理清教材线索 提升科学素养

王云

摘 要：教材在编写过程中充分考虑了各个概念及规律彼此间的逻辑关系，设置合理的线索，创建通俗易懂的物理背景。本文以人教版物理必修1的第一章《运动的描述》为例，理清教材线索，确定各概念建立的背景，同时展现科学思想。

关键词：教材线索；科学思想；科学素养

中圖分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）3-0019-2

物理学的各个概念、规律相互联系，前后之间有着密切的因果关系，各知识点构建一个“链条”式的知识结构体系。教材在编写过程中充分考虑了逻辑性，紧紧围绕线索逐层展开，层层推进。同时，在编写过程中巧妙地把物理学思想和方法贯穿其中，从而润物细无声地提高学生的科学素养。

本文以人教版物理必修1的第一章《运动的描述》为例，理清教材线索，展现科学思想。

第一章的核心问题是如何定量描述物体的机械运动。教材以亚里士多德的名言“不了解运动，就不了解自然”激发学生探究自然的兴趣，构建了解运动的动机。通过我们周围可以看到的物体运动：汽车在公路上飞驰，江水在咆哮着奔向远方，鸟儿在飞翔，树叶在摇动……连我们脚下的地球，也在不停地自转、公转。这些运动的共同点是物体的空间位置随时间的变化。从而引发学生思考以下问题：

1.研究什么物体的空间位置随时间的变化？

2.如何定量表达物体的空间位置？

3.如何判断物体的空间位置是否变化？

4.如何从时间、空间角度分析物体的空间位置的变化？

5.物体的空间位置随时间的变化有怎样的定量关系？

6.物体的空间位置变化的快慢怎么研究？

物体的空间位置是否变化可以通过研究对象与另外一个物体的距离是否变化加以判断。为了测量的距离具有统一性，可以忽略物体本身的形状和大小，把物体简化为一个点。为了凸显物体的客观存在性还需要考虑物体本身的质量，建立质点这个理想化模型。此过程体现了基本的科学方法，抓住主要因素，忽略次要因素，构建理想化模型的科学思想。另外一个物体作为判断研究对象的空间位置是否变化的依据，所以需要假定不动，建立了参考系的概念。质点概念的建立，参考系的选择均体现了物理学的核心思想——相对思想。

研究对象的空间位置变化多少以及怎么变化需要进行定量研究，从而建立坐标系的概念。研究对象的运动过程，有的做直线运动，建立一维坐标系；有的在平面内做曲线运动，建立二维坐标系；有的在空间内运动，建立三维坐标系。一门学科能否成为一门独立的科学，评价标准之一就是能否进行定量研究。所以，第1节安排了质点、参考系和坐标系三个概念。对教材线索进行分析，有利于学生了解这三个概念建立的背景、概念之间的逻辑以及应用条件和范围。

教材利用第13页的图1.2-2分析通过不同路线从北京到重庆，引导学生思考不同路线的共同点和区别。共同点是位置的变化是一样的，即位置的移动（变动）是一样的。区别是不同路线运动的轨迹是不一样的。共同点的研究建立了位移的概念。教材这样安排体现了科学的辩证逻辑思维。教材第13页的“思考与讨论”引发学生对位移运算法则的思考，为建立矢量概念创建了背景和应用前景。教材利用不同的交通工具从北京到重庆引入位移的概念，还为建立时刻和时间间隔的概念进行铺垫。教师可以构建一列动车几点从北京出发，几点到达重庆，历经多长时间的情景引入时刻和时间间隔的概念。教材在编写过程中体现了空间和时间是物理学经久不衰的两大研究主题。

第2节分别从空间和时间的角度描述质点的运动，第3节自然联想到综合考虑空间和时间描述质点的运动。从实际情况出发构建物理背景，自行车在30 min内行驶8 km，汽车在相同时间内行驶50 km。在相同时间内，比较物体运动位移的大小，位移大，运动得快，所以汽车比自行车快。另一种是位移相同，比较所用时间的长短，时间短，运动得快，例如百米赛跑。引发学生思考，如何比较汽车和百米赛跑运动员的快慢？科学的比较方法必须要建立统一的评价标准，从而利用比值法建立速度的概念。这样的编写也体现了速度是连接空间和时间的纽带。

如图1，利用速度的公式计算A到B的速度，但不能精细化地描述A到B各点的运动快慢，只能粗略地描述运动的快慢，这样构建平均速度的概念。同时引发学生思考如何更加精细化地研究各点的运动快慢。从空间角度思考，如果A、B两点无限接近，从时间角度出发，A到B的时间越小，运动的描述就越精确。这样就自然地利用极限思想构建了瞬时速度的概念。

极限思想是从粗放型研究向精细化研究的必由科学之路。为了加强学生对瞬时速度这个全新概念的理解，教材安排了图1.3-2中的汽车速度计显示的速度可以看作瞬时速度，以及图1.3-3的“说一说”。体现了科学源于实际、服务实践的原则。

明确了速度的概念以后，学生必然思考如何测定速度的大小。教材第4节安排“实验：用打点计时器测速度”。利用打点计时器测速度有着明显的局限性，教材特意安排了“做一做：借助传感器用计算机测速度”。方案一用图1.4-7的方法测定速度，但是实际应用时把红外线发射器和超声波发射器安装在运动的物体上不太方便。为此，方案二的图1.4-9为升级版，超声波发射器和接收器均固定在一个不动的物体上。借助传感器用计算机很方便地获取了运动物体的速度随时间的变化规律，建立了图1.4-8的速度-时间图像。这样安排让各知识点的呈现顺理成章，没有任何突兀的感觉。本节充分体现了物理是一门实验科学，一门科学是否严谨必须能经受实验的检验。

结合图2的v-t图分析发现，相同的速度变化，需要不同的时间，可见速度变化的快慢不一样。如何定量比较速度变化的快慢？教材第25页利用“思考与讨论”构建加速度的背景，加强对此概念的理解。教材为了学生便于形成加速度的直观认识，多次采用类比速度的思维方法，同时注意与速度的区别。为了加强学生对比值法的理解，在第28页安排了“科学漫步：变化率”。

编者在编写教材过程中以如何定量描述物体的运动为线索逐层展开，构建概念的物理背景，设置合理的知识、能力台阶。各个概念形成一个完整的“链条”式知识结构，方便学生理解各个概念之间的逻辑关系。

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2007.