與統一場景有效共生的物理教學策略
——以人教版高中物理“加速度”教學為例

萬小建

(江陰市祝塘中學,江蘇 江陰 214415)

情境是培養學生物理學科核心素養的載體,物理教學要貼近學生生活,貼近時代,讓學生切實感受到物理與生活情境是息息相關的.統一場景就是教師在多如牛毛的生產生活情境中,精心挑選一個與本節物理知識本質聯系明顯的大場景作為本節課教學的主要情境來源地.在該統一場景下,教師根據教學的需要科學選擇和創設多樣化情境,讓學生對相關情境所涉及的物理現象進行深度探究,促進學生對知識的自主生成和深度理解;然后,再精心挑選其他拓展場景,創設情境,培育學生對知識的綜合運用能力和遷移應用能力.統一場景與物理教學的有效共生還可以幫助學生從物理學的視角認識自然、理解自然、建構關于自然界的物理圖景,讓學生認識“科學·技術·社會·環境”[1]的關系,培育學生的物理學科核心素養.

1 與統一場景有效共生的策略設計

現代建構主義把學習看作是“學習者主動建構內部心理表征的過程,是以已有的經驗為基礎,通過與外界的相互作用來建構新的理解”.與統一場景有效共生的物理教學,統一場景下的情境應貫穿于課堂教學的每一個環節中,讓物理教學與統一場景中的情境深度融合共生,學生的物理學科核心素養得以安全落地、生根開花.與統一場景有效共生的物理教學,并非將統一場景實際原封不動地照搬,而是要對其進行有效的篩選、打磨和雕琢,使其與物理教學的實際協調、契合和匹配.

人教版高中物理必修第1冊“速度變化快慢的描述——加速度”可以精選學生上學途中的統一場景創設多樣化的自主學習和探究情境,讓學生獲得多元化的學習方式,激發學生的學習動機和探究欲望,促進學生的物理學科核心素養全面發展.[1]在不同的學習階段,創設不同的情境,以實現不同的教學功能.具體的策略設計如表1所示.

表1 與統一場景有效共生的策略設計

2 與統一場景有效共生的策略實施

2.1 通過對比,引發問題

學習興趣是學生進行有效學習的“動力源”,學習興趣既是學習的原因,又是學習的結果,也是人成長的“起點”.[2]在新課引入的時候,教師要根據教學內容精心挑選情境,將實際情境搬進課堂,讓學生通過真實情境走進物理世界,激發學生的好奇心和質疑創新欲望,引發學生深入學習本節內容的直接興趣和間接興趣.

本節課一開始,教師將李明(假設人物)上學途中采用的4種交通工具:電動自行車、汽車、火車和三輪車啟動的情境以視頻的方式搬進課堂,讓學生在4個情境的對比沖突思辨中引發問題意識,走進物理課堂.屏幕區域一分為四,同時播放以下4個10 s啟動情境的視頻.

情境1:李明第1天上學,爸爸開汽車送他,視頻播放啟動情境,并放大速度盤,顯示速度從0開始增大到50 km/h.

情境2:李明第2天上學,自己騎電動自行車,視頻播放啟動情境,并放大速度盤,顯示速度從0開始增大到20 km/h.

情境3:李明第3天上學,乘地鐵,視頻播放地鐵啟動情境,并放大車廂內速度顯示屏,顯示速度從0增大到36 km/h.

情境4:李明第4天上學,爺爺騎三輪車送他,用手機地圖來顯示實時速度,視頻播放手機顯示速度從0增大到10 km/h.

設計意圖:學生對比觀看4個情境之間特征的異同,引起視覺沖突,進而引發學生質疑創新,將學生引入新課教學內容,為深入學習作好鋪墊,也為接下來的課堂探究作好準備.教師在設計新課教學的課堂引入時,要彰顯鳳頭效應,設計統一場景下的沖突思辨情境引入新課,讓學生充滿熟悉感、親切感和疑惑感,能夠很自然地讓學生由統一場景走進物理新課的學習中去,誘發學生繼續探索的欲望.

