基于“问题解决”的物理学科关键能力培养策略

摘   要：以“平抛运动”教学为例，讨论基于问题解决的物理学科关键能力的培养策略。本研究对高中物理教学中落实关键能力培养的启示有：以问题情境创设为引领，从启迪思维、慎思悟理、深度学习、质疑创新等方面优化课堂结构；课堂教学以展示学生思维为中心，帮助其自主建构知识，发展其学科关键能力，提升其核心素养。

关键词：核心素养；关键能力；问题解决；优化设计；平抛运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）12-0067-5

关键能力是培育核心价值观、发展学科素养的重要支撑和前提。物理考试中提出的“理解能力”“模型建构能力”“推理论证能力”“实验探究能力”以及“创新能力”是物理学科的主要关键能力［1-2］。基于问题解决提升物理学科核心素养，是引领学生走向高效学习的途径之一。对标高考评价体系，反思物理学科教学，教师应针对关键能力培育要素，明确教学目标，优化课堂结构，引领学生高效学习。本文以某版本《物理》（2019年版）必修第二册第二章第二节“平抛运动”为例，进一步讨论基于问题解决的物理学科关键能力培养的课堂教学探索实践与思考［3］。

1    教学内容分析

1.1    研课标，明要求

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中对应的内容要求为：“通过实验，探究并认识平抛运动的规律。会用运动的合成与分解的方法分析平抛运动。体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想。能分析生产生活中的抛体运动。”  ［4-5］

要求学生会做“探究平抛运动的特点”实验，明确要求学生探究并认识平抛运动的规律。特别强调研究复杂运动的通用思想方法，要求学生能够分析平抛运动，体会其中蕴含的化繁为简的物理思想。能够理论联系实际分析日常生活中的抛体运动，培养学生的理解能力、模型建构能力和推理论证能力。其学业质量水平应达到水平4的要求［6］。

1.2    读教材，析策略

平抛运动是高中阶段研究的一种典型曲线运动。学生第一次利用所学知识来处理曲线运动，是对运动的合成与分解方法的深化和理解，因此本节内容应进一步巩固前面所学的知识。同时，本节课在教材中起到了承上启下的作用。用运动的合成与分解的方法分析平抛运动是本节的教学重点，而如何判定合速度的方向是教学难点，同时也是教学的重点。对于合速度的方向与位移的方向这两者的差异，学生很容易混淆，在教学时可以通过图像比较加以突破。本节课的教学过程围绕“阅读—对话”“思考—交流”“表达—成长”三个主要环节铺开，着重围绕“平抛运动是怎样的运动？”“该运动如何分解？”“该运动的s-t和v-t关系如何？”三个问题展开教学。通过创设问题情境，以“导学、解惑、思维、展示、归纳、训练”的步骤引导学生深度学习，把关键能力的培养贯穿于整个教学过程之中。

2    教学目标分析

本节课围绕平抛运动的概念和规律展开，引导学生基于问题解决完成对物理概念的理解，形成物理观念，在科学探究过程中，探寻物理规律，突破教学重难点。让学生在深度学习、悟物穷理过程中，培养关键能力，培育核心素养。精研课标，细读教材，笔者确立的教学目标如表1所示。

3    教学设计思路

根据以上分析内容，笔者设计了平抛运动教学设计思路，如图1所示。

4    主要教学环节及反思

4.1    问题情境，引入新课

（1）问题引领：日常生活中常见的抛体运动有哪些？（同学们一起举例子）

（2）实践体验：套圈游戏。

（3）问题情境：如何提高套圈的命中率？

（指出这与今天要学的平抛运动知识有关）。

教学反思：

通过日常生活中常见的抛体运动的情境描述，以及套圈游戏的亲身体验，教师引导学生从大量例子中归纳、抽象，把生活概念提升到物理概念。

激发学习兴趣，以问题引导思路，启迪学生思维，为本节课教学埋下伏笔。

4.2    问题引导，读思达成

（1）细读教材：先让学生仔细阅读教材第40页的第一、二自然段，并思考以下问题，初步认识平抛运动。

（2）问题引领：从物理学角度来看，“抛”的含义是什么？为什么教材中只说是“多数情况下，抛出去的物体做曲线运动”？如何给平抛运动下定义？该运动的条件是什么？运动性质是什么？其运动轨迹怎样？

