高中“云物理”课堂教学之科学思维的价值体现
——例谈“阅·悟·炼·品”的习题课堂教学

季志锋

（江苏省西亭高级中学，江苏 南通 226301）

课程改革、课堂教学改革和高考改革是基础教育改革的3个方面.国家先后在这些方面进行了系列改革.继2017年《普通高中物理课程标准》出版后，2019年4月23日江苏省公布了《江苏省深化普通高校考试招生制度综合改革实施方案》，即江苏新高考方案正式进入实施阶段.作为学校教育教学实践者，随之而来的就是要跟上新课程改革和新高考改革的步伐实现课堂教学的改革.物理课堂教学在落实“立德树人”的根本上，体现物理学科本质，培养学生物理学科核心素养，［1］同时以《中国高考评价体系说明》为依据，落实“一核”“四层”“四翼”，将物理课堂教学从“知识立意”“能力立意”向“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”转变.［2］笔者近些年先后进行了“基于创新学力培养的高中物理‘云实验’教学”和“高中物理‘云课堂’教学”实践，从学生“志趣能”匹配协调发展的角度进行了多维度的实践，学生的兴趣的确得到增强、物理学科素养得到提升、物理学科思维得到发展，但每次新接班级后都会感到彷徨失措、焦虑不安，为学生遇见题干文字较多的习题不知所措而焦虑，为学生不能准确建立物理情境、正确选择物理规律分析解决问题而难过.本文以“阅·悟·炼·品”的习题课堂教学为例，摭谈高中“云物理”课堂教学之科学思维的价值体现，以期共鸣.

1 “阅·悟·炼·品”的习题课堂教学

1.1 阅题见情境

阅题，首先是通过读题清晰地呈现题目所描述的物理情境，进而厘清物理情境中各物理量之间的关系及隐含的物理规律.如何能快速准确阅题，建构物理情境是关键.学生可以通过转换角色，置身题中，或作为旁观者观察题中所描述的现象，或作为操作者去领悟题中所描述的现象，或作为实验者根据题中的描述深入其境，模拟实验并观察实验现象.如在高三一轮复习动量定理时，有这样一道题.

例1.一宇宙飞船以v=1.0×104m/s的速度进入密度为ρ=2.0×10-7kg/m3的微陨石流中，如果飞船在垂直于运动方向上的最大截面积S=5m2，且认为微陨石与飞船碰撞后都附着在飞船上.为使飞船的速度保持不变，飞船的牵引力应增加多大？

题干不长，虽是高三学生，但全班近80%的学生看不懂题目，不知所云.笔者指导学生思考：如果你是观察者，当飞船飞进微陨石流中，看到飞船与微陨石发生了什么现象？如果你是飞船驾驶者，当飞船飞进微陨石流中，看到飞船与微陨石发生了什么现象？如果你是实验者，拿着飞船模型进入布满微小颗粒的空间，观察到飞船与颗粒发生了什么现象？或是用手作飞船，掌心作为飞船前进方向的横截面，空中吊着静止的皮球作为微陨石，掌心击球，看到和感觉到什么现象？

学生依据题干表述，通过身临其境的体验，对建立物理情境也就水到渠成，进而隐含的物理规律也就会逐步明朗化，即飞船与微陨石发生碰撞，微陨石的速度从0增加到与飞船相同的速度，飞船在与微陨石的碰撞中受到撞击力，要维持其速度不变，则需要施加额外的作用力与撞击力平衡.

1.2 悟题建模型

情境是高考评价体系中的考查载体，如何运用所学的物理知识分析解决题中的物理情境，就需要充分领悟题中物理情境所隐含的物理规律，厘清各物理量之间的关系，然后转换为所学的物理模型，用所学的物理知识进行分析.

例2.小船横渡一条两岸平行的河流，船在静水中的速度大小不变，船头始终垂直指向河的对岸，水流速度方向保持与河岸平行，若小船的运动轨迹如图1所示，则

图1

（A）越接近河岸水流速度越大.

（B）越接近河岸水流速度越小.

（C）小船渡河的时间会受水流速度变化的影响.

（D）小船渡河的时间不会受水流速度变化的影响.

班级中90%以上的学生能够选出正确的选项（B）、（D），若追问为什么越接近河岸时水速越小，能清晰作答的学生寥寥无几.在学生知晓船头始终垂直河岸行驶，即船沿垂直河岸方向上的速度不变的知识储备下，引导学生利用所学物理知识建构熟悉的物理模型进行分析.

模型1：速度矢量图.曲线运动的瞬时速度方向沿曲线上该点的切线方向，因船在垂直河岸方向上的分速度不变，合速度与河岸的夹角越小，沿河岸方向的速度越大，水流速度越大，如图2所示.

