基于物理真實情境的習題教學實踐研究

◇ 海南 朱世軍

新版的高中物理教材《必修二》中有這么一道題,很多學生都反映不知道如何下手．

原題木星的衛星中有4顆是伽利略發現的,稱為伽利略衛星,其中三顆衛星的周期之比為1∶2∶4.小華同學打算根據萬有引力的知識計算木衛二繞木星運動的周期,他收集到了如下一些數據．

木衛二的數據:質量為4.8×1022kg、繞木星做勻速圓周運動的軌道半徑為6.7×108m．

木星的數據:質量為1.9×1027kg、半徑為7.1×107m、自轉周期為9.8 h.

但他不知道應該怎么做,請你幫助他完成木衛二運動周期的計算．

這道題與我們往常遇到的習題不太一樣．題目有超量的信息,有些信息在解題中始終沒有用上,其信息量不是剛好符合理想規律和理想模型．這種類型的習題就是基于物理真實情境,即非理想化情境設置的．

真實情境就是該情境和學生當前的學習和生活有著某種真實的聯系,具有真實感,一般具有以下基本特征:

1)熟悉性．情境是真實存在的,一般是實際生產生活或科技工作中能切切實實看得見,或者能感受到的．學生可以在生活中觀察到,或者可以通過照片、視頻得以重現或構建,與學生熟悉的知識和經驗相聯系．如果真實,但學生不熟悉,不能為學生所認識,就失去了真實情境的意義,不能給學生以真實的感受．

2)原始性．真實情境只是存在,未經修飾,其中物理量的數據并不已知,也沒有選擇項,需要自己選擇工具進行測量,數值也未必是剛剛好的,通常也不方便計算．

3)開放性．真實情境包含的信息可能涉及物理、化學、數學、歷史等內容．單單物理方面的信息,也是多種多樣的,比較復雜．比如上題中木星與衛星的已知信息,就存在信息超量的情況,真實情境中信息還要更多．真實情境中包含的信息是多元的,是開放的,需要進行信息的選擇．從問題的答案來說也不是固定的,會隨著具體情形有所變化．

我們以公共汽車車廂中吊環的運動為例．吊環時而豎直懸掛,時而向后偏離,時而向前偏離,或者偏離后不穩定還會來回擺動．其運動是復雜的、多樣的,其偏離的角度也往往不確定．但這才是真實的情境,是我們乘坐公共汽車或地鐵都能看得到的．

2 新課程改革對真實情境的新要求

物理源于生活,又高于生活．要提高學生實際運用知識的能力,就需要在具體的物理真實情境中加強訓練,從真實情境中提煉知識,將物理規律運用于真實情境．作為教學行動綱領的課程標準明確提出了對真實情境的要求．在《普通高中物理課程標準(2017年版)》的命題建議中要求:“試題的情境要具有一定的問題性、真實性、探究性或開放性．通過學生在應對復雜現實情境,參與相應探究學習活動中的外在表現來考查物理學科核心素養．因此,評價學生的物理學科核心素養,應盡量創設類型多樣的、具有一定復雜程度的、開放性的真實情境作為試題的任務情境．”在科學探究維度學業質量水平5中也明確要求:“能面對真實情境,從不同角度提出并準確表述可探究的物理問題,作出科學假設．”習題教學基于真實情境,可以培養學生解決實際問題的能力,聚焦學生物理學科核心素養．但對比學生做題的情況來看,與我們的期待仍有一定的差距,需要探討和加強真實情境下的物理習題教學．

3 基于物理真實情境的習題教學策略

習題教學的主要目的是在運用中復習與鞏固知識,提高探究能力和解決問題的能力．針對學生目前面臨的困境,結合個人教學實踐,提出下列教學策略．

首先是要創設真實的物理情境．真實物理情境需要選擇學生生活中熟悉的,或者通過學習已經了解的情境．創設的手段與形式是多樣化的,可以從教室、實驗室延伸到家庭、社區、工廠、研究所等場所,也可以充分利用現代信息技術從網絡上發掘好的素材,甚至是學生熟悉的游戲題材．

其次是利用建模的知識進行轉換．學生往往已經習慣理想模型問題,一旦遇到真實背景的原始問題往往不知所措．這時需要將真實物理情境下的原始問題轉換到理想化情境下的理想模型,實現經驗與現實的“鏈接”．模型建構主要是從實際問題中抽取核心要素及要素間的關系,進而構建物理模型．下面我們以公共汽車吊環為例進行實踐研究．

1)確定研究對象和研究問題．真實情境中物體眾多,運動各異,需要根據問題從中選定研究的物體與研究的物理狀態或過程．在公共汽車運動的過程中,車上的乘客、司機、車輪、吊環等都會隨車的運動情況不同有不同的表現．從方便測量的角度可以選擇吊環作研究對象,來分析汽車運動的加速度．

2)搜集真實背景中的相關物理信息．從物理視角和問題出發,框定信息收集范圍,發掘物理量和物理關系．從吊環本身來說,它有自己的顏色、溫度、形狀,有自己的運動,也有不同的受力．從吊環與汽車的關系來說,二者有相互作用,運動有時相同,有時不同．只有當吊環與汽車相對靜止時,汽車與吊環的運動情況才是一致的．

3)抽取核心要素,簡化次要因素,忽略無關因素．從問題的角度出發,我們逐一對照所發現的物理信息與研究的問題的相關性,排除完全無關的,簡化影響小的．如吊環吊帶的顏色、粗細和材質幾乎不影響問題的研究,就可以簡化為細繩模型．

4)對比和選擇合適的物理理想模型．將我們研究的情境和信息與理想模型進行對照,將真實情境下的原始問題抽象成一定的理想物理模型．公共汽車內的吊環運動問題就成為懸掛在小車內小球的運動模型．

5)選擇物理規律.理想模型一旦選定,解決問題的途徑和規律就逐漸熟悉和清晰,根據模型特點進行受力分析,進而應用牛頓第二定律算出其加速度a=gtanθ．

6)把情境轉換為解題條件.根據解決問題的需要,重新審視模型和所需條件,將真實情境轉化為解題條件．比如這里吊環的偏角就是我們需要的已知量,我們可以采用錄像的方式,選擇偏角穩定的時候暫?；蚪貓D進行測量．

總之,真實情境下的習題教學需要在真實情境下通過運用模型知識和模型思維,在練習中提高運用規律解決實際問題的能力,培養學生物理學科核心素養．