基于核心素养的物理规律教学

付鹂娟

摘   要：教师要把核心素养要素嵌入规律教学设计的各个环节。首先，要明确课标要求、挖掘素养目标的落地点，分析认知障碍、找准素养提升的突破点，设计学习活动、规划素养发展的关联点;其次，要用问题解决贯穿规律教学的实施过程;最后，要把握规律教学结构，落实物理核心素养。

关键词：教学设计;核心素养;规律教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章編号：1003-6148（2022）3-0029-4

“匀变速直线运动位移与时间的关系”是高中物理运动学的重要规律之一。通常教师在处理这一教学内容时，容易出现两个问题：一是急于直接告诉学生公式的结果，忽略规律建立的过程;二是把规律的应用当成公式的讲练，忽略真实情境的创设和问题解决思路的梳理。教师这样处理不利于学生理解规律的内涵，也掩盖了规律建立和应用过程中蕴含的物理学科思想方法。

因此，基于核心素养的物理规律教学在设计上要解决三个核心问题：（1）规律是如何建立的？（2）规律的适用范围是什么？（3）如何应用规律解决实际问题？

在新课程、新教材的背景下，如何把握物理规律教学的特征，有效促进素养目标的达成？一直是一线教师深入思考的问题。本文以“匀变速直线运动位移与时间的关系”为例，尝试对上述问题进行探讨。

1    把核心素养要素嵌入规律教学设计的各个环节

1.1    明确课标要求，挖掘素养目标的落地点

本节内容对应的课标要求是：通过实验引导学生认识匀变速直线运动的特征，理解匀变速直线运动的规律，从中体会科学思维中的抽象方法和物理问题研究中的极限方法。能利用公式、图像等多种表征方式描述匀变速直线运动的特点，并能运用其解决一些简单的实际问题[1]。

物理知识是核心素养落地的载体，学生经历学习活动的过程就是素养提升的过程。教师在利用公式、图像等方法描述匀变速直线运动的过程中，引导学生体会物理学高度概括、抽象的本质特征，凝练物理观念;在利用极限思想推导匀变速直线运动规律的过程中，引导学生要基于证据进行论证;在应用匀变速直线运动规律解决实际问题的过程中，引导学生建构物理模型、进行科学推理，只有这样才有利于学生科学思维的发展。

1.2    分析认知障碍，找准素养提升的突破点

在这之前，学生已经认识了匀速直线运动，会用公式求匀速直线运动的位移。但匀速直线运动涉及的公式比较单一，学生习惯直接套用公式进行计算，系统分析的能力较弱，在面对综合复杂问题时，不能建立公式和实际问题之间的联系。

学生已经学习了匀速直线运动的v-t图像和x-t图像，初步认识了图像的物理意义，但对v-t图像的面积代表位移的理解还不深刻，还不具有将方法迁移到新情境的意识。另外，理解图像所描述的运动过程，把图像和实际的运动对应起来，实现文字、图像和公式等不同表征方式的转化和统一也是学生的思维障碍点。

1.3    设计学习活动，规划素养发展的关联点

学生的认知基础和课标要求，分别对应了本节课的学习起点和预期达成的学习目标，而连接起点和目标的就是学习活动。因此，笔者针对本节课设计了两个学习活动，呼应规律教学需要解决的三个核心问题。

1.3.1    活动1：探究匀变速直线运动位移与时间的关系—— 规律的建立和内涵

在这一活动中，学生类比匀速直线运动v-t图像面积的含义，利用极限思想论证匀变速直线运动v-t图像面积和位移的对应关系，然后数形结合，推导匀变速直线运动的位移与时间、位移与速度、平均速度的公式，理解公式中物理量的含义，再通过传感器实验验证推导结果的正确性。通过这一系列活动，让学生经历规律建立的过程，进而理解规律的适用条件，体会图像在分析、解决物理问题中的重要作用，以及利用极限思想分析、解决物理问题的科学思维方法。

1.3.2    活动2：估算汽车在高速公路上行驶的最小安全车距 —— 规律的应用

教师创设实际的问题情境：《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》中关于高速公路最小安全车距的规定是否合理？学生通过模型建构，利用物理公式、图形、图像等多种方法估算汽车在高速公路上行驶的最小安全车距。通过这一活动，让学生体会建构物理模型、解决实际问题的科学思维方法，以及物理知识在实际中的应用价值。

