基于物理学科素养的高端备课——以“匀变速直线运动的位移与时间的关系”为例

文∣董友军 朱建山 皮飞鹏

匀变速直线运动是高中物理学习的内容，匀变速直线运动的关系不仅应用于直线运动，也应用于曲线运动(如平抛运动)；不仅应用于力学，也应用于电学(如类平抛运动)。匀变速直线运动的位移与时间的关系是匀变速直线运动的各物理量关系的基础，若没有位移与时间的关系，就无法对匀变速直线运动进行定量研究。本文以培育学生物理学科核心素养为目标，对“匀变速直线运动的位移与时间的关系”进行高端备课。

一、教材分析

“匀变速直线运动的位移与时间的关系”是人教版高中物理必修一教材“第二章 匀变速直线运动的研究”的第3节，它是本章的重点、也是本章的难点。本章第1、2节得出匀变速直线运动的速度与时间的关系，本节得出了匀变速直线运动的位移与时间的关系，故完整地呈现了匀变速直线运动的初速度、末速度、时间、加速度、位移之间的关系，为定量研究匀变速直线运动提供了分析依据。本节也是“第4节 自由落体运动”的一般规律，自由落体运动是匀变速直线运动的特例，学好本节有助于学生理解自由落体运动。本节采用了“数形结合”“化变为恒”的研究思想，是研究物理学科的重要思想，但其比较抽象，学生难以理解，是本节教学难点。

通过对教材认真分析，在教学时，笔者发现可以从以下两个方面改进。

(一)优化问题引导

在学习“问题”栏目部分，很多学生感觉引导“从匀变速直线运动物体的v-t图象可以看出，在时间t内的位移x对应图中着色部分的矩形面积”与问题“做匀变速直线运动的物体，在时间t内的位移与时间会有怎样的关系？”之间有点脱节，故在教学时，教师要顺着引导的思路，优化问题为“做匀变速直线运动的物体v-t图象与v轴、t轴所围成的梯形面积也等于匀变速直线运动的位移大小吗”。

(二)优化解题示范

二、教学环节

物理高端备课是指以物理课程与教学理论为指导，采用备课形式，研究符合物理知识规律、满足物理教学规律、适合学生认知规律的教学设计，体现从“物理知识传授—物理方法教育—物理思想形成”的核心理念[1]。它不同于传统教学基于信息加工理论的流程描述，而是在符合物理学科特色的物理教学理论指导下，对具体的物理教学问题做出合乎物理教学逻辑的引领。

依据对教材的分析，笔者优化教学流程、突出科学方法、重视实验验证、关注知识应用，对“匀变速直线运动的位移与时间的关系”第1课时进行物理高端备课，从而培育学生物理学科核心素养——主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任[2]，教学流程如图1所示。

图1 教学流程图

物理高端备课的教学流程更加注重物理逻辑的严谨性，教学逻辑的渐进性，认知逻辑的适切性，有助于学生理解匀变速直线运动的位移与时间的关系的内涵，提升学生用位移与时间关系解决实际问题的能力。依据教学流程，笔者实施了以下教学环节。

(一)创设情境，提出问题

教师播放高速列车匀速行驶的视频,如图2所示，提出以下问题。

图2

【问题一】设高速列车以288 km/h在轨道上匀速直线运动，请画出高速列车运动10 s的v-t图象。

学生认真观看视频，并画出v-t图象，如图3所示。

图3

【问题二】根据匀速直线运动的位移公式计算高速列车10 s运动的位移大小，同时计算v-t图象与v轴、t轴围成的矩形面积。

【问题三】匀速直线运动中，位移大小与v-t图象、v轴、t轴围成的面积存在的关系。

教师再播放高速列车匀加速行驶视频，如图2。

【问题四】设高速列车以初速度v0在轨道上匀加速直线运动，请同学们画出高速列车运动时间t的v-t图象。

学生认真观看视频，并画出v-t图象，如图4所示。

图4

【问题五】如何计算匀加速直线运动的高速列车经过时间t运动的位移大小。

教师创设高速列车视频材料，让学生认知从感性向理性转化，降低学生认知难度，同时提升学习兴趣，并增强学生民族自信心和国家自豪感，培养学生科学态度与责任。从直线运动位移的公式到v-t图象、v轴、t轴围成的面积，引导学生用“数(公式)形(形状)结合”思想研究物理问题，培养学生科学思维。从发现匀速直线运动的位移大小等于v-t图象、v轴、t轴围成的面积，到学生提出猜想——匀加速直线运动的位移大小等于v-t图象、v轴、t轴围成的面积，既可以培养学生物理观念，也可以培养学生科学探究。