（3）初步认识：学生阅读并完成相应的思考，通过小组讨论得出结论，并初步描绘出平抛运动的运动轨迹图。

（4）展示思维：教师让一个小组代表上台展示，并阐述相应的理由。

（5）建构模型：教师把事先准备好的气球水平抛出，问气球的运动能否看作平抛运动，从而引导学生关注空气阻力的影响，并清楚在什么情况下空气阻力的影响可以忽略，最后得出平抛运动是个理想模型这一结论。教材里直接给出了平抛运动的轨迹是抛物线，提问学生在小组讨论时是否想过找理论支撑。学生回答从“抛”字猜测是抛物线，接着教师引导学生从数学角度证明平抛运动的轨迹是抛物线，为了验证结论，需要获取平抛运动的实际轨迹，因此建立水柱的平抛运动模型，如图2所示。

用手机正对水柱拍照，由此获得平抛运动的实际轨迹。接下来和学生一起取点，并记录在Excel表格中（表2）。借助软件的相关功能，直接得出y和x2的函数关系图像，如图3所示。最后得出结论：平抛运动的轨迹是抛物线。

教学反思：

针对一个理想化概念的教学，需要引导学生从大量例子中归纳、抽象，把生活概念升华到物理概念。教师应充分利用教材资源，细读教材，通过问题引领，类比分析，建立抛体运动的概念，结合特殊化的初速度提炼出平抛运动的概念［8］。培养学生的理解能力和模型建构能力，提升其物理观念素养。

4.3    问题引导，深度学习

4.3.1    任务驱动：回忆、猜想、实验验证

（1）问题引领：分析和解决曲线运动的思想是什么？（让学生回忆分析和解决较为复杂曲线的思想是运动的合成与分解）

（2）类比迁移：让学生回忆力的分解在没有附加条件限制的情况下会有无数种的分解方式，但实际处理时常根据力的实际作用效果确定两个分力的方向，最后遵循平行四边形定则分解力。通过以上回忆，引导学生进行类比：平抛运动在没有附加条件限制的情况下往往有无数种分解方式，而在实际处理时就根据它实际运动效果确定两个分运动的方向，最后遵循平行四边形定则分解相应的运动物理量（如速度、位移、加速度等）。这样，通过类比力的分解方法，学生就可以试着分析平抛运动的实际运动效果，并确定所分解的两个分运动的方向。

（3）模型建构：教师引导学生从实际运动效果的角度来分析平抛运动，确定两个分运动的方向，建立以抛出点为坐标原点，初速度方向为x轴，重力方向（即加速度方向）为y轴的坐标系［9］。让学生在原来示意图的基础上，建立平抛运动分解的坐标系。

（4）猜想假设：如果平抛运动的物体不受重力或仅受重力而没有水平初速度时将分别做什么运动？引导学生初步判定两个分运动的运动性质，得出平抛运动可以被视为水平方向匀速直线运动和竖直方向自由落体运动的合成［9-10］。

（5）合作探究：利用平抛运动演示仪进行实验验证。

教学反思：

学生初次接触曲线运动，对曲线运动不知道如何分析，教师引导学生通过回忆、类比，以问题情境引发猜想假设，再通过演示实验进行验证，能有效进行物理思想方法教育，培养学生科学探究能力。

4.3.2    深度学习，深入认识平抛运动

（1）细读教材：阅读教材第41页倒数第二自然段，思考并完成以下问题。

（2）问题引领：从照片中可以直接看出什么？这说明什么？频闪照相的闪光时间间隔有什么特点？文中“进一步分析表明”，是要如何进一步分析呢？

（3）视频播放：利用手机录像，用暴风影音软件进一步深入验证两个分运动的性质，如图4和图5所示。

教学反思：

教材给出一张频闪照片，教师引导学生对频闪照片进行分析，可以更深入地认识平抛运动的两个分运动的性质。但照片毕竟是静态的，为此教师提前拍了两段视频，通过暴风影音软件一帧一帧地播放，这样让学生可以直观地看到两小球在同一时刻的位置情况，由此更加确定了平抛运动两个分运动的运动性质。教师通过动画模拟将其展示给学生，帮助学生从感性认识上升到理性认识，培养其模型建构能力，提升其物理观念、科学思维等素养。

