基于真實情境聚焦物理觀念形成的教學新探

張玲　劉夢茹　黎斌

【摘要】本文以教學“勻變速直線運動的位移與時間的關系”為例，論述基于真實情境開展高中物理教學，從而幫助學生形成物理觀念的教學方法：研讀物理課程標準中有關情境、學科核心素養以及本節教學內容的論述，反思傳統教學中存在的誤區，通過訪談等方式了解學情，確定本課內容在高中階段物理學習的地位，創設動車運行、飛機起飛等真實的情境開展教學，讓學生掌握解決問題的有效方法。

【關鍵詞】物理觀念 真實情境 高中物理

核心素養

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）17-0067-04

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）指出，高中物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任等四個方面，其中物理觀念是從物理學視角形成的對物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。物理不是一門僅依靠死記公式和結論就能學好的學科。在《課程標準》的指導下，結合物理觀念在物理學科核心素養中的地位，在課堂中聚焦物理觀念以實現核心素養的培養成為教師教學的第一要義。

與此同時，《課程標準》還指出：運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識聯系起來的水平高低。例如，能否把情境中的一段經歷轉化為一個物理探究過程，能否把情境中的故事情節轉化為某種物理現象，能否把描述情境的文字轉化為物理表述，能否把情境中需要完成的工作轉化為相應的物理問題。我們常說某個問題很“活”，其“活”的本質之一在于情境的轉化。能不能把問題中的情境轉化成解決問題的物理情境，建立相應的物理模型，這是運用物理觀念思考問題、運用物理知識分析解決問題的關鍵。在物理教學中，應當讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的大量經驗，形成把情境與知識聯系起來的意識和能力。

本文以教學“勻變速直線運動的位移與時間的關系”為例，探討基于真實情境的以形成物理觀念為目標的高中物理教學途徑。

一、教學思路分析

“勻變速直線運動的位移與時間的關系”是人教版高中物理必修第一冊第二章第3節的內容，按照傳統的物理教學，本課的主要教學思路為依次研究勻速直線運動的位移、勻變速直線運動的位移以及變速直線運動的位移；引導學生從勻速直線運動的v-t圖像入手，從勻變速直線運動的圖像面積意義入手，教學生用無限細分的方式搭建橋梁，求解出面積，明白面積的數值即為該過程物體位移的大小。這樣的設計讓學生被動地接受知識，學生只能記住最終的規律和公式，甚至可能連規律和公式都記不牢固。很多學生可能并不明白無限細分的意義。

筆者通過這樣的方式授課后訪談學生，收到部分反饋：雖然學習了一些概念和規律，也記住了公式，但真正需要運用這些知識解決問題時卻又找不到方向甚至犯怵。學生在課堂上貌似聽懂了，課后遇到問題又不懂從何入手，特別是遇到多對象多場景問題時，概念規律混淆、公式表達混亂、能力欠缺的情況尤為突出。物理學習總是讓部分學生生畏甚至產生挫敗感。雖然這樣的學生占比不高，但也深深刺痛了筆者。

筆者結合核心素養培養需求認真思考，認為課程目的是讓學生掌握解決問題的有效路徑，在收獲知識的同時擁有解決新問題的能力。教師有必要基于以上目標重新設計教學。

二、教材分析與學情分析

“勻變速直線運動的位移與時間的關系”是人教版高中物理必修第一冊第二章第3節的內容，其編排位置和內容在新老教材中沒有變化。前面學生已經學習了勻變速直線運動中速度與時間的關系，這為本節課推導位移與時間的關系奠定了基礎，同時本節課也是推導位移與速度公式的前提，它在本章的學習中起著承上啟下的作用。