(二)分析问题，展开探讨

教师引导学生思考以下问题。

【问题六】若把高速列车匀加速直线运动时间t的v-t图象分成5小段，如图5所示，每小段起始时刻的瞬时速度由相应的纵坐标表示，则每一小段内，可以粗略认为高速列车以这个速度做匀速直线运动，请问5个矩形的面积之和与高速列车匀加速直线运动的位移大小有什么关系？

图5

【问题七】若把高速列车匀加速直线运动时间t的v-t图象分成10小段，如图6所示，每小段起始时刻的瞬时速度由相应的纵坐标表示，则每一小段内，可以粗略认为高速列车以这个速度做匀速直线运动，请问十个矩形的面积之和、五个矩形的面积之和与高速列车匀加速直线运动的位移大小有什么关系？

图6

【问题八】若把高速列车运动时间t的v-t图象分成50000小段，此时矩形的顶端的“锯齿形”就看不出来了，这些小矩形合在一起就成了一个梯形，如图7所示，请问这个梯形的面积与高速列车匀加速直线运动的位移大小有什么关系？

图7

上面三个问题循序渐进，用“化变为恒”思想，让v-t图象、v轴、t轴围成的面积逐渐逼近匀变速直线运动的位移大小，促使学生深刻理解微元法，培养学生科学思维。让学生经历比较、讨论、分析、总结，得出匀加速直线运动的位移大小等于v-t图象、v轴、t轴围成的面积，培养学生科学探究。

(三)意义建构，深度理解

教师继续利用问题链引导学生学习。

【问题九】根据以上分析，请同学们推导出匀加速直线运动的位移与时间的关系。

【问题十】由v=v0+at，请同学们推导出匀加速直线运动的位移与时间的另一种关系。

【问题十一】以上两个公式是根据匀加速直线运动推导出来，请问匀减速直线运动也适用吗？

学生由此掌握从匀加速运动的位移与时间的关系探究过程可以得出，若是匀减速直线运动，其v-t图象倾斜向下。通过微元法，同样可以得出位移大小等于v-t图象、v轴、t轴围成的面积。

教师总结：以上两个公式既适用匀加速直线运动，也适用匀减速直线运动，即以上两个公式适用匀变速直线运动。再提出问题。

【问题十二】以上两个公式为矢量表达式，为了计算方便，常以初速度v0方向为正方向，若是匀加速直线运动，则加速度a取正值还是负值？若是匀减速直线运动，则加速度a取正值还是负值？

表1 实验数据

教师总结：已经从“梯形”得出 “公式”，并通过实验验证了公式的正确性，现在结合图形，对公式进行深度理解；然后再提出以下问题链。

【问题十五】请同学们画出初速度为0 m/s的匀变速直线运动的位移与时间关系的x-t图象。

问题九至十五的问题链，首先让学生自己通过v-t图象、v轴、t轴围成的面积等于匀加速直线运动的位移大小，推导出匀加速直线运动的位移公式；接着引导学生分析，此公式也满足匀减速直线运动，从而得出匀变速直线运动的位移公式，构建物理知识完整体系；最后指出公式是矢量表达式，需要先确定正方向，与正方向相同的物理量取正值，与正方向相反的物理量取负值，从而强化物理矢量的认识，培养学生物理观念。教师在教学中利用创设实验，验证公式的正确性，强化“实验是检验理论是否正确的唯一标准”的理念，培养学生科学探究；引导学生把公式与图形对应起来，深化对物理公式的理解，进一步强化“数形结合”，培养学生科学思维。教师选择的素材从生活中的匀变速直线运动、到数学v-t图象的倾斜直线，再到数学x-t图象的抛物线，让学生感悟客观真实与数学抽象的区别与联系，培养学生科学思维。

(四)联系生活，拓展应用

教师进一步提出问题，拓展知识，让学生学会应用。

【问题十六】如图8所示，某儿童在滑滑梯，同伴在顶端推了她一下而做匀加速直线运动，设其初速度为0.5 m/s，下滑加速度大小为2 m/s2，从顶端滑动底端的时间为2 s，求滑梯的长度。

图8

学生先在草稿纸上写出计算过程。教师再在黑板规范板书，给学生示范，让学生形成良好的规范解答习惯。学生观看教师规范板书，并修改自己表述不规范处。

教师引导学生先理解题目，把公式记住，并理解每一个字母的含义；画出示意图，让思路更加清晰；以初速度为正方向，做匀加速直线运动，a取正值。

教师最后出示练习题让学生巩固知识。

【练习题】北京冬奥会有冰壶运动，若中国某运动员在训练中以4 m/s推出冰壶(如图9)，冰壶在冰面上做匀减速直线，其加速度大小为1 m/s2。已知推出点距离营垒中心7 m,判断冰壶停下时是否越过了营垒中心。