4.3.3    深度分析，探究平抛运动规律

（1）阅读课本，分析推理：设物体开始从O点做平抛运动，重力加速度为g，初速度为v0，经过时间t 运动到P点，请作出分运动与合运动的示意图（图6），并完成表3。

（2）小组合作探究：归纳得出规律，学生展示，教师适当点评。

教学反思：

平抛运动的规律比较复杂，理解难度大。用运动的合成与分解方法分析平抛运动是本节课的重点。教师用坐标法描绘平抛运动的轨迹进行研究（参考教材P42图2-14），让学生求出它在t 时刻的速度的大小和方向，并求出t 时刻的x、y坐标值，画出t 时刻对应的物体位置，再推导出x、y之间的函数关系式。让学生深刻理解平抛运动规律，进一步领悟运动的合成与分解的方法，培养学生推理论证、模型建构的能力，提升其核心素养。

4.4     问题解决，巩固知识

（1）例题剖析：多媒体展示课本第43页例题，学生解答，教师引导，典型示范。

（2）习得规律：在运用运动的合成与分解的方法解决问题时，应引导学生寻找合理的解决步骤。

（3）拓展应用：如图7所示，距离地面一定高度，有一根水平放置的排污管，正向外满口排出大量污水。环保人员手头仅有一把卷尺，此时如何能大致估测出该管道的排污量？需要测出哪些数据？请写出每秒排污体积的表达式。

教学反思：

解决问题的方法与步骤有很大的关联，好的解决步骤隐含着正确的思维方式。例题逆向考查平抛运动位移的分解，对于初次接触此题的学生可能略有困难，这里需要让学生掌握并独立完成推导过程，以便在解题时有清晰的思路。通过例题分析与解答，帮助学生理解平抛运动位移的合成与分解，再进一步拓展，用生产生活情境引领问题解决，培养学生学习理解、模型建构、推理论证等物理学科关键能力，促进科学态度与责任素养的达成。

5    结束语

总之，基于问题解决的物理课堂教学，应对标中国高考评价体系和课程标准，领悟关键能力的培育要素。教师应有效创设问题情境，引领学生深度学习，发展完善物理观念，整合优化课堂结构，体会物理科学方法，培养学生关键能力，提升学生的核心素养。

参考文献：

［1］程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径［J］.中国考试，2019（12）：38-44.

［2］陈永基.落实物理核心素养 践行高考评价体系——2021年广东省普通高中学业水平选择性考试物理试题评析［J］.理科考试研究，2021，28（15）：34-37.

［3］陈金贵，陈剑峰.基于关键能力培养的“单摆”教学探索［J］.物理教师，2022，43（8）：8-12.

［4］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，2020：15.

［5］窦兴明.基于核心素养的高中物理课堂教学目标的构建——以“研究平抛运动”教学为例［J］.物理教学，2019，41（4）：37-39.

［6］张晋熙.高中力学教学中结合物理学史开展科学方法教育的研究［D］.南充：西华师范大学，2020：36-46.

［7］廖伯琴.基于《普通高中物理课程标准（2017年版）》的修订版高中物理教材解读［J］.福建教育，2020（19）：28-33.

［8］司德平.基于核心素养的“抛体运动”单元教学目标设计［J］.中学物理教学参考，2021，50（13）：43-44.

［9］陈晓虎.利用Tracker软件替代频闪照相技术研究物体的运动——以“平抛运动”实验的教学为例［J］.湖南中学物理，2022，37（7）：62-64，49.

［10］王小涛，王雅娅，张修文.核心素养培养要求下基于实验和多媒体支撑的“平抛运动”教学设计［J］.物理教学探讨，2022，40（6）：31-34，39.

（栏目编辑    李富强）

收稿日期：2022-09-18

基金项目：福建省教育科学“十四五”规划2021年度课题“高考评价体系下物理学科关键能力培养策略研究”（FJJKZX21-042）；莆田市教育科学“十四五”规划2022年度立项课题“基于问题解决的‘三环六步’物理课堂教学实践研究”（PTJYKT22048）。

作者简介：陈金贵（1973-），男，中学高级教师，研究方向为中学物理教学。