2    用问题解决路径贯穿规律教学的实施过程

本节课的教学以“提出问题—分析问题—解决问题”的思路展开，教学流程如图1所示。

2.1    创设情境，提出问题

【教师】 高速公路两侧的车距确认指示牌像一把标尺，帮助驾驶员估测和前车的距离。《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第八十条规定，机动车在高速公路上行驶，车速超过100 km/h时，应与同车道前车保持100 m以上的距离，车速低于100 km/h时，与同车道前车距离可以适当缩短，但最小距离不得少于50 m。今天我们要从物理学的角度评估这样的规定是否合理？请同学们思考，如何建立模型把这个实际问题转化为物理问题？

【学生】 可以把汽车刹车视为匀减速直线运动，估算汽车从刹车到停止的位移。我们的物理问题就是要探究匀变速直线运动位移和时间的关系。

【设计意图】 从学生熟悉的实际生活情境出发提出问题，体现研究匀变速直线运动位移与时间的关系在实际中的应用价值，并引导学生体会把实际问题转化为物理问题建构物理模型的科学思维方法。

2.2    科学探究，分析问题

2.2.1    层次1：寻找方案，提出猜想

【教师】 给出前面实验课中得到的数据（表1），提出问题：如何计算匀变速直线运动的位移？让学生提出计算方案，在此基础上，引导学生尝试通过v-t图像的面积进行探究。

【学生】根据不同时刻的瞬时速度计算小车运动的位移，并评估计算结果的误差。类比匀速直线运动v-t图像面积的物理意义，猜测匀变速直线运动v-t图像面积的意义，进而确定通过v-t图像面积探究匀变速直线运动位移的方案。

【设计意图】从匀速直线运动的位移到匀变速直线运动的位移，引导学生体会通过类比把所学的知识迁移应用于解決陌生问题的思路方法。

2.2.2    层次2：极限思想，理论探究

【教师】 这一环节教师活动分4步完成：第一，介绍《九章算术注》中记载的我国古代数学家刘徽利用割圆术计算圆面积和圆周率的方法，为利用极限思想证明匀变速直线运动v-t图像面积代表位移作铺垫;第二，通过作图和动画展示（图2），引导学生体会当时间间隔越来越短，分割的矩形越来越多，矩形面积的和就越接近梯形面积，从而论证匀变速直线运动v-t图像面积代表位移;第三，明确第二个层次的数学推导所对应的物理意义——当时间间隔足够短，变速运动可当成匀速运动来处理，计算其位移所造成的误差也就越来越小;第四，提出新问题，“v-t图像面积代表位移”这一结论是否具有普遍意义？对图3所示的运动是否成立？

【学生】 证明：“v-t图像面积代表位移”这一结论具有普遍意义，体会极限思想在物理中的应用。

【设计意图】 这一环节设计意图有两个：一方面，引导学生在证明v-t图像面积代表位移的过程中，理解极限思想，并通过对我国古代早期数学思想伟大成就的介绍，让学生感悟中华民族的智慧;另一方面，数学中的极限思想对应了重要的物理意义——“一个变化过程在极短时间内可认为是不变的”，这是物理学中处理复杂变化过程的重要方法，需要适时、经常渗透。

2.2.3    层次3：数形结合，推导公式

【教师】引导学生通过不同的方法计算匀变速直线运动v-t图像的面积，得出匀变速直线运动的位移随时间变化关系的表达式，理解不同形式表达式的物理意义。

【学生】 学生分成不同的小组，利用不同方法计算匀变速直线运动v-t图像的面积，得出相应的表达式，并说出其对应的物理意义。推导方法1（图4）：根据梯形面积公式进行计算，突出平均速度的物理意义。推导方法2（图5）：根据三角形面积与矩形面积之和计算，其物理意义是初速度为v0的匀加速直线运动的位移等于以v0的速度做匀速直线运动的位移和初速度为零的匀加速直线运动的位移之和。推导方法3（图6）：梯形面积可以用大的矩形面积和三角形面积之差来计算，其物理意义是初速度为v0、末速度为vt的匀加速直线运动，可视为反向的初速度为vt的匀减速直线运动。

【设计意图】 学生在分组讨论、交流不同证明方法的过程中，理解不同形式位移公式的物理含义，并把公式、图像与实际的物理过程相对应。

2.2.4    层次4：实验验证，总结规律

【教师】 利用位移传感器，测量小车在倾斜轨道加速下滑过程中的位移，通过电脑拟合v-t图像和x-t图像，通过v-t图像得出小车的初速度和加速度，检验x-t图像，验证理论探究的结论是否正确。

