基于物理核心素养的“平抛运动”教育价值解读

□张惠作

（越州中学，浙江绍兴 312075）

深化课程改革的目标指向立德树人，全面提升学生核心素养.教师要充分挖掘物理教学内容中蕴含的教育价值，发挥物理学科的教育功能.平抛运动是典型曲线运动模型之一，研究平抛运动的方法是解决曲线运动的重要方法.着眼高中物理核心素养，平抛运动这节内容蕴藏丰富的教育价值.所以，基于核心素养的新课程标准的课程设置中，仍然在必修2保留了这一内容.然而，基于三维目标的原课标人教版教材内容和教学实践中尚存在不少逻辑问题，削弱了平抛运动这节内容的教育价值.当前，与基于学科核心素养的新课程标准相匹配的教材尚未出版，本文总结原课标人教版教材及教学实践中存在的问题，基于有效落实物理核心素养，分析平抛运动教学内容中蕴含的主要教育价值，以资有效落实新课标教育教学实践参考.

一、模型建构

模型建构是物理核心素养中科学思维的要素之一，体现为基于现象事实，为了揭示其本质，抓主略次，构建理想模型的抽象概括过程.

把物体抛出去是日常常见的运动现象，从这些常见的运动中抽象概括出理想化抛体运动模型，关键是空气的影响这一因素能否忽略.原课标人教版教材和实际教学中都缺失模型建构的过程，导致这一内容应有的教育价值没有发挥出来.

模型建构的举例（实验演示）中，不可或缺的事例是受到空气影响不能忽略的抛体.笔者在教学中，设计以下教学逻辑层次，把模型建构落到实处.

（1）今天我们来研究抛体运动，请大家列举把物体抛出去的事例.

（2）下面老师抛一支笔给某同学，请该同学注意接住啊.（演示）

（3）再演示抛一片纸给这位同学，抛三次，都没有抛到位.纸片的运动很复杂，每次都不同.问题：为什么抛出的纸片运动这么复杂呢？（空气的影响）

（4）把纸片捏紧成纸团，再抛，一次到位.物理学研究问题的策略是通过建立理想化模型把复杂的问题简化以突出本质.所以，我们建立只受重力作用的抛体运动模型，当如纸团、笔等抛体，空气的影响很小，忽略不计，可近似看作抛体运动.

把纸片三次抛给某学生，该学生每次都试图接住但都没有成功的现象，引发大多数学生开怀大笑，有效调动学生的积极性和好奇心.所以，在模型建构过程中，也潜移默化融入了科学态度与责任素养中的要素.

二、比较分类

比较分类是科学思维的重要方法之一，通过比较事物的共性与特性，对事物加以分类研究，也是从物理学视角对事物本质、内在规律以及相互联系的认识方式之一.

抛体运动的研究具有这一教育价值，教学中要体现出来.教师通过演示从不同方向抛出物体（如粉笔头，抛后注意及时捡起），学生通过观察比较，先从初速度方向不同分类为：斜上抛，斜下抛，平抛，竖直上抛，竖直下抛，然后，再从轨迹上归类：斜上抛，斜下抛，平抛都是曲线运动，竖直上抛和竖直下抛都是直线运动.在此基础上，点明下一步目标是以平抛运动为例，学习研究曲线运动的方法.

三、研究方法

曲线运动的研究方法，属于科学思维，是从物理学视角对事物本质、内在规律及相互联系的认识方式.“方法”能够以程序性知识传承，关键在于经历思维过程的内化.把曲线运动沿二维或三维坐标分解，是研究曲线运动的重要方法之一.通过学习这一方法，学生还能体验分析综合、类比推理等科学思维方法，经历质疑创新洗礼，体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想.

然而，原课标人教版教材和实际教学中，对曲线运动的研究方法的理解把握却存在很多问题，削弱了本节教学内容的教育价值.主要存在以下两方面问题.

