基于真实情境培养学生的关键能力——以“曲线运动”教学为例

卢敏翔 陈 艺

(1. 江苏省苏州工业园区星海实验中学,江苏 苏州 215000;2. 西安交通大学苏州附属初级中学,江苏 苏州 215000)

物理学是一门以观察和实验为基础的学科,源于生活,且服务于社会。在高中物理教学中,合理利用生活现象创设问题情境至关重要,但也要避免一味堆砌问题情境,仅展示表面现象,要深度挖掘情境背后蕴含的物理知识和科学本质,让学生在真实问题的解决中发展关键能力。

1 概念界定

1.1 关键能力

关键能力是真实情境课堂教学的培养目标。诸多教学方法、教育理念和教学模式等都是为培养学生面向未来生活所需的能力而提出的。《中国高考评价体系》指出:面向21世纪,支撑学生终身发展的关键能力群可划分为以认识世界为核心的知识获取能力群、以解决实际问题为核心的实践操作能力群、涵盖各种关键思维能力的思维认知能力群。[1]2019年12月教育部考试中心提出物理学科关键能力应包括理解能力、推理论证能力、实验探究能力、模型建构能力和创新能力。[2]

1.2 必备知识

必备知识是真实情境课堂教学的基础支撑,是发展关键能力的基础。物理学科的必备知识由基本事实、概念和规律以及科学方法等组成。物理学作为一门自然科学,它的整体知识框架和基本事实以陈述性知识形态存在,基本技术与方法以程序性知识形态保持,但陈述性知识并不是对现实世界的准确表征,仍需要针对具体情境进行再创造。对不同知识命题的理解需要由学生基于自己的已有认知建构起来,这取决于特定情境下的学习历程。教师可以通过创设不同类型的情境,促进程序性知识的生成,提高学生的科学思维和科学探究能力。

1.3 问题情境

问题情境是以问题或任务为中心构成的活动场域,[4]真实情境课堂教学需要以学生经验世界的丰富性和差异性为支撑,关注学生的潜在能力和个性化经验。按照知识应用和产生方式的不同,问题情境可分为生活实践情境和学习探索情境。生活实践情境源于自然现象、生产生活以及科技前沿。学习探索情境包括物理学史问题情境、课程标准和教材中的典型问题情境以及科学探究问题情境。同一类型的情境存在层级差异,不同层级的情境有助于培养不同水平学生的关键能力,从而实现核心价值的引领作用。

1.4 情境活动

情境活动是指学生在情境中所进行的解决问题或完成任务的活动。[4]教师可以通过设置不同层级的情境活动,培养学生的关键能力。基础性情境活动通过基本的、典型的情境,要求学生调用学科基本概念、原理、技能和思维方法;综合性情境活动通过多项关联活动组成的复杂情境,反映学生对知识、能力的整合和综合运用水平;应用性情境活动通过贴近时代、社会和生活实践或学习探索问题情境,培养学生的迁移应用和理论联系实际的能力;创新性情境活动通过新颖、陌生情境,引导学生主动思考,完成开放性或探究性任务。

2 “曲线运动”教学实践

2.1 依据单元教学理念,分析教学内容

“曲线运动”是人教版高中物理必修第二册第五章第一节的内容,具有承前启后的作用,承接必修第一册的“直线运动”和“牛顿运动定律”,利用“直线运动”的研究思路,结合“牛顿运动定律”的相关知识分析曲线运动,为“平抛运动”“圆周运动”的学习奠定基础。从知识结构上看,曲线运动的速度方向、物体做曲线运动的条件分别反映了曲线运动的运动学和动力学特征,为新旧知识的联系搭建了桥梁。

2.2 创设有效情境,提升关键能力

2.2.1 曲线运动的速度方向

问题情境1:教学中呈现3个情境,并进行相关的情境活动。

(1) 砂轮打磨金属器具时火星飞溅。火星在飞出前随着砂轮做圆周运动,火星离开砂轮的瞬间,沿砂轮边缘的切线方向飞出(图1)。

图1

(2) 陀螺旋转时,滴上红墨水。红墨水在飞出之前随陀螺做圆周运动,飞出后留下的墨迹是直线,将直线反向延长,延长线沿着圆形陀螺边沿的切线方向(图2)。

图2

(3) 小球在带侧壁的圆盘中做圆周运动。撤去四分之一圆盘侧壁后,小球沿圆盘的切线方向滚出(图3)。

图3

圆是特殊的曲线,做圆周运动物体的速度方向沿切线方向。那么做一般曲线运动物体的速度方向是否也沿切线方向呢?

情境活动1:学生通过观察情境中的现象,总结得出结论:当物体运动轨迹为圆时,瞬时速度沿切线方向。以此为证据,再由特殊到一般,猜想做一般曲线运动物体的速度方向。

问题情境2:如图4所示,利用组合式曲线槽装置、水写纸(遇水变色)、鼠标球,使鼠标球沿倾斜轨道在曲线槽中滚动,探究它在A、B两点的瞬时速度方向。

图4

情境活动2:如图5所示,鼠标球沿曲线槽滚动得到轨迹①,发现该轨迹无法反映A点和B点的瞬时速度方向。为进一步探究鼠标球在A点的瞬时速度方向,拿掉1、2两块板,得到轨迹②。同理,为探究鼠标球在B点的瞬时速度方向,拿掉3、4两块板,得到轨迹③。鼠标球离开A点和B点后,轨迹为直线,直线的方向即为该点的瞬时速度方向。

图5

引导学生由简单的情境活动进入复杂的情境活动,找出物体做一般曲线运动的瞬时速度方向的特点(图6)。

图6

问题情境3:如图7所示,骑车经过一段泥泞的路,人的后背会沾上泥水,泥水如何从后轮甩到人的后背上?如何改进自行车以避免此类现象的发生?

