摘 要：習(xí)題是促進(jìn)學(xué)生形成知識(shí)體系、深刻理解物理規(guī)律、提升思維能力的重要途徑，也是高中物理教學(xué)的重要組成部分。以一道力學(xué)習(xí)題為例，探討習(xí)題的進(jìn)階拓展路徑，并利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞：習(xí)題；拓展；臨界問(wèn)題；仿真物理實(shí)驗(yàn)室

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）7-0057-3

在高中物理教學(xué)中，習(xí)題是教學(xué)的重要組成部分。它不僅能鞏固和檢測(cè)課堂知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)的理解，還能教會(huì)學(xué)生運(yùn)用學(xué)科的觀念和方法，解決各種復(fù)雜、開(kāi)放的實(shí)際問(wèn)題。習(xí)題對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維具有重要的作用。高中階段習(xí)題的功能除了“檢測(cè)”學(xué)生所達(dá)到相關(guān)素養(yǎng)的水平之外，更重要的功能是“建構(gòu)”和“培養(yǎng)”，讓學(xué)生解答問(wèn)題的過(guò)程，就是提升素養(yǎng)的過(guò)程［1］。

對(duì)于習(xí)題研究和教學(xué)，學(xué)者們從不同角度進(jìn)行了深入研究。李明哲提出，在習(xí)題評(píng)講中利用“思維可見(jiàn)”和“結(jié)論可鑒”的方法提升學(xué)生高階思維［2］；范永梅提出，在習(xí)題教學(xué)中，利用意義建構(gòu)理論幫助學(xué)生建構(gòu)起對(duì)問(wèn)題客觀、全面、深刻的認(rèn)識(shí)［3］；陳一垠提出，借助手機(jī)、DIS傳感器和電腦等現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備將習(xí)題具體化、形象化［4］。

本文以一道力學(xué)習(xí)題為例，探討如何對(duì)習(xí)題進(jìn)行從單個(gè)特殊位置到多個(gè)特殊位置、從特殊到一般的進(jìn)階式拓展，并利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真模擬，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。這一研究將對(duì)高中物理習(xí)題的開(kāi)發(fā)和教學(xué)有一定的參考價(jià)值。

1 原題呈現(xiàn)及評(píng)析

如圖1所示，粗糙水平地面AB與半徑R=0.4 m的光滑半圓軌道BCD相連接，且在同一豎直平面內(nèi)，O是BCD的圓心，BOD在同一豎直線上。質(zhì)量m=1 kg的小物塊在9 N的水平恒力F作用下，從A點(diǎn)由靜止開(kāi)始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。已知xAB=5 m，小物塊與水平地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.1，當(dāng)小物塊運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)撤去力F，重力加速度g=10 m/s2，求：

（1）小物塊到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度的大?。?/p>

（2）小物塊運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)時(shí)，軌道對(duì)小物塊作用力的大小。

評(píng)析 本題研究單物體多運(yùn)動(dòng)過(guò)程，題設(shè)情境簡(jiǎn)明清晰。運(yùn)動(dòng)形式涉及直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，主要考查學(xué)生對(duì)牛頓第二定律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)能定理等重點(diǎn)知識(shí)的掌握情況。兩個(gè)設(shè)問(wèn)旨在引導(dǎo)學(xué)生明確力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，讓學(xué)生理解牛頓第二定律的因果性、瞬時(shí)性等特征，理解動(dòng)能定理的因果性以及功是能量變化的度量關(guān)系。在突出學(xué)生基本技能、基本素養(yǎng)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”“能量觀念”等視角認(rèn)識(shí)物理學(xué)，并解決實(shí)際問(wèn)題。

2 進(jìn)階拓展，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

原題情境較為常見(jiàn)，其兩個(gè)設(shè)問(wèn)也指向了力學(xué)的核心知識(shí)，但僅僅兩個(gè)設(shè)問(wèn)稍顯意猶未盡。原題中半圓形軌道為該習(xí)題的進(jìn)階拓展提供了突破口，可以在“臨界問(wèn)題”上深度挖掘拓展?？偟耐卣顾悸窞閺囊粋€(gè)特殊位置的臨界問(wèn)題到多個(gè)特殊位置，再到一般位置的臨界問(wèn)題，突出從一個(gè)到多個(gè)，從特殊到一般拓展，再對(duì)一般位置進(jìn)行仿真模擬，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入學(xué)習(xí)。

2.1 拓展1：一個(gè)特殊位置的臨界問(wèn)題拓展

設(shè)問(wèn)拓展：若小物塊恰能通過(guò)最高點(diǎn)D，求力F的作用距離？

評(píng)析 本拓展中，小物塊恰能通過(guò)最高點(diǎn)的臨界問(wèn)題是經(jīng)典考題，學(xué)生相對(duì)比較熟悉。隨著F作用距離的減小，小物塊通過(guò)D點(diǎn)的速度逐漸變小，其所受支持力也不斷變小。當(dāng)支持力為零時(shí)，即為臨界狀態(tài)。本拓展要求學(xué)生必須理解掌握力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，并對(duì)最高點(diǎn)D進(jìn)行受力分析，由題目隱含條件“恰能”，科學(xué)推理找到臨界條件。

2.2 拓展2：多個(gè)特殊位置的臨界問(wèn)題拓展

設(shè)問(wèn)拓展：若要小物塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不脫離半圓軌道，求F的作用距離？

分析：小物塊不脫離半圓軌道可能對(duì)應(yīng)3種情況，即小物塊能到達(dá)B點(diǎn)、小物塊能通過(guò)B點(diǎn)但不通過(guò)C點(diǎn)、小物塊能通過(guò)C點(diǎn)且能通過(guò)D點(diǎn)。