2.2 進行量化,引發探究

生活實際是色彩斑斕、復雜多樣的,在物理教學中,教師要善于對統一場景中的事例進行有效分類和統籌策劃,依據物理教學和學生的實際,針對不同教學內容和不同時期提出不同的目標,做到科學規劃、有序落實、逐步提高.新課引入激發學生學習興趣后,教師就要在統一場景下創設定量情境,引發理論探究,引導學生自主進行知識構建.

本節課在課堂導入的基礎上,教師繼續給學生必備的定量數據,讓學生對統一場景下的以上4個情境進行定量的理論探究.李明同學實際觀察和測量了4種交通工具在啟動加速階段的一些數據,如表2.

表2 4種交通工具在啟動加速階段的數據

理論探究1:A和B比較,哪個加速得快?B和D比較,哪個加速得快?A、B、C、D比較,哪個加速得最快?從而得到本節課的核心概念“加速度”. 理論探究2:“加速度a的大小”分別與“初速度v1”“末速度v2”“經歷的時間Δt”“速度的變化量Δv”“速度的變化率Δv/Δt”的大小和方向之間有什么關系?進而對“加速度”的概念進行初步理解.

設計意圖:從學生熟悉的統一場景開始科學定量探究,能夠讓學生對科學探究的內容更加感興趣.學生通過定量探究,引起認知沖突,激發思維碰撞,構建出加速度的概念,并對加速度的概念進行初步理解,體會物理學的抽象思維.在科學探究的過程中,教師要創設對比的定量情境,讓學生在定量比對中形成相關概念,自主生成相關知識,提升學生學習的主體地位.

2.3 產生疑問,實驗驗證

創新是學生最需要的能力,是推動國家發展的核心動力.實驗探究是培養學生創新能力的重要方式之一.現實生產生活中充滿著豐富多彩的物理現象,在物理教學中,教師要基于統一場景,設計易于產生疑問的情境,引發學生創新設計實驗方案進行探究驗證的欲望,并靈活運用所學物理知識尋覓問題的解決方法,使學生樂于探究、深度探究,通過實驗探究培養學生的創新精神和創新能力,促進學生深度學習.

情境5:上學路上,李明坐在汽車里玩鋼球,鋼球在空中由靜止開始下落,掉到了汽車地板上,鋼球下落的加速度是多少?

圍繞情境的問題,在教師的介紹和引導下,學生討論后確定實驗探究方案,培育學生的實驗創新設計能力.實驗方案1:用打點計時器測定鋼球下落的加速度,裝置如圖1所示.實驗方案2:用兩個光電門放在鋼球下落過程的兩個地方,光電門測量鋼球通過兩個光電門的時間以及從第一光電門到第二光電門的時間,用電腦制作表格直接顯示出鋼球下落的加速度,裝置如圖2所示.實驗方案3:用手機代替鋼球下落,用手機APP軟件phyphox中的測“加速度(不含g)”功能進行實驗,用手機錄屏軟件進行錄屏,錄制手機下落短暫時間內的圖像記錄過程,然后將錄像一幀一幀播放進行查看,測量結果如圖3所示.

圖1 探究下落加速度裝置1

圖2 探究下落加速度裝置2

圖3 手機代替探究下落加速度數據記錄圖像

設計意圖:學生在教師引導下根據統一場景中需要解決的實際問題,創新設計實驗方案,進行科學探究,得出結論,并對實驗結論進行討論.實驗方案3還能夠讓學生體會到現代科技的力量,體會物理學科的巨大作用,增強學生學習物理的動機,激發學生學習物理的間接興趣.在物理教學中,教師應創設各種情境問題,誘發學生創新設計,經歷實驗探究過程,體驗探究生活實際問題的樂趣,培育學生的創新意識和創新能力,為培養國家急需的創新型拔尖人才作貢獻.

2.4 強化體驗,具身認知

具身認知理論認為,學生的學習活動是一個復雜的系統行為,需要生理體驗和心理感受的全面參與,還需要外部環境的支撐,它們形成一個巨大的共生體.身體探究是學生利用自己的身體去親身體驗、動手實驗,獲取生理感受,從而生成知識和方法,讓身體幫助思考.在統一場景中,教師要盡可能地創設體驗情境,讓學生與身體共生,進行深度學習和思考.

