基于“問題解決”的物理學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)策略
——以“平拋運(yùn)動”教學(xué)為例

陳金貴，羅智強(qiáng)

莆田第四中學(xué)，福建 莆田 351100

關(guān)鍵能力是培育核心價值觀、發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)的重要支撐和前提。物理考試中提出的“理解能力”“模型建構(gòu)能力”“推理論證能力”“實(shí)驗(yàn)探究能力”以及“創(chuàng)新能力”是物理學(xué)科的主要關(guān)鍵能力［1-2］。基于問題解決提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是引領(lǐng)學(xué)生走向高效學(xué)習(xí)的途徑之一。對標(biāo)高考評價體系，反思物理學(xué)科教學(xué)，教師應(yīng)針對關(guān)鍵能力培育要素，明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，引領(lǐng)學(xué)生高效學(xué)習(xí)。本文以某版本《物理》（2019年版）必修第二冊第二章第二節(jié)“平拋運(yùn)動”為例，進(jìn)一步討論基于問題解決的物理學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)的課堂教學(xué)探索實(shí)踐與思考［3］。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

1.1 研課標(biāo)，明要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對應(yīng)的內(nèi)容要求為：“通過實(shí)驗(yàn)，探究并認(rèn)識平拋運(yùn)動的規(guī)律。會用運(yùn)動的合成與分解的方法分析平拋運(yùn)動。體會將復(fù)雜運(yùn)動分解為簡單運(yùn)動的物理思想。能分析生產(chǎn)生活中的拋體運(yùn)動。”［4-5］

要求學(xué)生會做“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)，明確要求學(xué)生探究并認(rèn)識平拋運(yùn)動的規(guī)律。特別強(qiáng)調(diào)研究復(fù)雜運(yùn)動的通用思想方法，要求學(xué)生能夠分析平拋運(yùn)動，體會其中蘊(yùn)含的化繁為簡的物理思想。能夠理論聯(lián)系實(shí)際分析日常生活中的拋體運(yùn)動，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、模型建構(gòu)能力和推理論證能力。其學(xué)業(yè)質(zhì)量水平應(yīng)達(dá)到水平4的要求［6］。

1.2 讀教材，析策略

平拋運(yùn)動是高中階段研究的一種典型曲線運(yùn)動。學(xué)生第一次利用所學(xué)知識來處理曲線運(yùn)動，是對運(yùn)動的合成與分解方法的深化和理解，因此本節(jié)內(nèi)容應(yīng)進(jìn)一步鞏固前面所學(xué)的知識。同時，本節(jié)課在教材中起到了承上啟下的作用。用運(yùn)動的合成與分解的方法分析平拋運(yùn)動是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)，而如何判定合速度的方向是教學(xué)難點(diǎn)，同時也是教學(xué)的重點(diǎn)。對于合速度的方向與位移的方向這兩者的差異，學(xué)生很容易混淆，在教學(xué)時可以通過圖像比較加以突破。本節(jié)課的教學(xué)過程圍繞“閱讀—對話”“思考—交流”“表達(dá)—成長”三個主要環(huán)節(jié)鋪開，著重圍繞“平拋運(yùn)動是怎樣的運(yùn)動？”“該運(yùn)動如何分解？”“該運(yùn)動的s-t和v-t關(guān)系如何？”三個問題展開教學(xué)。通過創(chuàng)設(shè)問題情境，以“導(dǎo)學(xué)、解惑、思維、展示、歸納、訓(xùn)練”的步驟引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，把關(guān)鍵能力的培養(yǎng)貫穿于整個教學(xué)過程之中。

2 教學(xué)目標(biāo)分析

本節(jié)課圍繞平拋運(yùn)動的概念和規(guī)律展開，引導(dǎo)學(xué)生基于問題解決完成對物理概念的理解，形成物理觀念，在科學(xué)探究過程中，探尋物理規(guī)律，突破教學(xué)重難點(diǎn)。讓學(xué)生在深度學(xué)習(xí)、悟物窮理過程中，培養(yǎng)關(guān)鍵能力，培育核心素養(yǎng)。精研課標(biāo)，細(xì)讀教材，筆者確立的教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

表1 “平拋運(yùn)動”教學(xué)目標(biāo)

3 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以上分析內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)了平拋運(yùn)動教學(xué)設(shè)計(jì)思路，如圖1所示。

圖1 “平拋運(yùn)動”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

4 主要教學(xué)環(huán)節(jié)及反思

4.1 問題情境，引入新課

（1）問題引領(lǐng)：日常生活中常見的拋體運(yùn)動有哪些？（同學(xué)們一起舉例子）

（2）實(shí)踐體驗(yàn)：套圈游戲。

（3）問題情境：如何提高套圈的命中率？

（指出這與今天要學(xué)的平拋運(yùn)動知識有關(guān)）。

教學(xué)反思：

通過日常生活中常見的拋體運(yùn)動的情境描述，以及套圈游戲的親身體驗(yàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生從大量例子中歸納、抽象，把生活概念提升到物理概念。