图7

情境活动3:利用无挡泥板的儿童自行车、椭圆形水桶、水写纸板,如图8所示,将自行车后轮架空,浸没在水桶中,观察水溅射的方向。如图9所示,将水写纸板放在自行车车座上方模拟人的后背,观察能射到后背的水的溅射方向范围。学生通过小组合作,提出应在CDE弧段增设挡泥板的解决方案(图10)。

图8

图9

图10

教学意图:以基本问题情境为载体,加强物理概念、原理、方法的学习。通过这一类型的问题情境引导学生学习物理基础内容,知道做曲线运动物体的瞬时速度方向,并会在轨迹图上画出物体在某点的速度方向。利用组合式曲线槽装置验证物体做曲线运动的速度方向,通过设计自行车挡泥板,培养学生的知识迁移应用能力。

2.2.2 探究物体做曲线运动的条件

问题情境4:利用双轨斜面装置、鼠标球、水写纸、3组箭头(分别表示摩擦力Ff、重力沿斜面向下的分力Gx和速度v),探究物体做曲线运动的条件。

双轨斜面装置的特点:小球在斜面上运动时的受力如图11所示,由于小球所受重力沿垂直斜面方向的分力Gy与小球所受支持力FN相平衡,小球所受重力沿斜面的分力Gx与小球所受摩擦力Ff的合力即为小球受到的合外力;通过贴在斜面上的水写纸,可以显示小球的运动轨迹,能非常直观地描出小球所受合力方向与速度方向(图12)。

图11

图12

情境活动4:如图12所示,将小球沿斜面上的两个导轨释放,留下一条直线运动轨迹和一条曲线运动轨迹,用箭头在轨迹上分别表示Gx、Ff和v的方向,学生通过观察、分析得到结论:当合外力方向与速度方向不在同一条直线上时,小球做曲线运动。

问题情境5:观察大量生活中的曲线运动实例,如铅球被抛出后在空中飞行(图13)、小车在细绳牵引下做圆周运动(图14)、月球在万有引力作用下绕地球运行(图15),引导学生进一步总结出它们所受合力和瞬时速度的方向特点。

图13

图14

图15

情境活动5:学生通过对生活中大量实例的分析,总结出物体做曲线运动的条件:运动物体所受合外力方向跟它的瞬时速度方向不在同一直线上。

教学意图:利用双轨斜面装置既可以留下小球的运动轨迹,又能很方便地标出小球所受合力的方向,既有利于学生得出曲线运动的条件,又有利于学生发现轨迹弯曲方向、速度方向与合力方向的关系。列举空中运动的铅球、做圆周运动的小车和绕地球运行的月球等实例,使学生认识到任何物理规律都是基于大量实验事实而得出的,提高学生的科学思维能力。

2.2.3 物体做曲线运动条件的应用

问题情境6:如图16所示,蜿蜒河道在拐弯处内侧地势相对平坦,外侧地势相对陡峭,试解释这一现象。

图16

情境活动6:学生利用组合式曲线槽装置探究小球的受力特点,让小球从轨道上某高度处由静止释放做曲线运动。为了证明是哪些板块对小球有力的作用,拿掉曲线槽的某个板块,看会不会对轨迹产生影响。若轨迹发生改变,则该板块对小球有力的作用;反之,则没有力的作用。如图17所示,学生经过探究发现:拿掉板块2、4、5,小球的轨迹不变,说明只有板块1、3、6对小球有力的作用。

图17

确定了哪几个板块对小球有力的作用后,再分析力的具体方向。小球在竖直方向上重力和支持力平衡,在曲线槽中受到的合外力是摩擦力和板侧壁所施弹力的合力,这个合力方向指向曲线的凹侧(图18)。所以,在河道拐弯处,是河岸外侧对河水有力的作用,使它蜿蜒流动。根据牛顿第三定律,河水对河岸会产生反作用力。正是在这个反作用力的作用下,河水不断冲刷外侧河岸,使其比内侧河岸更加陡峭。

3 结语

在教育改革深化背景下的课堂教学,应依据学科逻辑和学生的认知逻辑确定情境内和情境间的问题关系,重视情境的真实性和实践性。[5]在“曲线运动”的教学中,通过选取合适的素材,呈现现实问题情境,有侧重地多次利用组合式曲线槽装置研究做曲线运动物体的速度方向和物体做曲线运动的条件。在真实的问题情境下引导学生运用必备知识和关键能力解决实际问题,在这一过程中逐步提升其自主获取知识的能力。真实情境教学对于激发学生的学习动机、转变学习方式具重要作用,教师应全面考量所选情境的人文性和社会性,以及授课内容和方式能否覆盖物理学科必备知识和关键能力,确保课堂教学向“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”转变。