基于真实情境聚焦物理观念形成的教学新探

张玲　刘梦茹　黎斌

【摘要】本文以教学“匀变速直线运动的位移与时间的关系”为例，论述基于真实情境开展高中物理教学，从而帮助学生形成物理观念的教学方法：研读物理课程标准中有关情境、学科核心素养以及本节教学内容的论述，反思传统教学中存在的误区，通过访谈等方式了解学情，确定本课内容在高中阶段物理学习的地位，创设动车运行、飞机起飞等真实的情境开展教学，让学生掌握解决问题的有效方法。

【关键词】物理观念 真实情境 高中物理

核心素养

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）17-0067-04

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，高中物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等四个方面，其中物理观念是从物理学视角形成的对物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理视角解释自然现象和解决实际问题的基础。物理不是一门仅依靠死记公式和结论就能学好的学科。在《课程标准》的指导下，结合物理观念在物理学科核心素养中的地位，在课堂中聚焦物理观念以实现核心素养的培养成为教师教学的第一要义。

与此同时，《课程标准》还指出：运用物理知识解决实际问题能力的高低，往往取决于学生将情境与知识联系起来的水平高低。例如，能否把情境中的一段经历转化为一个物理探究过程，能否把情境中的故事情节转化为某种物理现象，能否把描述情境的文字转化为物理表述，能否把情境中需要完成的工作转化为相应的物理问题。我们常说某个问题很“活”，其“活”的本质之一在于情境的转化。能不能把问题中的情境转化成解决问题的物理情境，建立相应的物理模型，这是运用物理观念思考问题、运用物理知识分析解决问题的关键。在物理教学中，应当让学生获得在实际情境中解决物理问题的大量经验，形成把情境与知识联系起来的意识和能力。

本文以教学“匀变速直线运动的位移与时间的关系”为例，探讨基于真实情境的以形成物理观念为目标的高中物理教学途径。

一、教学思路分析

“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第一册第二章第3节的内容，按照传统的物理教学，本课的主要教学思路为依次研究匀速直线运动的位移、匀变速直线运动的位移以及变速直线运动的位移；引导学生从匀速直线运动的v-t图像入手，从匀变速直线运动的图像面积意义入手，教学生用无限细分的方式搭建桥梁，求解出面积，明白面积的数值即为该过程物体位移的大小。这样的设计让学生被动地接受知识，学生只能记住最终的规律和公式，甚至可能连规律和公式都记不牢固。很多学生可能并不明白无限细分的意义。

笔者通过这样的方式授课后访谈学生，收到部分反馈：虽然学习了一些概念和规律，也记住了公式，但真正需要运用这些知识解决问题时却又找不到方向甚至犯怵。学生在课堂上貌似听懂了，课后遇到问题又不懂从何入手，特别是遇到多对象多场景问题时，概念规律混淆、公式表达混乱、能力欠缺的情况尤为突出。物理学习总是让部分学生生畏甚至产生挫败感。虽然这样的学生占比不高，但也深深刺痛了笔者。

笔者结合核心素养培养需求认真思考，认为课程目的是让学生掌握解决问题的有效路径，在收获知识的同时拥有解决新问题的能力。教师有必要基于以上目标重新设计教学。

二、教材分析与学情分析

“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第一册第二章第3节的内容，其编排位置和内容在新老教材中没有变化。前面学生已经学习了匀变速直线运动中速度与时间的关系，这为本节课推导位移与时间的关系奠定了基础，同时本节课也是推导位移与速度公式的前提，它在本章的学习中起着承上启下的作用。

《课程标准》中要求能利用公式法、图像法理解匀变速直线运动的规律，能运用x-t关系式和v-t图像解决实际问题，体会科学思维中的抽象方法和用于解决物理问题的极限思想。本节内容以做匀速直线运动的物体的v-t图像与坐标轴围成的面积vt等于时间t内的位移x提出问题，通过类比得出做匀变速直线运动的物体其位移也等于v-t图像与坐标轴围成的梯形的面积，由此得出位移与时间的关系式；并通过讲解典型例题，分析解决匀变速直线运动问题，特别是在加速、减速的不同运动形式中各个矢量的正、负号的正确使用。

学生在初中阶段已经学过匀速直线运动的路程与时间的关系，并在高中物理第一章中学习了位移的概念，掌握了匀速直线运动的v-t图像的特点，理解了匀速直线运动的位移与时间的关系x=vt，这些都是学生学习本节内容的理论基础。但目前学生仍处于初高中学习适应阶段，还不能熟练地利用图像描述和研究物体运动，虽然在定义瞬时速度时初步体会到科学方法——微元法，但是还没有建立化曲为直的思想，逻辑推理能力不强，这些都是学生学习本节内容的阻碍。

三、教学目标设计

物理观念：能用公式、图像等研究匀变速直线运动，能用匀变速直线运动的规律解释生活中的一些现象，具有与直线运动相关的初步的运动观念。

科学思维：能在特定情境中运用匀变速直线运动模型解决问题；通过动手参与剪纸，体会、思考由曲变折再变平的过程，观察、分析、思考v-t图像，接受一种新的研究物理问题的科学方法——微元法。

