鄧沛恩 程敏熙

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

物理例題教學(xué)是物理課堂中必不可少的部分，教師通過對解決物理例題的示范，使學(xué)生初步掌握物理問題解決的方法，從而對物理本質(zhì)有更深刻的理解.根據(jù)皮亞杰認知發(fā)展理論，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理例題的過程中，通過同化與順應(yīng)，新學(xué)的物理概念和規(guī)律得到認知上的更新，從而促進學(xué)生的理解.物理例題的學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供物理問題解決的“腳手架”，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，提高學(xué)生解決實際問題的能力，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑之一.隨著《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的實行，各版本物理教材編寫了新的版本，不同版本的物理教材在例題設(shè)置方面呈現(xiàn)了不同的特點.

1 舊人教版例題分析

舊人教版教材的動能定理部分設(shè)置了兩道例題.“例題1”的情景是噴氣式飛機的滑跑過程，飛機的初速度v0為零，題干中給出了飛機的質(zhì)量m，受到的阻力f，滑行距離l以及末速度v，求解飛機受到的牽引力.

圖1 舊人教版例題1

在上述“例題1”中，只存在一個未知量，即飛機的牽引力.學(xué)生在明確飛機滑跑過程的做功情況以及初末速度之后，將其相應(yīng)地代入動能定理的表達式中即可求解.本例題涉及的過程單一、未知量單一、各力做功情況明確，屬于對動能定理的初步應(yīng)用，對于初學(xué)者具有較好的啟發(fā)意義.但同時也存在一些問題值得商榷：

(1)在圖文呈現(xiàn)方面，題干中描述的是飛機的滑跑過程，但是圖片上呈現(xiàn)的卻是飛機滑跑后已經(jīng)起飛的情景，圖文不對應(yīng)不能有效地幫助學(xué)生建立正確的物理模型，甚至?xí)`導(dǎo)學(xué)生.

(2)題干中要求求解的是“飛機受到的牽引力”，但是在解題示例中只求得了牽引力的大小，沒有對牽引力的方向進行說明，忽略了力的矢量性.

(3)飛機滑跑過程中的牽引力應(yīng)是變力，本題通過動能定理求得的牽引力是平均值，例題中并未進行說明，部分學(xué)生容易誤以為是恒力，不符合實際情況.

綜上所述，本例題對一些細節(jié)處理得并不完善.

舊人教版教材中“例題2”的情景是汽車關(guān)閉發(fā)動機后的滑行過程，從題干中可得到汽車的質(zhì)量m,汽車的初速度v0,滑行距離l以及汽車末速度為零，求解汽車受到的阻力.

圖2 舊人教版例題2

聯(lián)系本節(jié)教材的邏輯結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，本例題的設(shè)計意圖是說明用動能定理解決合外力對物體做負功的情況.對比“例題1”與“例題2”我們不難發(fā)現(xiàn)，兩道例題的相似程度高：題干中直接給出的條件相似，待求解的物理量相似，做功的情況相似，物理過程過于單一，學(xué)生在解決“例題2”時只需模仿“例題1”將相關(guān)的物理量進行替換即能夠順利求解，不能充分發(fā)揮設(shè)置兩道例題的價值.在完成兩道例題時，部分學(xué)生容易忽略對物理過程的分析，甚至容易養(yǎng)成“套公式”的思維模式，不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展.

比較分析以上兩道例題，舊人教版動能定理部分的例題題型單一，對學(xué)生缺乏實質(zhì)層面的啟發(fā)性.

2 新人教版例題分析

新人教版中的“例題1”沿用了舊人教版中的“例題1”的形式，并且做了細節(jié)上的完善，題干中的描述更加嚴謹，插圖部分也與題干中飛機的滑跑過程相對應(yīng)，插圖中清晰地標(biāo)注了飛機的受力、位移、速度方向等，對于物理過程在學(xué)生腦海中的表征有良好的引導(dǎo)作用.

圖3 新人教版例題1

新人教版中“例題2”的情景為兩個人在工地中“打夯”，重物運動的物理過程可以分為4個部分：

(1)在兩個人施力以及重力的作用下向上做勻加速直線運動；

(2)兩個人停止施力后在重力作用下向上做勻減速直線運動；

(3)重物到達最高點后做自由落體運動；

(4)重物到達地面后在阻力與重力的作用下減速至零.

圖4 新人教版例題2

相對而言，“例題2”比“例題1”面臨的物理過程更加復(fù)雜，學(xué)生需要將題干中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型.教材中的分析部分將題干中的對象與過程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理模型，在示意圖中清晰地做出了受力分析，并且4個狀態(tài)是置于同一水平面上，其位移情況一目了然，將“靜態(tài)”的語言描述轉(zhuǎn)換成“動態(tài)”的物理過程，通過將題中信息的表征形式進行轉(zhuǎn)化，能幫助學(xué)生找到最適合問題的表征形式[1].從而提高學(xué)生物理模型的建構(gòu)能力.