第一，曲解方法，人为加难.首先，原课标人教版教材把运动的分解与相对运动问题混为一谈，[1]可谓曲解方法，使学生误入歧途.其次，曲线运动的“化曲为直”思想实际上是非常抽象的.把解决曲线运动的分解方法，深入挖掘拔高到这一思想水平，脱离了大多数中学生的实际认知能力水平.一直以来我国高中物理教学实践中，都是先以“相对运动”实例，灌输“合直为曲”思想，然后再逆向思维，强行灌输“化曲为直”这一思想，然后在此思想指导下，去体会运动的分解方法，这有违认知规律，人为加难，适得其反.学生不仅未形成思想，而且不解方法.所以，笔者建议，在曲线运动这一章的教学，先不要急于灌输“化曲为直”思想，而应把“解决曲线运动的分解方法”实实在在地落实到位，学生在学习方法过程以及掌握方法之后再提炼升华思想，体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想.笔者认为，“化曲为直”比“将复杂运动分解为简单运动”更难理解，所以，在曲线运动的教学中，教师不宜使用“化曲为直”术语，建议使用“化繁为简”.

第二，粗枝大叶，残缺不全.首先，缺失分解初速度和加速度的过程.其次，分解是否唯一，是否只能沿水平和竖直两个方向分解？是否只能在相互垂直的方向分解？缺乏知识的建构过程，不给学生质疑机会，是知识本位的教学理念.

笔者设计本节“研究方法”的教学逻辑如下.

（1）我们在上一节“曲线运动”中初步了解了研究曲线运动的方法：建立平面直角坐标系，把位移、速度和加速度（合力）沿坐标轴方向分解.本节具体的运用这种方法.

（2）下面，请注意观察平抛轨迹，并在笔记上画出示意图.教师演示，并在黑板上画出轨迹示意图.以抛出点为坐标原点，画出平面直角坐标系，画出某一时间内的位移，并分解，再画出该时间末时刻速度，并分解.画出初速度，分解得水平分初速度v0x=v0，竖直分初速度v0y=0；画出加速度，并分解，水平分加速度ax=0，竖直分加速度ay=g.

（3）综合刚才分解得到的信息与自由落体运动和匀速直线运动条件进行类比，请大家猜想：水平分位移和水平分速度的变化规律，竖直分位移和竖直分速度的变化规律与你学过的哪个直线运动规律一样？水平方向和匀速直线一样，竖直和自由落体一样.通常，我们把这样的结论表述为：水平分运动是匀速直线运动，竖直分运动是自由落体运动.所以，我们猜想，平抛运动可以分解为水平方向匀速直线运动和竖直方向自由落体运动.

（4）假定猜想正确，设计实验证明.实验表明，猜想与假设正确.

（5）质疑创新.研究平抛运动只能沿水平和竖直建立平面直角坐标系吗？比如，能否沿斜向上30°方向为x轴建立坐标系呢？假如可以这样建立，我们再猜想一下，分位移、分速度变化规律和哪些直线运动相同？两个分运动都是初速度都不为零的匀变速直线运动，显然比沿水平和竖直两个方向建立坐标系分解结果复杂，所以，为了研究的简便，一般来说，我们研究抛体运动时沿水平和竖直两个方向建立直角坐标系.

值得指出，对平抛运动，无论沿什么方向的正交分解，抑或是斜分解，其分运动性质及其规律，都是理论分析和实验验证相统一的正确结论.如果我们的教学、课后练习及考试，千方百计，千锤百炼，使得所有学生都对平抛运动的分解结论形成僵化的、唯一的认识“水平方向匀速直线运动和竖直方向自由落体运动”，舍此无他，足见以往物理教学对“研究方法”的谬传和对学生思想的禁锢.

四、科学探究

“科学探究”是物理核心素养的四个方面之一，是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.

“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素.

物理核心素养的表述内容是四面一体.四个方面其实是一体的不同面，各面有差异，但各面背后却融为一体，你中有我，我中有你.比如，科学探究，是物理学研究方法的发展与推广，是物理学基本认识方式之一，是科学思维中的重要组成.但科学探究的诸要素中，都离不开科学思维素养的支撑.

平抛运动的教学内容，是能够完整凸显科学探究素养的知识载体，具有很强的承载科学探究诸要素的张力.这一节的实际教学中，落实科学探究素养存在的主要问题是目标设置不当，有两种极端表现。其一，常规课中基本不探究；其二，公开课中探究的力度过犹不及，顾此失彼，导致对其他方面素养的忽视.落实物理核心素养，既要深挖广掘教学内容的教育价值，也要酌情考虑，统筹安排，合理布局，量力而行，确定各方面素养要素配比恰当与容量恰当的教学目标，“如烹小鲜”.原课标人教版教材编排两节内容，“平抛运动”和“研究平抛运动”，按照新课程标准来看，也是安排两节，笔者猜想这两节的标题为“平抛运动”和“探究平抛运动的特点”.