图2 速度矢量图

模型2：曲线运动的性质.曲线运动的条件是物体的速度与所受到的力不共线，合力一定指向轨迹弯曲的内侧.因船在垂直河岸方向上的速度不变，该方向所受合力为0，小船所受的合力必定沿平行河岸方向指向轨迹弯曲的内侧，如图3所示，即小船渡河时在沿河岸方向上先加速后减速.

图3 受力示意图

模型3：速度的定义.速度v=Δx/Δt，因船在垂直河岸方向上的分速度不变，如取相等的Δy，则运动时间相等，对应沿河岸方向运动的时间也相等，在相等的时间内，Δx越大，沿河岸的速度也越大，如图4所示.

图4

1.3 炼题拓思维

炼题就是在指导学生解题时，不只局限于结果，而是通过多次引导和启迪，点燃学生思维的火花，通过多种方法的比照逐渐展开，尽可能拓展学生的思维，让学生的思维横向有宽度，纵向有深度.

例3.（2018年江苏高考卷第4题）从地面竖直向上抛出一只小球，小球运动一段时间后落回地面.忽略空气阻力，该过程中小球的动能Ek与时间t的关系图像（如图5所示）是

图5

这是一道图像的习题，解决图像类问题，首先是理解图像所反映的物理量之间的关系，一般可以利用图像的点、截距、斜率、面积来分析问题.本题考查的是用图像来表述物理量之间的规律.绝大多数学生能够想到尝试去写出动能随时间变化的表达式：竖直上抛ts末的速度v=v0-gt，动能能够自主完成相关推导，并发现动能随时间的变化规律的图像为开口向上的抛物线，选项（A）正确.

这时候教师追问，还有其他的判断办法吗？学生立即陷入沉思，教师可以提示从图像斜率的角度进行思考.在t时刻后，取Δt→0，图像的斜率可表示为

1.4 品题生质疑

教师命题需要磨题，学生做题时我们就要教会学生去品题.品题目情境是否科学合理，品题中已知条件是否多余，品题目设问是否综合、是否可以变化，品题目设计是否完美，品自我解答是否科学准确.

例4.如图6所示，光滑的竖直杆上套有一滑块A，A通过轻绳绕过光滑滑轮连接物块B，B又通过一劲度系数为k的轻质弹簧连接物块C，C静止在地面上.开始用手托住A，使绳子刚好处于水平位置伸直但无张力.现将A由静止释放，当速度达到最大时，C刚好要离开地面，试分析此时B是否处在平衡位置，速度也是最大.

图6

很多教师都认为A处于平衡位置时，B也处在平衡位置，其错误的原因是在轻绳链接的模型中，认为轻绳中各处的张力相等、沿绳方向的速度相等即加速度也相等.在课堂上有一位物理基础较好的学生提出质疑，他认为物块A虽然在沿杆向下运动，轨迹是直线，但又好像在绕滑轮转动，如果考虑圆周运动的话，A的速度最大时，A的加速度不为0，所以他猜B的加速度不为0，不在平衡位置，但不会推导.学生的回答让教师甚是惊喜，学生通过品嚼题中的物理情境，提出自己的观点，难能可贵！这不就是教育者所追求的学生学的课堂、培养学生质疑精神的课堂？

当A沿杆向下运动到某个位置，如图7所示，设此时轻绳与水平初始位置夹角为θ，A的沿杆方向的速度为vA，B的速度为vB，则有即B的加速度等于A沿杆向下运动的加速度沿绳方向的分加速度与A绕滑轮转动的向心加速度之和.A沿杆方向运动的加速度为0时，B的加速度不为0.其实，A沿杆向下运动，速度最大时，沿杆方向运动的加速度为0，合加速度不为0.

图7

2 “云物理”课堂教学之科学思维的价值体现

2.1 “云物理”课堂教学概念界定

高中“云物理”课堂教学是整合体感真实的物理实验、应用交互多媒体技术和丰富的网络资源，建设基于学生内驱的学习环境，开展立足学生志、趣、能匹配协调发展的、满足学生自需的、增强学生创新能力发展的一种多元化教学实践活动.［3］

高中“云物理”课堂教学利用其物感的教学情境，立足学生视角，由外而内的触碰学生心底，激发学生思维，促使学生从物理学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系进行自我认识；经过经验事实的抽象概括建构物理模型；在科学领域运用分析综合、推理论证；基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和评判，进行验证和修正，形成提出创造性讲解的能力和品格.［1］这也正是高中“云物理”课堂教学实践之科学思维培养的价值体现.

2.2 “云物理”课堂教学实践之学科思维培养

（1）以境生思.