評(píng)析 拓展2也是從小物塊運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題設(shè)問(wèn)。相較而言，拓展1只關(guān)注了最高點(diǎn)D的臨界條件，拓展2則需要同時(shí)考慮圓弧上三個(gè)特殊點(diǎn)B、C、D的臨界條件。拓展1的問(wèn)題比較常見(jiàn)，學(xué)生完成難度不大，有些學(xué)生甚至通過(guò)死記硬背得到結(jié)論；拓展2則要求學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行全面、細(xì)致的分析，充分理解力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，可以更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層次的思考，培養(yǎng)學(xué)生的思維嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.3 拓展3：一般位置的臨界問(wèn)題拓展

評(píng)析 豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，常見(jiàn)的臨界問(wèn)題均以特殊位置為背景進(jìn)行設(shè)置，易致學(xué)生養(yǎng)成定式思維，對(duì)其臨界問(wèn)題認(rèn)識(shí)存在偏差。拓展3從特殊位置過(guò)渡到一般位置。根據(jù)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，由于力F的作用距離不同，則小物塊將有可能在圓弧CD間任一位置脫離軌道。拓展3要求學(xué)生深刻理解力是因，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變是果，突破定式思維，通過(guò)嚴(yán)密的邏輯分析找到臨界條件對(duì)應(yīng)的受力特點(diǎn)。

3 借助仿真物理實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

由于豎直平面圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題常以特殊位置為背景，因此，拓展3中滑塊在圓弧CD間脫離軌道的情境學(xué)生接觸較少，單純從理論上分析，學(xué)生理解仍有困難。借助仿真物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)該情境仿真模擬，可以幫助學(xué)生理解、論證，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的理解，提高學(xué)生的辨析能力，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)［5］。下面在介紹仿真物理實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，闡述如何借助仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)拓展3進(jìn)行仿真，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深度學(xué)習(xí)。

3.1 仿真物理實(shí)驗(yàn)室介紹

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，實(shí)驗(yàn)作為一種認(rèn)知方式，可以幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的信任與理解［6］。仿真物理實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)如同真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，又可以突破真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的限制，其內(nèi)置了基本的物理定理，建立了基本的物理模型，在這個(gè)平臺(tái)上建立實(shí)驗(yàn)，不再需要考慮任何的數(shù)學(xué)建模［7］。

3.2 建立實(shí)驗(yàn)

對(duì)仿真物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本的設(shè)置，并根據(jù)原題信息對(duì)相關(guān)對(duì)象賦值，建立仿真物理情境（圖3）。其中，坐標(biāo)原點(diǎn)的小圓點(diǎn)即為運(yùn)動(dòng)小球（為研究方便，用小球替代原題中的滑塊），小球下方的軌道即為組合好的直線軌道與半圓軌道。

3.3 編寫(xiě)語(yǔ)句，控制F作用距離

Fx=0

結(jié)束判斷1

3.4 運(yùn)行程序，觀察分析

運(yùn)行程序，輸出小球運(yùn)動(dòng)軌跡（圖4）。由軌跡可以直觀地看到小球在半圓軌道CD間的某個(gè)位置離開(kāi)軌道做斜拋運(yùn)動(dòng)。小球與半圓軌道之間的相互作用力是彈力，彈力為接觸力，即當(dāng)小球脫離半圓軌道后將不再受到彈力作用，亦說(shuō)明在脫離軌道瞬間，彈力為零，是臨界條件。

若小球脫離半圓軌道的位置標(biāo)為E，利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室自帶的角度度量工具，可直接顯示“C、O、E的角度為30”（圖5），與拓展3的理論分析計(jì)算結(jié)果相吻合。

利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，符合物理學(xué)科的一般研究過(guò)程，同時(shí)深化了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

習(xí)題是促進(jìn)學(xué)生形成知識(shí)體系、深刻理解物理規(guī)律、提升思維能力的重要途徑。本文以一道力學(xué)習(xí)題為例，探討了習(xí)題拓展的路徑和方法，實(shí)現(xiàn)了從單個(gè)特殊位置到多個(gè)特殊位置、從特殊到一般的進(jìn)階式拓展，并利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了仿真模擬，模擬結(jié)果與理論分析一致。文中設(shè)計(jì)的拓展已在公開(kāi)課上進(jìn)行了施教，從學(xué)生課堂表現(xiàn)和課后的訪談看，達(dá)到拓展應(yīng)用的目的，實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，同時(shí)也得到了同行的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

［1］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書(shū)物理必修第一冊(cè)教師教學(xué)用書(shū)［M］.北京：人民教育出版社，2019：8.

［2］李明哲.可見(jiàn)與可鑒：指向高階思維的物理習(xí)題教學(xué)［J］.物理教師，2023，44（10）：90-92.

［3］范永梅.意義建構(gòu)理論下的習(xí)題教學(xué)新樣態(tài)［J］.中學(xué)物理，2023，41（19）：12-15.

［4］陳一垠.經(jīng)歷科學(xué)探究 提升核心素養(yǎng)——以“瞬時(shí)加速度”習(xí)題課的教學(xué)為例［J］.物理教學(xué)探討，2024，42（1）：29-32.

［5］郭玉英，姚建欣，張靜.整合與發(fā)展——科學(xué)課程中概念體系的建構(gòu)及其學(xué)習(xí)進(jìn)階［J］.課程·教材·教法，2013，33（2）：44-49.

［6］李春密.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）課例式解讀初中物理［M］.北京：科學(xué)教育出版社，2022.

［7］朱明光，陳曉紅.中學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)室［J］.沈陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，19（4）：72-75.