劉長燦

（廣東番禺中學(xué)，廣東 廣州 511483）

1 情境化問題轉(zhuǎn)化的思維過程

1.1 情境化教學(xué)的現(xiàn)狀

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“課標(biāo)”）指出，應(yīng)用物理知識解決具體問題應(yīng)結(jié)合具體的實(shí)際情境.當(dāng)前研究創(chuàng)設(shè)真實(shí)具體、貼近學(xué)生認(rèn)知水平、符合教學(xué)需要的情境方法、原則等逐漸深入，以情境化試題考查必備知識和關(guān)鍵能力也越來越突顯.［1-3］

誠然，研究如何創(chuàng)設(shè)真實(shí)有效情境對于教師來說具有非常重要的意義，但是僅僅完成情境式教學(xué)的一半工作.對于學(xué)生來說，當(dāng)遇到一個(gè)具體的實(shí)際情境如何轉(zhuǎn)化為物理情境，應(yīng)用物理觀念思考問題、應(yīng)用物理知識分析解決問題同樣重要.《課標(biāo)》同時(shí)指出，運(yùn)用物理知識解決實(shí)際問題能力的高低，往往取決于將情境與知識相關(guān)聯(lián)的水平；能否把實(shí)際情境轉(zhuǎn)化成為解決問題的物理情境并建立相應(yīng)的物理模型，是應(yīng)用物理觀念思考問題、應(yīng)用物理知識分析解決問題的關(guān)鍵.因此，研究將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化成物理情境的思維過程，提高情境與知識相關(guān)聯(lián)的水平，培養(yǎng)實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理情境的能力，對提升學(xué)生解決實(shí)際問題能力、發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)同樣具有重要意義.

1.2 解決情境化問題的思維步驟

解決情境化問題一般經(jīng)歷以下6個(gè)思維步驟.

提取信息：從物理學(xué)角度觀察情境中的現(xiàn)象，揣摩情境中的問題表述，從中提取有效信息、關(guān)鍵信息.

直覺聯(lián)想：通過發(fā)散思維、直覺聯(lián)想將實(shí)際情境中的有效信息對比所學(xué)知識，取得關(guān)聯(lián).

估計(jì)判斷：基于所學(xué)知識對陌生情境問題作出合理估計(jì)和初步判斷.

建構(gòu)模型：抽象概括情境中事物或過程的本質(zhì)特征，建構(gòu)物理模型.

分析解釋：調(diào)用相應(yīng)的物理觀念、知識和規(guī)律對問題情境進(jìn)行描述、分析和解釋，通過推理論證獲得結(jié)論.

質(zhì)疑評價(jià)：在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上形成判斷性評價(jià)，反思建構(gòu)的模型是否合理，獲得的結(jié)論是否正確，驗(yàn)證估計(jì)判斷.

解決情境化問題的思維過程如圖1所示.

圖1 解決情境化問題的思維過程

1.3 真實(shí)情境轉(zhuǎn)化成物理模型的常見形式

物理學(xué)科常常用于分析解決生產(chǎn)實(shí)踐、生活實(shí)際、體育運(yùn)動(dòng)、科技前沿等真實(shí)情境中的問題.研究把情境中的一段經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為一個(gè)物理探究過程；把情境的故事情節(jié)轉(zhuǎn)化為某種物理現(xiàn)象；把描述情境的文字轉(zhuǎn)化為物理表述；把情境中需要完成的工作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理問題等常見形式能充分體現(xiàn)物理學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值，提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力.

2 情境化問題轉(zhuǎn)化實(shí)例

2.1 將經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為探究過程

案例1.一籃球質(zhì)量為m=0.60 kg，一運(yùn)動(dòng)員使其從距地面高度為h1=1.8 m處由靜止自由落下，反彈高度為h2=1.2 m.若使籃球從距地面h3=1.5 m的高度由靜止下落，并在開始下落的同時(shí)向下拍球、球落地后反彈的高度也為1.5 m.假設(shè)運(yùn)動(dòng)員拍球時(shí)對球的作用力為恒力，作用時(shí)間為t=0.20 s；該籃球每次與地面碰撞前后的動(dòng)能的比值不變.重力加速度大小取g=10 m/s2，不計(jì)空氣阻力.求：（1）運(yùn)動(dòng)員拍球過程中對籃球所做的功；（2）運(yùn)動(dòng)員拍球時(shí)對籃球的作用力的大小.

案例分析：本案例的思維過程如表1、表2所示.