激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，以問題引導(dǎo)思路，啟迪學(xué)生思維，為本節(jié)課教學(xué)埋下伏筆。

4.2 問題引導(dǎo)，讀思達(dá)成

（1）細(xì)讀教材：先讓學(xué)生仔細(xì)閱讀教材第40頁的第一、二自然段，并思考以下問題，初步認(rèn)識平拋運(yùn)動。

（2）問題引領(lǐng)：從物理學(xué)角度來看，“拋”的含義是什么？為什么教材中只說是“多數(shù)情況下，拋出去的物體做曲線運(yùn)動”？如何給平拋運(yùn)動下定義？該運(yùn)動的條件是什么？運(yùn)動性質(zhì)是什么？其運(yùn)動軌跡怎樣？

（3）初步認(rèn)識：學(xué)生閱讀并完成相應(yīng)的思考，通過小組討論得出結(jié)論，并初步描繪出平拋運(yùn)動的運(yùn)動軌跡圖。

（4）展示思維：教師讓一個小組代表上臺展示，并闡述相應(yīng)的理由。

（5）建構(gòu)模型：教師把事先準(zhǔn)備好的氣球水平拋出，問氣球的運(yùn)動能否看作平拋運(yùn)動，從而引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注空氣阻力的影響，并清楚在什么情況下空氣阻力的影響可以忽略，最后得出平拋運(yùn)動是個理想模型這一結(jié)論。教材里直接給出了平拋運(yùn)動的軌跡是拋物線，提問學(xué)生在小組討論時是否想過找理論支撐。學(xué)生回答從“拋”字猜測是拋物線，接著教師引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)角度證明平拋運(yùn)動的軌跡是拋物線，為了驗(yàn)證結(jié)論，需要獲取平拋運(yùn)動的實(shí)際軌跡，因此建立水柱的平拋運(yùn)動模型，如圖2所示。

圖2 水柱的平拋運(yùn)動模型

用手機(jī)正對水柱拍照，由此獲得平拋運(yùn)動的實(shí)際軌跡。接下來和學(xué)生一起取點(diǎn)，并記錄在Excel表格中（表2）。借助軟件的相關(guān)功能，直接得出y和x2的函數(shù)關(guān)系圖像，如圖3所示。最后得出結(jié)論：平拋運(yùn)動的軌跡是拋物線。

表2 平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 y和x2的函數(shù)關(guān)系圖像

教學(xué)反思：

針對一個理想化概念的教學(xué)，需要引導(dǎo)學(xué)生從大量例子中歸納、抽象，把生活概念升華到物理概念。教師應(yīng)充分利用教材資源，細(xì)讀教材，通過問題引領(lǐng)，類比分析，建立拋體運(yùn)動的概念，結(jié)合特殊化的初速度提煉出平拋運(yùn)動的概念［8］。培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和模型建構(gòu)能力，提升其物理觀念素養(yǎng)。

4.3 問題引導(dǎo)，深度學(xué)習(xí)

4.3.1 任務(wù)驅(qū)動：回憶、猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）問題引領(lǐng)：分析和解決曲線運(yùn)動的思想是什么？（讓學(xué)生回憶分析和解決較為復(fù)雜曲線的思想是運(yùn)動的合成與分解）

（2）類比遷移：讓學(xué)生回憶力的分解在沒有附加條件限制的情況下會有無數(shù)種的分解方式，但實(shí)際處理時常根據(jù)力的實(shí)際作用效果確定兩個分力的方向，最后遵循平行四邊形定則分解力。通過以上回憶，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比：平拋運(yùn)動在沒有附加條件限制的情況下往往有無數(shù)種分解方式，而在實(shí)際處理時就根據(jù)它實(shí)際運(yùn)動效果確定兩個分運(yùn)動的方向，最后遵循平行四邊形定則分解相應(yīng)的運(yùn)動物理量（如速度、位移、加速度等）。這樣，通過類比力的分解方法，學(xué)生就可以試著分析平拋運(yùn)動的實(shí)際運(yùn)動效果，并確定所分解的兩個分運(yùn)動的方向。

（3）模型建構(gòu)：教師引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際運(yùn)動效果的角度來分析平拋運(yùn)動，確定兩個分運(yùn)動的方向，建立以拋出點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，初速度方向?yàn)閤軸，重力方向（即加速度方向）為y軸的坐標(biāo)系［9］。讓學(xué)生在原來示意圖的基礎(chǔ)上，建立平拋運(yùn)動分解的坐標(biāo)系。

（4）猜想假設(shè)：如果平拋運(yùn)動的物體不受重力或僅受重力而沒有水平初速度時將分別做什么運(yùn)動？引導(dǎo)學(xué)生初步判定兩個分運(yùn)動的運(yùn)動性質(zhì)，得出平拋運(yùn)動可以被視為水平方向勻速直線運(yùn)動和豎直方向自由落體運(yùn)動的合成［9-10］。