《課程標準》中要求能利用公式法、圖像法理解勻變速直線運動的規律，能運用x-t關系式和v-t圖像解決實際問題，體會科學思維中的抽象方法和用于解決物理問題的極限思想。本節內容以做勻速直線運動的物體的v-t圖像與坐標軸圍成的面積vt等于時間t內的位移x提出問題，通過類比得出做勻變速直線運動的物體其位移也等于v-t圖像與坐標軸圍成的梯形的面積，由此得出位移與時間的關系式；并通過講解典型例題，分析解決勻變速直線運動問題，特別是在加速、減速的不同運動形式中各個矢量的正、負號的正確使用。

學生在初中階段已經學過勻速直線運動的路程與時間的關系，并在高中物理第一章中學習了位移的概念，掌握了勻速直線運動的v-t圖像的特點，理解了勻速直線運動的位移與時間的關系x=vt，這些都是學生學習本節內容的理論基礎。但目前學生仍處于初高中學習適應階段，還不能熟練地利用圖像描述和研究物體運動，雖然在定義瞬時速度時初步體會到科學方法——微元法，但是還沒有建立化曲為直的思想，邏輯推理能力不強，這些都是學生學習本節內容的阻礙。

三、教學目標設計

物理觀念：能用公式、圖像等研究勻變速直線運動，能用勻變速直線運動的規律解釋生活中的一些現象，具有與直線運動相關的初步的運動觀念。

科學思維：能在特定情境中運用勻變速直線運動模型解決問題；通過動手參與剪紙，體會、思考由曲變折再變平的過程，觀察、分析、思考v-t圖像，接受一種新的研究物理問題的科學方法——微元法。

科學探究：用科學研究中的極限方法分析物理問題，通過推理獲得結論。

科學態度與責任：經歷微元法推導位移公式，增強動手能力，加深物理情感，提高運用數學研究物理問題的能力，體會變與不變的辯證關系；通過觀察生活中的勻變速直線運動，感受物理來源于生活的思想；通過師生合作探究，提高合作能力與交流能力。

四、教學重難點分析

教學重點：勻變速直線運動的x-t公式的實際應用。

教學難點：利用微分思想分析歸納，從v-t圖像推導勻變速直線運動的位移公式。

五、教學流程

基于以上分析，筆者繪制了基于真實情境聚焦物理觀念的“勻變速直線運動的位移與時間的關系”教學流程圖（如圖1所示）。教學明線為通過探究小車的運動，理解并掌握勻變速直線運動位移與時間的關系；暗線為讓學生掌握解決真實情境中的問題的一般路徑，滲透核心素養。

六、教學活動設計

活動一：設置真實情境，激發學生興趣

情境設置：問題應該從情境中來，而不是生硬地出現。本課引入環節的情境主題是定時發車、定點到達的動車。運輸網中有千千萬萬的動車，它們能夠定時發車、定點到達，是一件非常厲害的事情。筆者結合南寧市第二中學科技節“遙控車”的項目，設置了“定時發車、定點到達”的比賽，課堂現場邀請學生參賽。學生需在情境中思考如何控制遙控車以贏得比賽。

【設計意圖】利用動車創設情境，激發學生的學習興趣，競爭的形式能夠激發學生的探究興趣，同時向學生滲透職業生涯規劃。

活動二：控制小車定時到達指定位置，提取物理問題，討論研究方案

任務1：如何讓小車在規定時間到達指定位置？

學生體驗操縱遙控車并分享感受。學生在參與過程中提出“不懂什么時候加速、什么時候減速合適”“想提前讓車停好卻控制不了”等一系列問題。問題的提出激發了學生的求知欲。

教師總結：存在“不懂什么時候加速、什么時候減速合適”“想提前讓車停好卻控制不了”等問題，說明需要關注小車運動的速度和時間的關系；為讓小車定點到達，還需要關注小車運動過程中的位移和時間的關系。教師進而提出物理問題：如何讓小車在規定時間到達指定位置？