情境6:上學路上,李明坐在汽車里,感覺手臂有些發酸,他由靜止開始旋轉手臂,他想知道由靜止開始旋轉手臂的最大加速度能夠達到多少?

李明手握手機,手機打開APP軟件phyphox中的測“加速度(不含g)”功能,然后由靜止開始拼命旋轉手臂進行測量(如圖4),通過手機軟件的圖像記錄功能查看結果.其他同學也可以進行測量,比一比哪個旋轉手臂的加速度更大,讓課堂生動活潑起來.

圖4 學生體驗加速度

設計意圖:著名的教育學家蘇霍姆林斯基曾經說過:“親身體驗的樂趣,能夠最大程度地激發學習興趣,使知識成為快樂的源泉.”[3]與統一場景有效共生的物理課堂要盡可能地把情境搬進課堂,讓學生親自參與,用自己的身體親身探究,獲得深刻的身體感受,進而獲得感悟,激發學生強烈的心理認知,促進學生的學習深度前行.學生的物理學習與統一場景深度共生,物理學科核心素養得以提升.

2.5 追溯偶發,深化理解

物理知識來源于社會,又服務于生活.在物理教學中,教師應樂于敞開物理教學的大門,基于統一場景,打造物理教學與生活情境相連通的快車道.教師可以鼓勵學生將自己知道的統一場景中與本節課核心概念有本質聯系的典型偶發情境搬進課堂,在課堂中解決這些情境中的問題,深化對所學知識的理解,也不斷提升學生解決社會、自然、生活問題的綜合能力.

情境7:李明的爸爸開汽車送他上學的路上,踩油門加速,初速度v1=10 m/s,經過t=10 s,速度達到v2=20 m/s.則:(1) 汽車速度變化量Δv的大小和方向如何?(2) 汽車啟動時加速度大小和方向如何?

情境8:李明的爸爸開汽車送他上學的路上,偶遇突發情況,進行剎車,經過t=20 s汽車的速度由v1=20 m/s變化到v2=5 m/s.則:(1) 汽車速度變化量Δv的大小和方向如何?(2) 汽車剎車時加速度大小和方向如何?

情境9:李明的爸爸某次開汽車送他上學的路上,發生了車禍,車以大小為20 m/s向前的速度猛烈地撞擊到障礙物上,經過t=0.5 s,車反彈向后的速度大小為2 m/s.則:(1) 汽車速度變化量Δv的大小和方向如何?(2) 汽車加速度大小和方向如何?

情境10:李明的爸爸開汽車送他上學的路上,李明同學在汽車啟動、剎車停下來和中途加速的3個階段,每隔1 s觀察一次汽車速度儀,并記錄汽車速度的大小,繪制成了v-t圖像(如圖5).則:(1) 3個圖像分別對應哪個階段?(2) 3個圖像分別做什么運動?(3) 3個圖像的加速度各為多少?(4) 測出圖像①的傾角為β,則圖像①的加速度a=tanβ,對不對?

圖5 汽車各階段的v-t圖像

設計意圖:學生通過以上4個偶發情境的問題解決,能夠深化對加速度概念的理解,理解加速度和速度、速度變化量的方向關系,也能將加速度和v-t圖像結合起來進行深入的理解,還能夠培養學生用圖像來解決實際問題的能力.教師在教學中要根據教學內容的需求,在統一場景中創設相關偶發情境,讓學生對偶發情境中的物理現象進行分析,能有效培育學生的物理觀念、科學思維等物理核心素養,也能讓學生體會到物理知識在統一場景中的應用,從物理走向生活,物理與生活融合共生.

2.6 場景遷移,靈活應用

認識“科學·技術·社會·環境”的關系是物理新課程的重要理念之一.生產生活中豐富多彩的其他場景能夠激發學生關注社會發展,關注科技創新;提升學生運用所學物理知識分析解決生產生活中實際問題的能力,促進學生對所學物理知識的遷移和靈活應用;也能夠讓學生對所學知識進行深度理解,掌握其本質;還能夠培養學生的社會參與意識和對社會負責任的態度,可謂一箭多雕、事半功倍.

