融合科技项目发挥习题课育人功能

2022-05-04陈森

中学理科园地 2022年2期

陈森

摘要：立德树人，培养物理核心素养是物理教学的终极目标。以国家重大科技突破项目为情境，编写情境化习题，开展习题教学，是发挥习题课育人功能的有效途径。以融合了“复兴号”的“中国标准”习题课教学为例，探讨如何发挥习题课的育人功能。

关键词：科技项目;习题教学;连接体模型;物理学科育人

1 新课标、新高考对习题教学提出育人要求

《普通髙中物理课程标准（2017年版）》指出：高中物理课程在内容上注重与生产生活、社会科技发展的联系，培养学生的社会参与意识、责任意识[ 1 ]。人的核心素养是思想品德，教育的核心任务是立德树人。中国高考物理评价体系中指出：要“加强物理科核心素养的考查，促进学生核心素养的形成与发展[ 2 ]。”可见，不管是从课标角度还是从高考评价角度，物理教学的最终目标是立德树人，培养有社会责任感的公民。作为与高考联系最紧密的重要课型，物理习题课也必然以培养学生核心素养为目标。

传统的物理习题教学，往往是直接给出模型化的习题，然后让学生通过变式训练，形成解题策略。这样的教学弊端是学生没有经历模型构建的过程，学生在解决实际情境的问题时会无从下手。而且，在重复训练解决模型化习题的过程中也容易使学生产生厌烦情绪，无法达到育人效果。

情境是构成考查内容的重要元素。高考评价体系指出：情境化试题“对考查和培养学生的物理学科素养具有关键作用[ 2 ]。”近年的高考试题，出现了大量情境化试题，因此，物理习题教学中，也应按照这一基本理念，以情境化习题教学作为习题教学改革的突破口。

近年来，我国有很多科技项目取得重大突破，如中国动车“复兴号”的“中国标准”、嫦娥五号完美完成中国航天史上最复杂的任务、北斗卫星全面建成等等。这些重大突破，跟物理学息息相关，在物理教学中，有机融入这些信息，以国家重大科技突破项目为情境，编写情境化习题，开展习题教学，可以让学生在學习知识的同时，感受国家科技的飞速发展，增强学生的民族自豪感，有效发挥物理习题课的育人功能。

基于以上认识，下面以连接体模型的习题课为例，谈谈如何将国家重大科技项目情境融入习题教学中。

2 连接体模型习题课教学设计

2.1 针对主题，寻找情境化资源

连接体是指两个或两个以上物体相互连接（绳子、弹簧相连，叠放、并排等）参与运动的系统[ 3 ]。连接体问题是训练学生应用牛顿运动定律解决问题的典型资源，其难点是研究对象选择的决策。与连接体模型对应的典型生活情境是火车。一次笔者用老式火车作为情境讲解连接体模型时，有同学开玩笑说：”老师，现在都是坐动车了，谁还坐绿皮火车啊！”说者无意，听者有心。笔者上网搜索了动车的资料，“复兴号”的4动4拖标准动力配置，吸引了笔者，“复兴号”的“中国标准”是优质的情境资源。

2.2 教学过程

环节1：导入

播放歌曲“咱们的复兴号”，配合视频，简单介绍中国动车从“中国制造”的“和谐号”到“中国标准”的“复兴号”的发展过程。“和谐号”动车组是基于国外的不同平台研发，标准不统一，不能互联互通，运营和维修成本高。“复兴号”是中国自主研发的，采用8辆编组、4动4拖的统一动力配置形式，由2个基本动力单元组成。复兴号CR400AF型电力动车组，第2、4、5、7节车厢为动力车厢，第1、3、6、8节车厢为拖车厢，没有动力。其模型可用图1表示。为什么动车组动力要这样配置呢？

【设计意图】用契合主题的、激情洋溢的音乐唤醒学生，既融合了音乐欣赏教育，又让学生在优美的旋律中进入待学习状态。介绍中国动车发展从“中国制造”到“中国标准”的历程，让学生了解国家最新的科技成果，培养学生的民族自豪感，体现用物理育人的教育理念，落实“立德树人”根本任务。紧扣主题，以复兴号CR400AF型电力动车组的动力配置为切入点，提出问题。让学生在眼、脑、耳多器官参与下，思想上获得更大刺激，德行上获得更大洗礼。

环节2：搭设台阶，构建连接体模型

过渡语：直接研究复兴号动车组的动力配置，难度较大，作为比较，先研究一下老式火车。PPT展示老式火车图片，介绍老式火车只有车头提供动力，后面的车厢都是拖车。

【例题1】一列车由8节质量相等车厢组成，后7节拖车车厢没有动力，车头是动力车厢，。列车在车头牵引下沿平直轨道行驶时，设第1节车厢对第2节车厢的作用力为F12，第2节车厢对第3节车厢的作用力为F23，第3节车厢对第4节车厢的作用力为F34……以此类推。若每节车厢所受阻力均相等，求：

（1）当列车匀速行驶时， F12∶F23∶F34∶F45∶F56∶F67∶F78;

