學科情懷就無所不在.

(1) 家國情懷.物理教學不能“僅為知識而教”，而是將知識作為育人的載體，充分挖掘知識建構過程中內在價值，培養學生強烈的家國情懷.挖掘中國優秀的傳統文化，激發學生愛國情感.

如北宋《萍州可談》:"舟師(掌舵者)識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針."指南針應用在航海上，是全天候的導航工具，彌補了天文導航、地文導航之不足，開創了航海史的新紀元；還有，中國“兩彈一星”元勛，錢三強等科學家的事跡都激勵著學生的民族自豪感.

(2) 人文情懷.物理教學需要將科學教育與人文教育交融,科學教育培養求真精神,人文教育培養求善、求美精神.教師要充分利用物理學科優勢，樹立以人為本的思想.在物理教學中促進學生對物理、社會、環境相互關系的理解，關注科學倫理，形成正確的價值觀.另外，實施教學中從學生自身需要出發，關注學生的個性、情感和道德，使之充滿人文關懷.

(3) 審美情懷.著名物理學家英費爾德曾指出：“當你領悟一個出色公式時，你會得到同巴哈的樂曲一樣的感情”.良好的審美情懷有助于學生追求真理，發揚善性.物理之美有很多分類方法，一般有簡潔美、深刻美、統一美、奇異美、結構美、對稱美、狀態美、過程美等.科學的發展創造了美，物理發展史就是追求美的歷史.

如電磁感應現象的奇異美，電與磁的和諧統一之美，法拉第獻身科學的精神之美，發電機發明創造本身就是美，應用于生活之中，人類享受到了生活之美等.

科學探究過程，引導學生睹“物”思“理”的體驗上升到美的享受與追求，以物理特有的審美情懷來激發他們的學習熱情，自覺地調動一切非智力因素.如由詩句“潭清疑水淺，荷動知魚散”，作為光的折射教學導入.還有利用物理實驗的趣味性，引導學生觀察，展現物理現象之美；應用物理規律，體會其內在的科學美；利用教師的個人魅力(語言、體態、板書、操作等)進行美的熏陶.

4 結束語

從物理的角度，如何看待我們自己與世界的關系？我們只是浩瀚宇宙中的極其渺小的一部分，時間在過去、現在和未來并沒有區別，“此刻”與“此處”一樣，都只是我們的主觀概念，人類作為一個物種終將滅絕，生命因為短暫所以珍貴.[3]物理教學中做到“課中有人”自覺、自發的挖掘學科情懷的育人價值，教師閱讀要廣泛，把握物理教學中學科情懷的素材，并對學生潛移默化地影響，使之成為感化學生心靈成長與精神追求之動力.