原始物理问题的课堂教学实施过程
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作者:曹振邦
摘 要 通过结合实例，以原始物理问题的六个表征层次为依据，探讨在教师主导学生主体的课堂教学模式下如何来开展原始物理问题的实践教学，探寻出提高学生核心素养能力的有效途径。
关键词 原始物理问题 学科核心素养 课堂教学
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.02.053
Abstract Based on the six levels of representation of the original physical problems， this paper discusses how to carry out the practical teaching of the original physical problems under the classroom teaching mode in which the teacher leads the students， and explores the effective ways to improve the students' core literacy ability.
Keywords original physical problems; core quality of discipline; classroom teaching
1 課堂教学过程
由于原始物理问题具有隐蔽性、开放性和趣味性等特点，学生在解决原始物理问题过程中能够充分感受到学习物理带来的乐趣，但由于问题中没有已知的物理量和数据，学生往往不知该从何下手。为了提升学生解决原始物理问题的能力，促进学生物理学科核心素养的发展，教师需要科学设计基于原始物理问题的课堂教学案例，逐渐引导使学生具备解决原始物理问题的表征能力，最终达到能举一反三，独立解决此类问题的目的。 学生在学完人教版必修1“相互作用与运动定律”部分中的牛顿运动定律之后，教师可以在课堂上安排进行原始物理问题教学，具体的教学流程如图1所示。
1.1 生成原始物理问题阶段
在课堂上，首先教师向学生展示男孩推木箱和拉木箱的图片，如图2所示。
在学生观察图片之后，教师紧接着提出下面的问题。
教师：请同学们用文字描述所观察到的图片情景。
学生：左图中的男孩在推木箱，右图中的男孩在拉木箱。
教师：很好，同学们描述的都很准确。那么，哪一幅图中的男孩感到省力，哪一幅图中的男孩感到费力呢？
同学之间开始相互讨论交流，并形成了不同的答案，教师听取同学们的发言后进行汇总。
教师：刚才同学们都给出了各自所在学习小组的讨论结果，总共有三种不同的答案：左图省力，右图费力;左图费力，右图省力;左图与右图所用的力是一样的。在这三种答案中哪一种是正确的呢？我们需要按照下面的步骤和方法逐步找到问题的答案。首先，请同学们用物理学上的语言习惯来对这个问题进行描述。
学生在思考之后给出了各自所在学习小组的问题描述方式，教师选出最佳的问题表达方式并在黑板上进行板书。这个问题应该表述成这样的形式：生活中，我们经常见到推木箱和拉木箱的情况，根据自己所学的知识判断一下是推木箱省力还是拉木箱省力，并解释出具体原因。教师告诉学生这个问题就属于原始物理问题。至此，第一阶段的课堂实践教学已经完成，学生亲身经历了从问题情境出发到生成原始物理问题的整个课堂教学过程，印象也更加深刻。
设计意图：在教师的逐渐引导下，学生切身体验生成原始物理问题的过程，学会用物理学上的语言文字来描述生活中场景的方法。
1.2 演化成物理习题阶段
在解决原始物理问题的过程中，需要用到自组织表征理论。该理论包含的六个层次是原始物理问题解决中依次出现且不可逾越的过程。教师根据自组织表征理论中抽象表征、赋值表征和图像表征的特点来设计这个阶段的课堂教学活动。
教师：在前面的课程中，同学们已经学过了对物体进行受力分析的方法。那么，如何对这个木箱进行受力分析呢？请同学们画出这个木箱的受力分析示意图。
学生开始思考并尝试画出木箱的受力分析示意图。经各学习小组讨论后，教师收集各组的最终结果，并及时做出相应的反馈和评价。最后，教师进行木箱受力分析示意图的演示教学，引导学生掌握正确画木箱受力分析示意图的方法。
教师：刚才同学们画的木箱受力分析示意图中有人将木箱画成长方形或长方体，这个做法是非常正确的。在画木箱受力分析示意图之前，需要先将木箱抽象成长方形。
学生意识到将木箱抽象成长方形是正确画出受力分析示意图的前提，并进一步明确思维发展的方向。
教师：请同学们正确说出木箱受到哪些力的作用。