上述例1通过“阅题见情境”，学生的审题能力、建模能力可以得到一定的培养，但如果就到此讲评结束，也只是就题论题，学生的思维并没有得到很好的锻炼和发展.对大多数的学生来说，教师的引导能帮助建立物理情境，想到对应的物理知识，但他们的学习可以说仍停留在“舒适区”，没有真正进入“学习区”.笔者在讲解例1后给学生引入了中国关于水的哲学文化，如“仁者乐山，智者乐水”“上善若水”“天下之至柔，驰骋天下之至坚”，水为什么能“至柔至刚”，现场上网百度了水切割机照片及产品介绍，请学生们设计情境，探究水冲击到物体表面给物体施加的压强.学生在小组讨论后通过建立水的柱体模型，假设撞击到物体表面速度降为0，推导出水对物体表面的压强p=ρv2.如果水以10m/s的速度冲击物体表面，就能产生近一个大气压的压强，学生理解了水的“至柔至刚”.接下来又给出自动售米的情境，如图8所示，若购买2kg大米，当台秤示数为2kg时即关闭出口处，大米停止流出.买方认为：米下落到装米容器时有速度，形成的冲击力大于着落米的重力，买的米少于2kg；卖方认为：在台秤示数为2kg时，出口处至装米容器的空间还滞留一些不在装米容器内的米，卖出的米多于2kg.让学生利用所学的知识完成一次辩论.

图8 自动售米示意图

课堂上学生始终围绕着物理情境进行思考，应用着知识分析解决实际问题.知识本来就离不开情境，“云物理”课堂教学实践就是通过创设激发学生内驱的学习情境，让学生在生活、生产过程中体会知识的存在，让学生应用知识分析生活、生产过程的一些现象，让学生回归到知识产生的本源.

（2）以悟促思.

悟题就是在阅题明晰物理情境的基础之上，抽象概括为已学已知物理模型的过程.内化行动是学习必经阶段，其唯一重要的事在于引发个体的深层兴趣，把他推向根本性问题，而不是满足于维持一种只在活动期占据其思维的浅层兴趣.［4］“云物理”课堂教学实践就是创设一种学习环境，学生根据自己的兴趣爱好、学力基础自主选择适合自己学习方式的一种教学实践.

例5.如图9所示，一倾斜的匀质圆盘绕过圆心垂直于盘面的固定轴以恒定角速度ω转动，盘面上离转轴距离2.5m处有一小物体与圆盘始终保持相对静止.已知物体与盘面间的动摩擦因数为（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力），盘面与水平面的夹角为θ=30°，g取10m/s2.则ω的最大值是多少？

图9

本题运动情境学生较容易建立，就是物体在一个倾斜的圆盘上随圆盘一起匀速转动，要使物体相对圆盘不滑动求ω的最大值.物体在哪个位置容易滑动呢？刚要滑动的临界状态是怎样的？这些恰恰是触及根本问题的深层次思考.学生在经过讨论后明晰了物体的受力，是由静摩擦力和重力沿圆盘向下的分力的合力提供物体做圆周运动的向心力.多数学生联想到竖直平面内细线拉着小球做圆周运动的模型，即小球在最低点时细线中的拉力最大.类比到本题，即物体转到盘面最低点时静摩擦力最大，此时物体相对圆盘不滑动，其他位置相对圆盘一定不滑动，临界状态是物体转到盘面最低点时静摩擦力达到最大值，此时对应圆盘转动的角速度最大.既然知道物体运动时的受力，能不能从力的角度寻找到解决的方法？引导学生从力与运动揭示本质规律，再次将学生引入更深层次的思考.物体在圆盘平面内受到重力沿斜面的分力mgsinθ和静摩擦力，这两个力的合力提供向心力，向心力的大小不变，利用图示法可以找到摩擦力的极值，如图10所示.另一种思维可以根据静摩擦力的效果，利用分解法，静摩擦力的一个分力平衡mgsinθ，大小不变、方向沿斜面向上，另一个分力提供向心力，大小不变、方向始终指向转轴，两个分力的夹角在0到π之间变化，当两个分力夹角为0度时，合力（静摩擦力）最大，当两个分力夹角π时，合力（静摩擦力）最小.学生在教师的启迪下，逐步地揭开力与运动的本质，开展深层次的思维.

图10

（3）以炼增思.

学习，从某种意义上讲就是一种炼制活动，知识从来不是个体一下子就能直接获得的，更不可能是别人给予的，学习者只有在为学习制造出一层意义时才能占有知识.哲学家苏格拉底时常用“认识你自己”去教育弟子.其实，人的一生，说到底，就是不断认识自己、了解自己的过程.这就是学习的自省、学习行为的内在驱动，当元认知活动不能自动或内隐地完成时，学习者就无法学习.［4］“云物理”课堂教学实践就是创设一种学习的情境，让学生通过自我整理、自我比较、自我总结、满足自我内需的自主炼学的教学实践活动.