情境11:在足球比賽的點球大戰中,李明同學用0.1 s的時間將靜止的足球以30 m/s的速度踢出,經過0.5 s,足球到達球門口時的速度是20 m/s,守門員奮力撲出,用0.2 s的時間將足球牢牢抓在自己的手中.求:(1) 李明同學踢出足球時,足球的加速度是多大?(2) 守門員撲住足球時,足球的加速度是多大?

情境12:李明同學玩拍球,若某次拍球中球豎直落地時速度大小為4 m/s,接觸地面后豎直彈起時的速度大小為3 m/s,假設球與地面的接觸時間為0.1 s,求這段時間內球的平均加速度大小和方向.

設計意圖:基于統一場景的情境設計,讓學生對統一場景所涉及的物理現象進行深度探究,促進學生對所學知識的深度理解和運用.當學生已經掌握了必備知識和關鍵能力后,就需要用豐富多彩的各類其他場景中的情境來培養學生對新學知識的遷移能力和本質應用能力,促進學生對知識的靈活應用,深化學生的物理學科核心素養.

2.7 場景綜合,鏈接社會

學生獲取必備知識和關鍵能力后,精心設計能啟發學生發散思維的其他生產生活綜合場景,鏈接社會,組織多樣性的學習活動,使學生通過多樣性的學習方式提升學習效能.可以通過課外興趣小組、科技活動、社會調查、社會實踐、研究性學習、項目研究等多種形式,促使每一個學生在寬廣的社會生活課堂中實踐和應用物理知識,實現物理知識的社會應用,促使學生的物理學科核心素養得到升華.

情境13:汽車的眾多性能評價指標里,有一個“百公里加速”的評價指標,同學們利用電腦查一下各種品牌型號汽車的“百公里加速”時間,比較它們的性能優劣.親自測量一下自家汽車的“百公里加速”時間,并計算出它的加速度.

學生利用網絡查找各種汽車的“百公里加速”時間.利用汽車的速度盤進行自家汽車速度的測量,用手機秒表功能記錄時間,然后計算加速度大小;也可以利用手機地圖軟件的實時速度顯示功能進行錄像測量并計算加速度大小.

情境14:學生在學校操場跑道上自測一下自己跑100 m開始啟動、中途以及到達終點后減速的加速度.

學生用手機打開APP軟件phyphox中的測“加速度(不含g)”功能進行直接測量,用圖像進行記錄.也可以利用手機地圖軟件的實時速度顯示功能進行速度的顯示,再打開手機錄屏軟件進行實時錄像,最后進行數據處理.

設計意圖:知識在生產生活中的綜合應用是學習的根本價值所在.設計綜合場景,讓知識與社會鏈接,是學生運用所學物理知識發現、分析和解決實際問題的絕佳途徑,是實現物理教學與統一場景有效共生的升華點.有效開放利用學校內部和周圍地區的生產生活資源,開展豐富多彩的社會調查、社會實踐、項目研究等系列綜合實踐活動,使學生有更多的機會接觸社會生活,融入社會生活,領會物理科學知識在社會生產生活中的實際應用,認識“科學·技術·社會·環境”的關系,促進學生科學態度與責任的養成.

3 結語

奇妙無窮的生產生活情境蘊含著趣味橫生的物理知識,教學要從學生的經驗和體驗出發,精心尋找統一場景,設計豐富多樣的情境,密切知識與社會之間的聯系,引導學生不斷深入地觀察和體驗真實的社會生活,促使學生明確物理知識在工農業生產、日常生活乃至高科技領域中的地位和作用,感悟物理知識的實用性,催化學生關心生產生活中真實情境問題的習慣養成,樹立良好的科技意識,更加相信科學、熱愛科學、崇尚科學的價值. 輕視或忽視現實生活的物理教學,無異于“沒有根的浮萍”,是無法實現課堂有效教學的. 與統一場景有效共生的物理教學,可以產生強大的教育教學合力;實現物理教學與統一場景的有效共生,是回歸教育本真的必然訴求.