表1 案例1（1）思維過程

表2 案例1（2）思維過程

案例反思：案例創(chuàng)設(shè)貼近生活的籃球運(yùn)動(dòng)真實(shí)情境，體現(xiàn)物理知識的應(yīng)用性.籃球運(yùn)動(dòng)是校園最為常見的體育運(yùn)動(dòng)之一，相信每個(gè)高中學(xué)生都是經(jīng)歷過拍球、運(yùn)球、投籃等學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，但是學(xué)生體驗(yàn)這段經(jīng)歷后有沒有從物理學(xué)的視角提出問題并分析問題是關(guān)鍵.實(shí)踐體驗(yàn)僅僅是學(xué)習(xí)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，是運(yùn)用物理知識解決問題的必要條件，只有經(jīng)歷體驗(yàn)后，將經(jīng)歷的過程與物理知識取得關(guān)聯(lián)，從力、運(yùn)動(dòng)、能量、動(dòng)量等角度建構(gòu)物理模型分析籃球運(yùn)動(dòng)，反復(fù)琢磨經(jīng)歷過程進(jìn)行推理、論證，然后用學(xué)科專業(yè)術(shù)語（物理符號、規(guī)律、定理等）概括表達(dá)出來才能解決問題，通過反思研究過程，評價(jià)是否合理.

教學(xué)建議：讓學(xué)生帶著驅(qū)動(dòng)問題去經(jīng)歷過程，漫無目的體驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致研究視角分散不聚焦.同一個(gè)情境可以從力與相互作用、運(yùn)動(dòng)學(xué)、功和能、動(dòng)量等多種視角分析，分析角度要因研究問題不同而變化，帶著問題去經(jīng)歷過程會(huì)使研究視角聚焦.

2.2 將故事情節(jié)轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象

案例2.賽龍舟是端午節(jié)的傳統(tǒng)活動(dòng).下列vt和s-t圖像描述了5條相同的龍舟從同一起點(diǎn)線同時(shí)出發(fā)、沿長直河道劃向同一終點(diǎn)線的運(yùn)動(dòng)全過程，其中能反映龍舟甲與其他龍舟在途中出現(xiàn)船頭并齊的有

案例分析：本案例的思維過程見表3.

表3 案例2思維過程

案例反思：賽龍奪錦是中華民族傳統(tǒng)文化，是學(xué)生熟悉的場景，在精彩的比賽中往往口口相傳，互相描述.引導(dǎo)學(xué)生將精彩的比賽環(huán)節(jié)用物理的語言描述出來、用物理的視角分析運(yùn)動(dòng)，是很好的教育素材.將五條龍舟比賽你追我趕的過程轉(zhuǎn)化成物理問題中的追及相遇問題，運(yùn)用追及相遇模型分析兩艘龍舟之間的位置關(guān)系，并用s-t和v-t圖像表達(dá)位置關(guān)系，是解決問題的關(guān)鍵.在圖像教學(xué)中我們經(jīng)常引用龜兔賽跑的故事，其目的就是引導(dǎo)學(xué)生將熟悉的故事情節(jié)轉(zhuǎn)化為物理模型（追擊相遇模型），培養(yǎng)學(xué)生將真實(shí)情境和物理表述互相關(guān)聯(lián)、靈活轉(zhuǎn)換的能力.物理語言常常有圖像表述、物理規(guī)律表述.本問題考查故事情境與圖像表述相互轉(zhuǎn)換.

教學(xué)建議：將故事情節(jié)轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象，通過發(fā)散思維、直覺聯(lián)想把情境信息與物理知識形成關(guān)聯(lián).情境往往通過文字表達(dá)，文字表述、物理表述（物理規(guī)律表述和圖像表示）要靈活轉(zhuǎn)化.

2.3 將文字表述轉(zhuǎn)化成物理表述

案例3.如圖2，一傾角為θ的光滑斜面上有50個(gè)減速帶（圖中未完全畫出），相鄰減速帶間的距離均為d，減速帶的寬度遠(yuǎn)小于d；一質(zhì)量為m的無動(dòng)力小車（可視為質(zhì)點(diǎn)）從距第一個(gè)減速帶L處由靜止釋放.已知小車通過減速帶損失的機(jī)械能與到達(dá)減速帶時(shí)的速度有關(guān).觀察發(fā)現(xiàn)，小車通過第30個(gè)減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同.小車通過第50個(gè)減速帶后立刻進(jìn)入與斜面光滑連接的水平地面，繼續(xù)滑行距離s后停下.已知小車與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度大小為g.

圖2

（1）求小車通過第30個(gè)減速帶后，經(jīng)過每一個(gè)減速帶時(shí)損失的機(jī)械能；

（2）求小車通過前30個(gè)減速帶的過程中在每一個(gè)減速帶上平均損失的機(jī)械能；

（3）若小車在前30個(gè)減速帶上平均每一個(gè)損失的機(jī)械能大于之后每一個(gè)減速帶上損失的機(jī)械能，則L應(yīng)滿足什么條件？

案例分析：本案例第（1）問思維過程見表4.