自主炼学，可以通过一题多解或多题归一进行自我训练.一题多解是对同一物理情境进行炼制，选择不同物理规律或方法进行解题的过程（如例2、例3、例5）.学生根据自己的学力基础选择适合自己理解能力的解题思路，通过小组交流，相互取长补短锤炼自己思维，拓展思维宽度.多题归一是对不同的物理情境进行深度研判、甄别，选择同一物理规律或方法解题的过程.学生需要将自己所学的知识进行融合、前后贯通、综合运用，将思维向纵深发展，拓展思维的深度.这样的思维培养方式符合人类认识事物的思维方式，人类思维主要就体现为炼制适合于情境的表征和预测可能出现的变化这两种能力.［4］

例如在复习动量、能量结合的知识板块时，两个物体加弹簧是常见的模型，应用的规律是动量守恒和机械能守恒，即系统减小（增加）的动能等于弹簧增加（减小）的弹性势能.这种解题的思路可以拓展到带坡度的光滑小车和滑块模型，即系统减小（增加）的动能等于增加（减小）的重力势能；可以拓展到木块在木板上滑动的板块模型，即系统减小的动能等于摩擦生热；可以拓展到电磁感应中两根导体棒在双轨上滑动的双轨模型，即导体棒减小的动能等于系统产生的电热；还可以拓展到氢原子模型，即两个氢原子碰撞，系统减小的动能等于氢原子跃迁的能极差.

（4）以疑辩思.

当学生现有的经验和知识不能解决新情境问题时，一定会激发学生内在渴望解决问题的内驱力，也能唤醒学生学习新知识的兴趣，更能塑造出解决问题后的成就感.学习的过程其实就是将一个个疑点廓清的过程，凭借旧有经验、旧有知识与技能业已形成的思考方式与活动方式并不能解决的问题情境、困难、障碍，乃是使学生致力于解决新课题、从事新学习的条件.［5］高中“云物理”课堂教学实践就是创设系列学习情境，让学生利用已有的知识、技能和方法进行甄别，由境生疑，历经思考释疑，提升成就感，不断的将新知识、新技能、新方法融合到已有经验的实践过程.在例4学生释疑后，呈现以下例题.

例6.（2005年全国卷Ⅰ第24题）如图11，质量为m1的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体B相连，弹簧的劲度系数为k，A、B都处于静止状态.一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端连物体A，另一端连一轻挂钩.开始时各段绳都处于伸直状态，A上方的一段绳沿竖直方向.现在挂钩上挂一质量为m3的物体C并从静止状态释放，已知它恰好能使B离开地面但不继续上升.若将C换成另一个质量为（m1+m3）的物体D，仍从上述初始位置由静止状态释放，则这次B刚离地时D的速度的大小是多少？已知重力加速度为g.

图11

教师设疑：两道题目的物理情境有什么区别？考查的知识层面有什么不同？如果本题物体C的速度达到最大，那么物体A的速度是否也最大？高考题这样设计可以规避什么问题而突出考查什么知识？例4中是否也可以考查求解速度，如何设置情境？学生可以通过对两题物理情境、考查内容的甄别，丰富自己的思维，进而由图创设新题.学生的兴趣在思辨中得到激发，思维在思辨中得到发展，成就感在思辨中得到丰满.［6］

3 结语

高中“云物理”课堂教学实践注重物化的物理情境建设，结合学生的直接生活经验与具体的直观事实，活泼生动地发展认识与思考力，遵循教学依托情境的原则.高中“云物理”课堂教学实践在引导并组织学生活动时注重将学生已有的知识、原有经验和研究方法与新知识不断结合，激励学生借助原有的经验、原理和方法去探索新物理情境中的问题，不断地将“新知识”纳入到“旧知识”体系、扩充“舒适区”，遵循教与学统一的原则.高中“云物理”课堂教学实践注重教学内容的整合化、组织化和系统化，使学生的思维横向得以拓宽，纵向得以延伸，遵循立足学科素养、突出科学思维培养的原则.

总之，一切教育现象、教育过程得以形成的最高基准点就是目标.［5］教育的根本必须遵从人的根本本性，高中“云物理”教学实践通过物化的教学情境，建构立足学生视角，化知识为能力，化识记为应用，化学习为品格，立足学科素养的提升，培养科学思维，渗透新时代精神，回归教育本源的人性关怀的教育教学实践.