（2）当列车匀加速行驶时， F12∶F23∶F34∶F45∶F56∶F67∶F78。

教师引导学生借鉴图1画出老式火车的模型图如图2所示，教师介绍像这样模型叫连接体模型。

提问：要求第1节车厢对第2节车厢的作用力F12，可选择哪节车厢作为研究对象，应选择哪节车厢为研究对象，选择的依据是什么？强调“可选”与“应选”的差别。“可选”的依据是能体现要求的那个力，“应选”的依据是这样选，能方便快速解决问题。

学生尝试解题后，教师进一步引导得出：要求F12，可选的研究对象有拖车2、拖车23、拖车234、拖车2345、拖车23456、拖车234567、拖车2345678，也可以以车头为研究对象先求出第2节车厢对第1节车厢的力F21，再根据牛顿第三定律求出F12。

教师：找到这么多可选的研究对象，选哪个呢？选对象的过程其实是一个探究的过程，请同学们尝试画出每个可选对象受力分析图，结合题目的条件，思考讨论选哪个研究对象，可以求出F12。

学生：画图。讨论后发现，不管选哪个，条件都不足，无法求出F12。

教师：题目有要求求出F12吗？

学生：没有。要求的是比值。

教师：那应该怎么办？

学生：可以先研究F23、F34、F45、F56、F67、F78。

教师：请同学们继续讨论，为了体现这些力，可供选择的研究对象有哪些？综合考虑题目的要求，应该如何选取研究对象？

学生讨论：应分别选择后7节拖车、后6节拖车、后5节拖车……为研究对象，决策的依据是可以体现要求的力，同时受力简单。

教师：当拖车匀速行驶时，如何列方程？当拖车加速行驶时，如何列方程求解？请同学尝试独立完成。

容易解得，不管火车是匀速还是加速，F12∶F23∶F34∶F45∶F56∶F67∶F78=7∶6∶5∶4∶3∶2∶1。

教师：小结解决问题的流程为：选对象→受力分析→运动分析→列方程。

【设计意图】直接研究原始问题，往往问题复杂，所以要针对教学目标结合学情，编写习题，聚焦要解决的问题，提高课堂效率。本环节中，教师主要引导学生构建连接体模型，经历选择合适研究对象、受力分析、运动分析、看图列方程求解等解题流程。关于选择研究对象的策略，教师往往强调所谓的“整体法”和“隔离法”，甚至有教师要求学生先“整体”后“隔离”，这样的做法是僵化的，不利于培养学生的决策思维。教学中应引导学生按照“可选”与“应选”的思维模式进行决策，让学生体会结合题目的条件、进行分析综合判断才是决策的依据。

环节3：迁移应用，应用模型解决问题

【例题2】“复兴号”动车组总共8节车厢，每节车厢质量为18 t，其中第1、3、6、8节车厢没有动力，而第2、4、5、7节车厢是动力车厢。假设“复兴号”在平直轨道上从静止开始加速到速度360 km/h，这个过程视为匀加速直线运动，每节动力车厢的牵引电机提供4.75×104 N的牵引力，每节车厢均受到1.25×103 N的阻力[ 4 ]。

（1）求这个匀加速直線运动过程“复兴号”的运动时间;

（2）求第5节车厢与第4节车厢之间的相互作用力的大小。

教师：请同学们按照“选对象→受力分析→运动分析→列方程”的流程进行求解。

问题（1）中，学生容易以整列车厢为研究对象，画出受力分析图，牛顿第二定律可得：4F-8f=8 ma，再结合速度时间关系可得：v=at，解得：t=80 s;

问题（2）中，教师根据学生的解答，重点引导研究对象的选择，可以选前4节车厢为研究对象，也可以选后4节车厢为研究对象。

学生：以前4节车厢为研究对象，假设第4、5两节车厢的作用力为T，根据牛顿第二定律可得：2F-4f-T=4 ma，联立解得：T=0。

教师拓展提问：设第1节车厢对第2节车厢的作用力为F12，第2节车厢对第3节车厢的作用力为F23，第3节车厢对第4节车厢的作用力为F34……以此类推。F12、F23、F34、F45、F56、F67、F78中有哪几个力等于0？请同学先观察图1，根据图1的特点，猜猜看，哪几个力等于0，然后通过计算证明。

【设计意图】为提高课堂效率，紧扣“复兴号”主题，借鉴文献编写例题2，先让学生自主完成，然后根据学生解答情况，请学生上台讲解。拓展提问中，要引导学生观察图1，根据对称性凭直觉进行猜想，这样的引导有利于培养学生的对称思维和直觉思维，最后让学生通过计算证明是为了培养学生的证据意识。

环节4：质疑创新，动车组动力组合只能这样吗？

复兴号的4动4拖动力配置形式中，第2、4、5、7节车厢为动力车厢，每节动力车厢携带4台牵引电机，第1、3、6、8节车厢为拖车厢，没有动力，动力组合只能这样组合吗？有没有其他组合方式？和谐号CRH3C的组合方式如图3所示，为何不用图3这种组合方式呢？请同学们带着这个问题去查阅资料或者咨询相关的专家。

【设计意图】设置此环节是为了培养学生质疑创新能力，同时激发学生进一步探究的欲望。

3 教学中彰显物理育人功能的思考