【学生】 观察实验，思考实验结果。总结匀变速直线运动位移与时间的关系，并结合速度随时间变化的关系，推导匀变速直线运动位移与速度的关系。

【设计意图】 通过传感器实验，得出较为精确的实验结果，让学生体会理论和实验相结合的研究方法。

2.3    模型建构，解决问题

2.3.1    层次1：初步建立模型

【教师】 呼应之前的问题，如何估算高速公路上最小安全车距？引导学生构建匀减速直线运动模型，估算汽车在高速公路上从开始刹车到停下来所行驶的距离，评估高速公路安全距离设置的合理性。提出问题：为估算汽车从开始刹车到停下来所行驶的距离，我们可以做怎样的简化处理，需要知道哪些条件？可以用哪些方法进行估算？高速公路最小安全车距的设置是否合理？

【学生】 分小组讨论，为了估算汽车从开始刹车到停下来行驶的距离，我们进行如下简化：① 汽车的行驶速度为100 km/h;②汽车刹车过程的运动可视为匀减速直线运动;③汽车刹车的加速度大小约为5 m/s2。

用不同方法进行估算：方法1，利用匀变速直线运动位移与速度的关系;方法2，利用匀变速直线运动位移与时间的关系;方法3，利用平均速度;方法4，利用图像。

计算得出汽车从开始刹车到停下来行驶的距离约为77 m。可见，在上述条件下，保持100 m以上的车距基本是合理的。

2.3.2    层次2：修正模型

【教师】 这个估算的模型是否可以进一步优化？教师进一步提出问题：驾驶员看到紧急情况后需要一小段时间才能作出反应，从驾驶员踩刹车到汽车开始减速也需要一段时间，这两段时间大约是0.6 s，在这段时间内，汽车在做什么运动？如果考虑这段时间，又该如何估算汽车在高速公路上行驶从开始刹车到停下来的距离？在这种情况下高速公路安全距离的设置是否还合理？

【学生】 学生根据增加的条件，把汽车的运动分为两个阶段，匀速直线运动和匀减速直线运动，分别用公式和图像的方法进行估算，再次评估高速公路安全车距的设置是否合理。

【设计意图】 本环节层次1的设计意图有两个：一方面，引导学生体会如何对实际问题进行简化，作出合理估算;另一方面，让学生体会公式、图像等对匀变速直线运动不同描述方式的统一，为灵活选择不同的方式解决问题作铺垫。层次2旨在引导学生根据实际情况对模型进行修正。

【课堂总结】

本节课，从匀速直线运动的位移公式出发，利用极限思想证明v-t图像面积代表位移，从中体会到“一个变化的过程在极短的时间内可视为不变”的思想。同时，通过建立物理模型，利用匀变速直线运动规律，评估了高速公路上安全车距的问题。在这一过程中，我们发现随着实际问题复杂程度的增加，模型的复杂度随之增加，尽管模型和真实的情况还存在一定的差距，但在一定程度上可以对真实问题作出合理判断。同学们课后还可以进一步思考，如何利用匀变速直线运动的规律解决生活中的问题。

3    探索规律教学结构，落实物理核心素养

物理规律教学围绕规律的形成过程而展开，有助于学生凝练物理观念;通过经历规律认知过程的观察、实验、思维、想象、数学推理等心智活动，能促进学生科学思维水平的提高，科学探究能力的提升[4]。物理规律对社会发展和科技进步发挥着重要的推动作用，认识物理规律的实际应用价值，有助于学生形成正确的科学态度和责任。

在本节课的教学中，从认识匀速运动到掌握匀变速直线运动的规律，丰富了学生的运动观;同时，从猜想到理论推导再到实验验证匀变速直线运动位移规律的过程，提升了学生的探究能力;运用真实情境评估《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》中设置安全距离的合理性，发展学生建构模型、分析推理等科学思维能力，感受物理规律的实际应用价值。

因此，高质量的规律教学是促进学生核心素养发展的有效途径，我们应该把握规律教学的结构，不断提高规律教学的实效性。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]冯杰.物理概念教学与物理规律教学之差异性探讨[J].物理教师，2020，41（01）：2-8.

[3]胡扬洋.我国物理规律教学思想的回望与前瞻[J].教育导刊，2015（07）：44-47.

[4]邢红军，张抗抗，胡扬洋，等.物理概念与规律的教学要求：反思与重构[J].课程·教材·教法，2018，38（02）：91-96.

（栏目编辑    邓   磊）