科学探究：用科学研究中的极限方法分析物理问题，通过推理获得结论。

科学态度与责任：经历微元法推导位移公式，增强动手能力，加深物理情感，提高运用数学研究物理问题的能力，體会变与不变的辩证关系；通过观察生活中的匀变速直线运动，感受物理来源于生活的思想；通过师生合作探究，提高合作能力与交流能力。

四、教学重难点分析

教学重点：匀变速直线运动的x-t公式的实际应用。

教学难点：利用微分思想分析归纳，从v-t图像推导匀变速直线运动的位移公式。

五、教学流程

基于以上分析，笔者绘制了基于真实情境聚焦物理观念的“匀变速直线运动的位移与时间的关系”教学流程图（如图1所示）。教学明线为通过探究小车的运动，理解并掌握匀变速直线运动位移与时间的关系；暗线为让学生掌握解决真实情境中的问题的一般路径，渗透核心素养。

六、教学活动设计

活动一：设置真实情境，激发学生兴趣

情境设置：问题应该从情境中来，而不是生硬地出现。本课引入环节的情境主题是定时发车、定点到达的动车。运输网中有千千万万的动车，它们能够定时发车、定点到达，是一件非常厉害的事情。笔者结合南宁市第二中学科技节“遥控车”的项目，设置了“定时发车、定点到达”的比赛，课堂现场邀请学生参赛。学生需在情境中思考如何控制遥控车以赢得比赛。

【设计意图】利用动车创设情境，激发学生的学习兴趣，竞争的形式能够激发学生的探究兴趣，同时向学生渗透职业生涯规划。

活动二：控制小车定时到达指定位置，提取物理问题，讨论研究方案

任务1：如何让小车在规定时间到达指定位置？

学生体验操纵遥控车并分享感受。学生在参与过程中提出“不懂什么时候加速、什么时候减速合适”“想提前让车停好却控制不了”等一系列问题。问题的提出激发了学生的求知欲。

教师总结：存在“不懂什么时候加速、什么时候减速合适”“想提前让车停好却控制不了”等问题，说明需要关注小车运动的速度和时间的关系；为让小车定点到达，还需要关注小车运动过程中的位移和时间的关系。教师进而提出物理问题：如何让小车在规定时间到达指定位置？

任务2：怎样研究小车位移随时间变化的规律？

教师设计问题链：要定时、定点停车，需要关注小车运动的什么信息？使用什么方法可以方便研究小车的运动情况？

学生活动：学生结合参与操作的体验，能够得出两种方案。方案一，利用x-t图像进行研究；方案二，利用v-t图像进行研究。

任务3：确定研究的方向。

教师引导学生对比分析两种研究方案，得出：利用x-t图像可以直观地关注到不同时刻小车相对于出发点的位移情况，能判断出小车的速度是增加了还是减小了，但没有办法判断出小车在不同时刻做什么样的加速运动或者减速运动，不利于直观判断速度变化情况。而利用v-t图像进行研究，能够直观地看出小车速度随时间变化的情况，同时也可以通过图像的斜率判断小车加速度的情况。

学生进而确定研究方向：用v-t图像研究小车的位移与时间的关系。

活动三：求解变速直线运动的位移

任务1：如何根据v-t图像求位移？

教师设置问题链：如何研究物体的运动？如何记录研究对象的运动？如何进行数据采集？如何进行数据分析？

学生活动：通过回答问题链，根据教师课前采集的数据，作出v-t图像。

教师设置问题：能否利用v-t图像找到小车位移与时间的关系？图像的什么信息可能和位移有关联？

学生猜测：面积。猜测依据为匀速直线运动的v-t图像与坐标轴围出的面积确实表示该段时间内物体位移的大小。

任务2：匀速直线运动v-t图像与小车的v-t图像有什么关联？

教师设置问题：变速直线运动与直线运动之间有什么联系？变速直线运动的位移大小是否也对应v-t图像中一定的面积？

师生共同寻找解决方法：若也可以用面积来表示小车位移的大小，则匀速直线运动v-t图像与小车的v-t图像有什么关联？如何用直线拼成这个曲线？接着，学生通过剪纸体会。

【设计意图】使学生能用图像表示做直线运动物体的位移，理解匀速直线运动的位移与时间的关系，并从简单的情境中得出根据v-t图像求位移的方法，培养学生物理观念的同时为研究匀变速直线运动的位移与时间的关系铺垫。

任务3：如何用直线拼成这个曲线？如何一刀剪出小车的v-t图？

教师活动：提出活动要求。剪刀只能张合一次，不能推着剪刀走，剪纸过程不能转动纸片或剪刀，纸可以折叠。

学生活动：动手做一做，一刀剪出小车的v-t图。

学生在体验活动中采用了很多不同的处理方法，有违反规则的，也有剪出相似形状的。为更直观地对比效果，笔者特意准备了一块四分之一圆形的木板，让学生展示剪裁的过程，然后比对。有学生道出了“奥秘”：多次折叠，然后一刀剪下即可。将剪裁出来的纸片和木板比对，似乎能够重合，但放大观察，就会发现纸片的边界是由很多段短线段组成的。教师引导学生思考：这是不是就能够说明图形的面积可以代表物体的位移大小了呢？结合上一节学过的知识可以判断这是匀变速直线运动的图样，而不是匀速直线运动的。但结合由曲到直的基础，学生很容易联想到可以将纸片对折再剪，对折越多，剪出来的图样越接近匀速直线运动。