表4 案例3（1）思維過程

案例反思：將直觀現(xiàn)象與抽象思維結(jié)合在一起，將文字表述轉(zhuǎn)換成物理表述是關(guān)鍵.本案例中“在相鄰減速帶間的平均速度均相同”是關(guān)鍵的文字描述，情境與物理知識關(guān)聯(lián)起來是清楚的，但是描述勻變速運(yùn)動(dòng)的平均速度有定義式兩種形式，要準(zhǔn)確判斷合理取舍.通過分析發(fā)現(xiàn)若使用平均速度的定義，求出相鄰減速帶之間運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，對解決問題沒有幫助.而解決問題需要知道經(jīng)過第31、32、33…個(gè)減速帶的初末速度關(guān)系，運(yùn)用式子可知通過一個(gè)減速帶的末速度與到達(dá)下一個(gè)減速帶的速度之和是不變的，與情境聯(lián)系更加緊密，符合先前的估計(jì)判斷，傾向使用第2個(gè)平均速度表達(dá)方式轉(zhuǎn)化文字表述.然后分析相鄰減速帶之間的加速度不變，距離相等，可得，又找到一個(gè)初末速度的關(guān)系，根據(jù)數(shù)學(xué)知識可知以上兩式v0和vt具有唯一值.

第（2）、（3）問不是本文研究重點(diǎn)，不再贅述.

教學(xué)建議：第一，多次細(xì)讀關(guān)鍵性文字表述，反復(fù)琢磨，通過發(fā)散思維合理聯(lián)想；第二，將文字表述轉(zhuǎn)換成物理表述的過程中，需要找出與文字表述相關(guān)的全部可能涉及的物理表述（物理規(guī)律），然后逐一對比、逐一排除才能找到最貼合文字表述、能正確解答問題的物理表述.

2.4 將需要完成的工作轉(zhuǎn)化成物理問題

案例4.科學(xué)家對銀河系中心附近的恒星S2進(jìn)行了多年的持續(xù)觀測，給出1994年到2002年間S2的位置如圖3所示.科學(xué)家認(rèn)為S2的運(yùn)動(dòng)軌跡是半長軸約為1000AU（太陽到地球的距離為1AU）的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞.這項(xiàng)研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).若認(rèn)為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽的質(zhì)量為M，可以推測出該黑洞質(zhì)量約為

圖3 恒星S2位置圖

（A）4×104M.（B）4×106M.

（C）4×108M.（D）4×1010M.

案例分析：本案例思維過程見表5.

表5 案例4思維過程

案例反思：本案例將需要完成的工作（推測黑洞質(zhì)量）轉(zhuǎn)化成物理問題（求中心天體質(zhì)量）是順利解決問題的關(guān)鍵和前提.由于問題情境所給出的信息是相對獨(dú)立的，如何把周期、橢圓半長軸和太陽質(zhì)量等信息關(guān)聯(lián)整合在一個(gè)模型中進(jìn)行分析是關(guān)鍵，通過聯(lián)想，天體運(yùn)動(dòng)常用“比”的辦法解決問題，本案例可以借鑒，建構(gòu)模型將S2繞黑洞的運(yùn)動(dòng)和地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)作比較.從插圖提供的信息，S2繞黑洞是橢圓運(yùn)動(dòng)，考慮到只需估算且地球繞太陽也是橢圓運(yùn)動(dòng)，建構(gòu)模型時(shí)將兩者近似看作圓周運(yùn)動(dòng)來處理，建立萬有引力提供向心力做圓周運(yùn)動(dòng)模型，解決問題思路清晰，能有效使用情境提供的條件，而且得到的結(jié)果與選項(xiàng)提供結(jié)果非常接近，把橢圓運(yùn)動(dòng)近似看作圓周運(yùn)動(dòng)處理問題是合理有效的.事實(shí)上，很多學(xué)生遇到本案例無從下手的原因是無法將“推測黑洞質(zhì)量”轉(zhuǎn)化成一個(gè)可以分析、可以研究的物理問題，通過聯(lián)想把周期、橢圓長半軸和太陽質(zhì)量等信息關(guān)聯(lián)整合起來.直覺聯(lián)想、估計(jì)判斷和建構(gòu)模型是將需要完成的工作轉(zhuǎn)化成物理問題關(guān)鍵步驟.

教學(xué)建議：需要完成的工作是通用語言表達(dá)的，而物理問題是用專業(yè)術(shù)語表達(dá)的，捕捉通用語言的表述，通過聯(lián)想關(guān)聯(lián)情境與物理知識，借鑒解決問題的一般思路，從常見模型開始思考，思維逐漸向外延伸.

3 結(jié)束語

提高解決情境化問題的能力不是與生俱來的，需要在日常的教學(xué)過程中逐漸滲透提取信息、直覺聯(lián)想、估計(jì)判斷、建構(gòu)模型、分析解釋、質(zhì)疑評價(jià)6個(gè)思維步驟，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中潛移默化、形成思維習(xí)慣，學(xué)生的情境與物理知識關(guān)聯(lián)能力將得到提高，當(dāng)遇到陌生、實(shí)際情境時(shí)思維過程有程序可依，解決問題思路變得清晰可循，解決實(shí)際問題能力得到有效提升.