学生：左图中的木箱受到重力，平面支持力，摩擦力和推力;右图中的木箱受到重力，平面支持力，摩擦力和拉力。
教师：很好。这些力都可以用相应的符号来表示。
学生：重力用G，平面支持力用N，摩擦力用f，推力和拉力用F。
教师：非常正确。另外，还需要知道推力或拉力与水平方向之间的夹角 和木箱与地面之间的摩擦系数 。
教师：结合受力分析，并将设置的各个物理量引入到之前的原始物理问题中，就可以得到熟悉的物理习题了。已知水平地面上放置了一个木箱，左图中木箱受到重力G，平面支持力N，摩擦力f和推力F;右图中的木箱受到重力G，平面支持力N，摩擦力f和拉力F。推力和拉力与水平方向的夹角都为 ，木箱与水平地面之间的摩擦系数均为 。请根据所学的知识判断一下，是推物体省力，还是拉物体省力？并解释具体原因。这道题就是同学们平常遇到的物理习题，通过抽象、赋值和画图这些方法就可以实现将原始物理问题转化为物理习题的目的了。 设计意图：借助于这个阶段的教学过程，学生掌握从原始物理问题开始演化生成物理习题的步骤和方法，逐渐具备抽象表征能力、赋值表征能力和图像表征能力，同时抽象思维、形象思维和假设思维等科学思维能力得到进一步加强。
1.3 计算出结果与评价阶段
在这个阶段的教学过程中，教师需要继续引导学生通过方法表征、物理表征和数学表征去获得最终的结果。最后，教师总结出适合于学生的原始物理问题解决方案，并留置原始物理问题作为学生的课后作业，已达到巩固提升的目的。
教师：黑板上的这道题就是一道物理习题，请同学们利用正交分解的方法，以水平方向和竖直方向为坐标轴，画出左图和右图中力的分解示意图。
学生在先前受力分析示意图上进行力的合成与分解操作，教师要针对各学习小组的完成情况及时给出相应的反馈和评价。
教师：应该用哪些知识来判断是推物体省力还是拉物体省力呢？
学生：需要用到牛顿第二定律。
教师：非常正确，需分别对左图和右图中的木箱使用牛顿第二定律。根据这个思路，下面请三个同学在黑板上进行板书，写出详细的数学推导过程。
学生完成解题过程后，教师进行评价，对学生遇到的共同性问题给予重点讲解，还要特别强调在相同的力的作用下，物体的加速度越大运动状态就越容易改变。最后，教师在黑板上书写完整的推导过程，帮助学生形成正确的推理思维。具体的数学推导过程如下：
当F为推力时，将推力F正交分解，竖直方向上的合力为零，即（），水平方向上的合力不为零。根据牛顿第二定律，可知物体在水平方向上的加速度大小为
当为拉力时，将拉力正交分解，坚直方向上的合力为零，即），水平方向上的合力不为零。根据牛顿第二定律，可知物体在水平方向上的加速度大小为
由于，考虑到加速度是表示物体运动速度改变快慢的物理量，加速度越大的物体越容易改变其运动状态，所以用相同的力拉木箱比用相同的力推木箱要省力一些。
设计意图：学生已经习惯于原有的思维方式解答物理习题，而并非严格按照原始物理问题表征设置层次去分析问题，只有演算和推导的训练很难全面提升学生的思维品质。通过教师引导学生经历方法表征、物理表征和数学表征等思维训练過程，可加深学生对原始物理问题的认识，增强学生的自我效能感，促进学生物理问题表征能力与科学思维能力的协同发展。
课堂案例教学的最后阶段，教师需要总结出基于学生认知规律的原始物理问题解决方法，流程为：文字描述现象→问题抽象→绘制图像→自行设置物理量→选取正确的方法分析问题→合理选择物理公式→数学演算和推导。接下来，教师还需要强调流程图中“自行设置物理量”的重要性，学生进一步明确原始物理问题中没有直接的已知量和数据的特征，帮助学生成功辨别出原始物理问题和习题。为了巩固和提升课堂教学内容，教师还需另外布置原始物理问题作为学生的课外作业。
2 结语
高中物理课程应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展。原始物理问题教学是培养学生物理学科核心素养的有效途径。教师应当以学生为主体，充分发挥课堂主导作用，将原始物理问题的理论体系应用于具体的实践教学中，探索出适合开展原始物理问题教学的有效路径，帮助学生构建表征思维能力，达到提升学生解决原始物理问题能力的目的。教师还需要注意课堂评价体系的建设，不断加强课程资源的开发，积极探索开发与利用数字媒体课程资源，全方位多渠道开展原始物理问题教学，从而在更大程度上促进学生物理学科核心素养的发展。
参考文献
[1] 付兴锋.运用原始问题促进中学生物理思维品质发展的研究[D].首都师范大学，2007.
[2] 邢红军.自组织表征理论：一种物理问题解决的新理论[J].课程.教材.教法，2009.29（04）：60-64.
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