（5）合作探究：利用平拋運(yùn)動演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

教學(xué)反思：

學(xué)生初次接觸曲線運(yùn)動，對曲線運(yùn)動不知道如何分析，教師引導(dǎo)學(xué)生通過回憶、類比，以問題情境引發(fā)猜想假設(shè)，再通過演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，能有效進(jìn)行物理思想方法教育，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。

4.3.2 深度學(xué)習(xí)，深入認(rèn)識平拋運(yùn)動

（1）細(xì)讀教材：閱讀教材第41頁倒數(shù)第二自然段，思考并完成以下問題。

（2）問題引領(lǐng)：從照片中可以直接看出什么？這說明什么？頻閃照相的閃光時間間隔有什么特點(diǎn)？文中“進(jìn)一步分析表明”，是要如何進(jìn)一步分析呢？

（3）視頻播放：利用手機(jī)錄像，用暴風(fēng)影音軟件進(jìn)一步深入驗(yàn)證兩個分運(yùn)動的性質(zhì)，如圖4和圖5所示。

圖4 頻閃照片1（平拋運(yùn)動和自由落體運(yùn)動）

圖5 頻閃照片2（平拋運(yùn)動和水平方向的勻速直線運(yùn)動）

教學(xué)反思：

教材給出一張頻閃照片，教師引導(dǎo)學(xué)生對頻閃照片進(jìn)行分析，可以更深入地認(rèn)識平拋運(yùn)動的兩個分運(yùn)動的性質(zhì)。但照片畢竟是靜態(tài)的，為此教師提前拍了兩段視頻，通過暴風(fēng)影音軟件一幀一幀地播放，這樣讓學(xué)生可以直觀地看到兩小球在同一時刻的位置情況，由此更加確定了平拋運(yùn)動兩個分運(yùn)動的運(yùn)動性質(zhì)。教師通過動畫模擬將其展示給學(xué)生，幫助學(xué)生從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，培養(yǎng)其模型建構(gòu)能力，提升其物理觀念、科學(xué)思維等素養(yǎng)。

4.3.3 深度分析，探究平拋運(yùn)動規(guī)律

（1）閱讀課本，分析推理：設(shè)物體開始從O點(diǎn)做平拋運(yùn)動，重力加速度為g，初速度為v0，經(jīng)過時間t運(yùn)動到P點(diǎn)，請作出分運(yùn)動與合運(yùn)動的示意圖（圖6），并完成表3。

圖6 分析平拋運(yùn)動示意圖

表3 平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)記錄表

（2）小組合作探究：歸納得出規(guī)律，學(xué)生展示，教師適當(dāng)點(diǎn)評。

教學(xué)反思：

平拋運(yùn)動的規(guī)律比較復(fù)雜，理解難度大。用運(yùn)動的合成與分解方法分析平拋運(yùn)動是本節(jié)課的重點(diǎn)。教師用坐標(biāo)法描繪平拋運(yùn)動的軌跡進(jìn)行研究（參考教材P42圖2-14），讓學(xué)生求出它在t時刻的速度的大小和方向，并求出t時刻的x、y坐標(biāo)值，畫出t時刻對應(yīng)的物體位置，再推導(dǎo)出x、y之間的函數(shù)關(guān)系式。讓學(xué)生深刻理解平拋運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)一步領(lǐng)悟運(yùn)動的合成與分解的方法，培養(yǎng)學(xué)生推理論證、模型建構(gòu)的能力，提升其核心素養(yǎng)。

4.4 問題解決，鞏固知識

（1）例題剖析：多媒體展示課本第43頁例題，學(xué)生解答，教師引導(dǎo)，典型示范。

（2）習(xí)得規(guī)律：在運(yùn)用運(yùn)動的合成與分解的方法解決問題時，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生尋找合理的解決步驟。

（3）拓展應(yīng)用：如圖7所示，距離地面一定高度，有一根水平放置的排污管，正向外滿口排出大量污水。環(huán)保人員手頭僅有一把卷尺，此時如何能大致估測出該管道的排污量？需要測出哪些數(shù)據(jù)？請寫出每秒排污體積的表達(dá)式。

圖7 拓展應(yīng)用案例圖

教學(xué)反思：

解決問題的方法與步驟有很大的關(guān)聯(lián)，好的解決步驟隱含著正確的思維方式。例題逆向考查平拋運(yùn)動位移的分解，對于初次接觸此題的學(xué)生可能略有困難，這里需要讓學(xué)生掌握并獨(dú)立完成推導(dǎo)過程，以便在解題時有清晰的思路。通過例題分析與解答，幫助學(xué)生理解平拋運(yùn)動位移的合成與分解，再進(jìn)一步拓展，用生產(chǎn)生活情境引領(lǐng)問題解決，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)理解、模型建構(gòu)、推理論證等物理學(xué)科關(guān)鍵能力，促進(jìn)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)的達(dá)成。

5 結(jié)束語

總之，基于問題解決的物理課堂教學(xué)，應(yīng)對標(biāo)中國高考評價體系和課程標(biāo)準(zhǔn)，領(lǐng)悟關(guān)鍵能力的培育要素。教師應(yīng)有效創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展完善物理觀念，整合優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，體會物理科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。