圖5 新人教版例題2的物理模型

對于初學(xué)者，解決“例題2”的復(fù)雜性還體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)力的方向不在同一方向上，需要進一步的合成或分解.

(2)需要選取恰當(dāng)?shù)奈锢磉^程才能夠應(yīng)用動能定理進行求解，“套公式”的解題方式將不再“得逞”.

(3)重力做功屬于隱藏條件，需要學(xué)生自主挖掘.

相對于舊人教版而言，新人教版中的兩道例題基于“最近發(fā)展區(qū)”，在學(xué)生初步掌握動能定理應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過類比推理，將新目標(biāo)情境中的問題和已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)情境問題相比較，依據(jù)兩者中部分屬性的相同為前提，推出目標(biāo)問題中的其他屬性[2].

另外，兩道例題的情境創(chuàng)設(shè)分別從社會、生產(chǎn)出發(fā)，有利于學(xué)生認識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境的關(guān)系，認識物理學(xué)對于前沿技術(shù)以及生活生產(chǎn)的重要應(yīng)用.

3 新粵教版例題分析

在新粵教版物理教材中共設(shè)置了一道例題，題干中的情境為汽車在高速公路上行駛，求汽車的安全距離.

圖6 新粵教版例題

本例題以學(xué)生生活中常見的汽車行駛為出發(fā)點進行設(shè)計，其中還考慮到司機的反應(yīng)時間，與實際情境密切結(jié)合.題目中設(shè)置了汽車剎車前通過的位移，需要學(xué)生從題干中提取有效信息，并且對其進行整合、加工與處理，從而得到解決問題的突破口.

從新粵教版整個動能定理的應(yīng)用部分來看，在例題前面教材還對動能定理在戰(zhàn)斗機、滑梯以及行駛汽車的安全距離等實際問題中的應(yīng)用給出了文字描述，涉及的方面十分豐富且廣泛.在例題后面，教材還有一個欄目是“實踐與拓展”，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料或走訪有關(guān)部門，搜集汽車制動距離與車速的關(guān)系.我們不難發(fā)現(xiàn)，整個動能定理的應(yīng)用部分存在一條線索是“制動安全距離”，設(shè)計意圖是引導(dǎo)物理教學(xué)的關(guān)注點從習(xí)題訓(xùn)練轉(zhuǎn)換到實際問題的解決.根據(jù)自組織轉(zhuǎn)變理論，科學(xué)教育過程是學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成對教學(xué)內(nèi)容掌握的同時其認知系統(tǒng)從被組織向自組織轉(zhuǎn)變的過程[3].通過多種教學(xué)形式相結(jié)合，能夠促進學(xué)生自組織轉(zhuǎn)變的進行，有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

4 對教師例題選取與教學(xué)的啟示

由于教材的篇幅有限，在每一個知識點都設(shè)置相應(yīng)的例題并不現(xiàn)實，教師通常需要結(jié)合本班學(xué)生的情況以及實際教學(xué)需要選擇例題.通過3版本教材的分析比較，筆者認為教師在新課教學(xué)中所選例題應(yīng)當(dāng)參考以下幾個條件為宜.

(1)例題應(yīng)與該節(jié)課所學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，避免涉及與本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容無關(guān)的知識.認知負荷理論指出，例題通過分離和解析題目中的信息，以減少學(xué)生學(xué)習(xí)過程中與問題解決策略無關(guān)的認知負荷.避免涉及無關(guān)的知識點，能夠讓學(xué)生將注意力更好地集中在本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容上.

(2)例題應(yīng)該將已知條件清晰地告知學(xué)生，減少在已知條件上給學(xué)生設(shè)置障礙.這能夠幫助學(xué)生將認知負荷控制在工作記憶所能承受的范圍之內(nèi)，而不是在一些無關(guān)緊要的條件上給學(xué)生增加額外的障礙.

(3)例題中物理過程應(yīng)當(dāng)獨立且清晰，每個物理過程應(yīng)當(dāng)只有一個未知量，未知量的求解應(yīng)是唯一的，避免冗雜的計算過程，避免涉及分類討論的情況，最大限度地減少學(xué)生在分析過程中出現(xiàn)的思維障礙.

(4)例題的選擇要有一定的難度梯度，基于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，從學(xué)生已有的認知結(jié)構(gòu)出發(fā)，所選擇或設(shè)計的例題要有代表性與啟發(fā)性.

學(xué)生作為初學(xué)者，教師在物理課堂中對例題的分析與解題形成的示范效應(yīng)尤為關(guān)鍵，在示范過程中，教師應(yīng)當(dāng)注重對物理過程的分析，引導(dǎo)學(xué)生從題干中抽象出物理模型，向?qū)W生展示對于信息完整的判斷、選擇、處理、分析的過程，從而認識到科學(xué)的本質(zhì)[4].另外，板書過程應(yīng)當(dāng)與分析過程相對應(yīng)，將有助于保留學(xué)生對于教師分析過程的記憶.