任務2：怎樣研究小車位移隨時間變化的規律？

教師設計問題鏈：要定時、定點停車，需要關注小車運動的什么信息？使用什么方法可以方便研究小車的運動情況？

學生活動：學生結合參與操作的體驗，能夠得出兩種方案。方案一，利用x-t圖像進行研究；方案二，利用v-t圖像進行研究。

任務3：確定研究的方向。

教師引導學生對比分析兩種研究方案，得出：利用x-t圖像可以直觀地關注到不同時刻小車相對于出發點的位移情況，能判斷出小車的速度是增加了還是減小了，但沒有辦法判斷出小車在不同時刻做什么樣的加速運動或者減速運動，不利于直觀判斷速度變化情況。而利用v-t圖像進行研究，能夠直觀地看出小車速度隨時間變化的情況，同時也可以通過圖像的斜率判斷小車加速度的情況。

學生進而確定研究方向：用v-t圖像研究小車的位移與時間的關系。

活動三：求解變速直線運動的位移

任務1：如何根據v-t圖像求位移？

教師設置問題鏈：如何研究物體的運動？如何記錄研究對象的運動？如何進行數據采集？如何進行數據分析？

學生活動：通過回答問題鏈，根據教師課前采集的數據，作出v-t圖像。

教師設置問題：能否利用v-t圖像找到小車位移與時間的關系？圖像的什么信息可能和位移有關聯？

學生猜測：面積。猜測依據為勻速直線運動的v-t圖像與坐標軸圍出的面積確實表示該段時間內物體位移的大小。

任務2：勻速直線運動v-t圖像與小車的v-t圖像有什么關聯？

教師設置問題：變速直線運動與直線運動之間有什么聯系？變速直線運動的位移大小是否也對應v-t圖像中一定的面積？

師生共同尋找解決方法：若也可以用面積來表示小車位移的大小，則勻速直線運動v-t圖像與小車的v-t圖像有什么關聯？如何用直線拼成這個曲線？接著，學生通過剪紙體會。

【設計意圖】使學生能用圖像表示做直線運動物體的位移，理解勻速直線運動的位移與時間的關系，并從簡單的情境中得出根據v-t圖像求位移的方法，培養學生物理觀念的同時為研究勻變速直線運動的位移與時間的關系鋪墊。

任務3：如何用直線拼成這個曲線？如何一刀剪出小車的v-t圖？

教師活動：提出活動要求。剪刀只能張合一次，不能推著剪刀走，剪紙過程不能轉動紙片或剪刀，紙可以折疊。

學生活動：動手做一做，一刀剪出小車的v-t圖。

學生在體驗活動中采用了很多不同的處理方法，有違反規則的，也有剪出相似形狀的。為更直觀地對比效果，筆者特意準備了一塊四分之一圓形的木板，讓學生展示剪裁的過程，然后比對。有學生道出了“奧秘”：多次折疊，然后一刀剪下即可。將剪裁出來的紙片和木板比對，似乎能夠重合，但放大觀察，就會發現紙片的邊界是由很多段短線段組成的。教師引導學生思考：這是不是就能夠說明圖形的面積可以代表物體的位移大小了呢？結合上一節學過的知識可以判斷這是勻變速直線運動的圖樣，而不是勻速直線運動的。但結合由曲到直的基礎，學生很容易聯想到可以將紙片對折再剪，對折越多，剪出來的圖樣越接近勻速直線運動。

【設計意圖】邀請學生完成“一刀剪出曲線”的任務，目的是通過具體操作將抽象思維具象化，從而使其更容易被學生理解與接受，引導學生運用類比思想分析復雜問題。引入分割法與逼近法，讓學生體會變與不變的辯證關系，重在讓學生體驗微元的思想。學生在解答層層遞進的問題的過程中更深刻地體驗抽象的方法，學以致用。

活動四：求勻變速直線運動的位移與時間關系

任務1：用面積法推導出勻變速直線運動的位移與時間的關系。

從一般變速直線運動到勻變速直線運動再到勻速直線運動，從運動認知角度來看是化繁為簡的過程，從方法任務上看是微元法的體驗學習過程。在完成剪紙環節后，重新確認能否用圖像的面積來表示物體位移的大小，學生能夠輕松地運用逆向思維由簡到繁地進行思考——無數的勻速直線運動組成勻變速直線運動，無數的勻變速直線運動組成變速直線運動，自然可以通過圖像面積來表示某段運動位移的大小。再以勻變速直線運動為例，得出勻變速直線運動的位移與時間的關系。