【设计意图】邀请学生完成“一刀剪出曲线”的任务，目的是通过具体操作将抽象思维具象化，从而使其更容易被学生理解与接受，引导学生运用类比思想分析复杂问题。引入分割法与逼近法，让学生体会变与不变的辩证关系，重在让学生体验微元的思想。学生在解答层层递进的问题的过程中更深刻地体验抽象的方法，学以致用。

活动四：求匀变速直线运动的位移与时间关系

任务1：用面积法推导出匀变速直线运动的位移与时间的关系。

从一般变速直线运动到匀变速直线运动再到匀速直线运动，从运动认知角度来看是化繁为简的过程，从方法任务上看是微元法的体验学习过程。在完成剪纸环节后，重新确认能否用图像的面积来表示物体位移的大小，學生能够轻松地运用逆向思维由简到繁地进行思考——无数的匀速直线运动组成匀变速直线运动，无数的匀变速直线运动组成变速直线运动，自然可以通过图像面积来表示某段运动位移的大小。再以匀变速直线运动为例，得出匀变速直线运动的位移与时间的关系。

学生活动：通过求解面积求出位移的大小，确认位移与时间的关系式。

任务2：用x-t图像研究物体下落过程，再次强化对准真实运动的研究过程。

为进一步验证规律的正确性，同时提升学生对推导出的结果的认可度，紧扣课程最开始提出的x-t图像研究法，师生确定接下来的研究方向：根据x-t图像研究物体运动过程中的位移与时间的关系。

设计研究方案：研究物体下落过程位移与时间的关系。实验主要是利用位移传感器采集物体下落过程中相对于释放点的位移与时间的信息，利用微元思想及面积求出初速度为0的做匀变速直线运动的物体的位移与时间的关系。利用位移传感器记录做落体运动的物体不同时刻相对初始位置的位移。

学生运用不同的方案研究位移与时间的关系。当选用x-t图像进行研究时，若前面得出的规律是正确的，那么x-t图像应为抛物线。为使研究更加直观，也可以考虑作x-t2图像，则图像应该为直线。借助计算机拟合可以清晰地印证猜测。随着学生数学能力的不断提升，他们将不仅能研究匀速运动和匀变速运动中位移与时间的关系，还可以将所有运动的规律都表示出来。

【设计意图】采用不同方法研究物理问题，不断深化研究问题的主要逻辑线索，使学生逐步掌握研究物理问题的方法，培养学生的科学思维。

活动五：总结提炼核心内容和思想方法

任务1：总结研究真实或准真实运动的一般方法。

教师活动：以小结形式再次呈现研究物理问题的逻辑（如图2所示）。

【设计意图】使学生初步掌握研究物理问题的基本方法，逐步增强用匀变速直线运动的规律解释生活中一些现象的能力，形成具有与直线运动相关的初步的运动观念。

活动六：真实情境下物理规律的应用

课堂练习：请你来设计。结合课本后的练习，让学生运用本节课所学知识设计跑道长。

学生通过情境发现问题，讨论研究方案的合理性，通过实验验证规律的正确性。这一系列的探究活动顺应知识生成的过程，既让学生获得更好的学习体验，又让学生更容易内化知识。在完成实验验证运动规律后，让学生观看战机在中国航母跑道上起飞的视频，简单介绍目前我国在这个领域的成就，渗透爱国主义教育，然后邀请学生当设计师：如果把飞机的助跑过程视为匀变速直线运动，明确起飞的速度，请同学们设计跑道的长度。学生分析情境条件，利用推导出来的规律解决问题。

【设计意图】教师基于真实事件创设情境，引导学生由解决物理题转变为解决物理问题，让学生掌握解决问题的有效路径，形成物理思维，同时在教学中渗透爱国主义教育，发展学生的核心素养。

物理规律是简单而美好的，物理教学不应把简单的东西复杂化。对比不同的教育教学环境，原来的教学目标侧重完成知识教学，而基于真实情境的物理教学，则能够引导学生更多地关注现象背后的物理问题，探寻解决问题的逻辑。

若干年后，物理課堂能在学生记忆中留下什么？“授之以渔”应为教学之重。物理教师应以引导学生研究实际问题为切入点，探索解决实际问题的方向，设计解决问题的方案，以形成物理观念为目标，在此基础上涵养学生学科核心素养，为国家的发展培养优质人才。

参考文献

［1］廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）解读［M］.北京：高等教育出版社，2020.

作者简介：张玲（1986— ），广西宾阳人，一级教师，主要从事中学物理教学研究；黎斌（1986— ），通信作者，广西梧州人，工程师，主要从事教育考试命题研究；刘梦茹（1995— ），山东济宁人，二级教师，主要从事中学物理教学研究。

（责编 刘小瑗）