图9

教学过程中，教师选用滑滑梯、推冰壶作为习题背景材料，既体现物理来源于生活，也体现物理服务于生活，培养了学生物理态度与责任。解题时，教师要求学生先画出运动过程示意图，再应用物理规律解决实际问题，既可以培养学生物理思维，又可以培养学生物理观念。

三、备课反思

传统备课存在处理教材呆板、制定目标笼统、设计教案简单、教学反思空洞等问题，其原因在于缺乏科学理论指导。物理高端备课要求教师超越传统教材分析，不仅要明确“教什么”“如何教”，还要明白“为何教”“教如何”。回顾教学过程，笔者提出以下六点建议。

(一)高端备课揭示物理本质

物理教学不但要让学生了解物理现象，更要让学生探究物理本质。为了揭示匀变速直线运动的位移与时间的关系的本质，教师先让学生得出匀速直线运动v-t图象、v轴、t轴围成面积等于位移大小，接着鼓励学生猜想匀变速直线运动v-t图象、v轴、t轴围成面积等于位移大小，然后用微元法促使学生理解猜想的正确性，再设置实验验证猜想是正确的，最后得出匀变速直线运动的位移与时间的关系。通过以上过程，不仅可以让学生经历科学研究的过程，也让学生深刻理解物理规律的本质。

(二)高端备课凸显科学方法

科学方法是人们在认识和改造世界中遵循并符合科学原则的各种途径或手段，包括在科学活动中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。物理高端备课，以科学方法为中心开展物理教学设计(如图10)。自然现象通过科学方法得到物理知识，物理知识通过科学方法得到函数关系，函数关系通过科学方法得到拓展应用，科学方法把自然现象、科学知识、函数关系、拓展应用联结起来。整个备课过程，以知识为载体，先后用到类比法、微元法、图像法、公式法，从而实现用科学方法得到物理知识，用物理知识传承科学方法。

图10

(三)高端备课强化数形结合

(四)高端备课创设验证实验

实验是物理学科的基础，也是物理教学的特色。笔者提出“无实验不物理”，即没有实验就不是物理教学。在物理教学过程中，物理教师必须想方设法创设实验，让学生在实验中验证物理规律。本节备课，教师先通过微元法得出了匀变速直线运动的位移与时间的关系，再创设学生实验，让学生经历验证匀变速直线运动的位移与时间的关系符合理论推导的结论。这不仅可以培养学生实验动手能力，也可以养成学生科学研究习惯。

(五)高端备课联系现实生活

认知心理学表明，要让学生真正理解知识，最有效的方式就是把知识应用于生活。[3]匀变速直线运动是生活中最常见的物理现象，教师可以精心挑选现实生活情境，把物理知识融入生活素材中，让学生把现实过程转变为物理模型，运用物理知识解决生活问题，既可以增强学生解决问题能力，也可以体现物理学科应用价值，还可以培养学生科学态度与责任。例如选用滑滑梯、推冰壶，让学生把物理知识与运动结合起来，让学生体会到生活即物理，物理即生活。教师还选用高速列车，向学生讲述我国高速列车里程世界第一，高速列车技术完全自主知识产权，树立学生民族自豪感和国家自信心，培养学生科学态度与责任。

(六)高端备课培育核心素养

培育素养是教学最终目标。素养是指物理学科核心素养，它包括物理知识，但物理知识不是物理学科核心素养的全部。通过知识的学习，可以培育学生素养。高中物理课程旨在落实立德树人根本任务，提升学生物理学科核心素养，为学生终身发展奠定基础。教师不要为了提高学生高考成绩，而只注重学生学习知识，要注重体现物理学科本质，培育学生物理学科核心素养。例如，通过学习“匀变速直线运动的位移与时间的关系”，不仅要让学生理解匀变速直线的位移公式而形成物理观念，也要引导学生把实际运动建构为匀变速直线运动的物理模型而培养科学思维，带领学生理论和实验分析匀变速直线运动的位移与时间的关系而经历科学探究，联系现实生活、精选“高速列车”“儿童滑梯”“冰壶运动”等塑造科学态度与价值观。

四、结束语

物理高端备课引导物理教师跳出教学看教学设计，它以培育物理学科核心素养为目标，研究物理教材，结合学生实际，用心理学、教育学、物理学去审视教学过程、总结教学经验，从而减轻学生学习压力、提升教师教学效率。