學生活動：通過求解面積求出位移的大小，確認位移與時間的關系式。

任務2：用x-t圖像研究物體下落過程，再次強化對準真實運動的研究過程。

為進一步驗證規律的正確性，同時提升學生對推導出的結果的認可度，緊扣課程最開始提出的x-t圖像研究法，師生確定接下來的研究方向：根據x-t圖像研究物體運動過程中的位移與時間的關系。

設計研究方案：研究物體下落過程位移與時間的關系。實驗主要是利用位移傳感器采集物體下落過程中相對于釋放點的位移與時間的信息，利用微元思想及面積求出初速度為0的做勻變速直線運動的物體的位移與時間的關系。利用位移傳感器記錄做落體運動的物體不同時刻相對初始位置的位移。

學生運用不同的方案研究位移與時間的關系。當選用x-t圖像進行研究時，若前面得出的規律是正確的，那么x-t圖像應為拋物線。為使研究更加直觀，也可以考慮作x-t2圖像，則圖像應該為直線。借助計算機擬合可以清晰地印證猜測。隨著學生數學能力的不斷提升，他們將不僅能研究勻速運動和勻變速運動中位移與時間的關系，還可以將所有運動的規律都表示出來。

【設計意圖】采用不同方法研究物理問題，不斷深化研究問題的主要邏輯線索，使學生逐步掌握研究物理問題的方法，培養學生的科學思維。

活動五：總結提煉核心內容和思想方法

任務1：總結研究真實或準真實運動的一般方法。

教師活動：以小結形式再次呈現研究物理問題的邏輯（如圖2所示）。

【設計意圖】使學生初步掌握研究物理問題的基本方法，逐步增強用勻變速直線運動的規律解釋生活中一些現象的能力，形成具有與直線運動相關的初步的運動觀念。

活動六：真實情境下物理規律的應用

課堂練習：請你來設計。結合課本后的練習，讓學生運用本節課所學知識設計跑道長。

學生通過情境發現問題，討論研究方案的合理性，通過實驗驗證規律的正確性。這一系列的探究活動順應知識生成的過程，既讓學生獲得更好的學習體驗，又讓學生更容易內化知識。在完成實驗驗證運動規律后，讓學生觀看戰機在中國航母跑道上起飛的視頻，簡單介紹目前我國在這個領域的成就，滲透愛國主義教育，然后邀請學生當設計師：如果把飛機的助跑過程視為勻變速直線運動，明確起飛的速度，請同學們設計跑道的長度。學生分析情境條件，利用推導出來的規律解決問題。

【設計意圖】教師基于真實事件創設情境，引導學生由解決物理題轉變為解決物理問題，讓學生掌握解決問題的有效路徑，形成物理思維，同時在教學中滲透愛國主義教育，發展學生的核心素養。

物理規律是簡單而美好的，物理教學不應把簡單的東西復雜化。對比不同的教育教學環境，原來的教學目標側重完成知識教學，而基于真實情境的物理教學，則能夠引導學生更多地關注現象背后的物理問題，探尋解決問題的邏輯。

若干年后，物理課堂能在學生記憶中留下什么？“授之以漁”應為教學之重。物理教師應以引導學生研究實際問題為切入點，探索解決實際問題的方向，設計解決問題的方案，以形成物理觀念為目標，在此基礎上涵養學生學科核心素養，為國家的發展培養優質人才。

參考文獻

［1］廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020.

作者簡介：張玲（1986— ），廣西賓陽人，一級教師，主要從事中學物理教學研究；黎斌（1986— ），通信作者，廣西梧州人，工程師，主要從事教育考試命題研究；劉夢茹（1995— ），山東濟寧人，二級教師，主要從事中學物理教學研究。

（責編 劉小瑗）