综合考虑，笔者建议，落实科学探究素养诸要素要两节统筹布局，各有侧重，避免每一节都全面开花.

“平抛运动”这一节教学，重点落实提出问题、形成猜想和假设和基于证据得出结论并作出解释要素，在落实这些要素中，要以学生独立思考、交流讨论、表达观点为主.在设计实验与制订方案、获取和处理信息要素，以教师为主.顺便指出，教师提供的信息最好是频闪照片（如图1）.此图片为学生提供了直观感性材料，便于学生直观地感受竖直分位移和水平分位移的变化规律.其实，位置、位移这两个概念比速度概念更加感性，原课标人教版教材上，先研究平抛速度分解合成，后研究位移分解合成，有违从感性到抽象的认知规律.

图1

“研究平抛运动”（或“探究平抛运动的特点”）这一节教学，重点落实设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释要素.实验目标（问题、猜想假设）、器材等，教师开门见山，直接呈现给学生.

五、解释现象和解决问题

解释现象和解决问题的过程，是学生形成物理核心素养的必要过程，解释现象和解决问题的能力水平，是学生物理核心素养水平的体现.物理观念是从物理学视角解释现象和解决问题的基础，运用物理观念解释和解决问题过程，必然需要模型建构、分析综合、逻辑推理等科学思维，甚至经历完整的科学探究过程.挑战性的问题解决，需要强烈的学科兴趣、坚持不懈的科学精神、团队合作的精神等.所以，解释现象和解决问题极具培养物理核心素养的功能，但能否充分发挥这一功能，与以下三个“度”密切相关.

第一，解释现象的复杂程度和问题的难度.现象太复杂，难度太大，学生产生畏惧心理，丧失学习物理的兴趣，不仅无法发挥培养物理核心素养的功能，而且成为物理核心素养形成的杀招.根据SOLO理论，笔者认为，平抛运动的习题，最简单的运用，也属于关联结构水平.从知识结构上，要综合运用分运动规律，属于关联结构，从能力上，分析与综合能力是必须的，在过去的高考大纲里，分析与综合能力是重点考核的能力，能力程度至少属于关联结构水平.教学实践表明，有不少学生对“落地速度”迷思不解，对从斜面高处抛出，落到斜面低处，从斜面外抛出，垂直撞到斜面等情景，其中的信息斜面倾斜角往往不得要领.以基于物理核心素养的物理教育理念而论，物理教师科学把控习题难度、梯度，才能发挥“解释现象和解决问题”的育人功能.

第二，现象、问题情境的真实度.联系实际，贴近生活、生产实践的现象、问题情境，使学生觉得物理有用.新课标在“实施建议”部分的“教学建议”中指出，创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用.应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境.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相联系的水平.

第三，解释现象和解决问题思维路径的清晰度.解释现象要条理清晰，推理严密，避免囫囵吞枣，雾里看花.解决具体问题时，细致地展现思维路径，让学生把握思维路径中的关键路标和某些疑难路段的方法策略.比如，平抛物体的飞行时间取决于哪些因素？先要暴露不同类型学生的不同思路和结论.有学生根据水平分位移规律，认为与初速度和水平射程有关，初速度越大，时间越短.他们的思维过程有以下问题，其一，在运用水平位移规律时，没有确认位移一定前提下，就得出时间与速度成反比，推理不严密.其二，思维缺乏多角度分析与综合，没有考虑从多角度分析时间，如果考虑到，从竖直位移公式分析时间，会得出与水平结论不同的认识，就会重新思考问题出在何处，培育自我反思习惯和能力.从竖直位移规律得出时间取决于竖直位移，进而反思，认识到水平位移和初速度成正比的关系.还要经历通过实验，验证水平位移和初速的密切关系.

通过以上五个主要方面的教育价值的落实，学生在提升能力的过程中，头脑中形成的抛体模型、运动规律、化繁为简的思想以及对力与运动关系的进一步升华，都属于物理观念方面的素养.可见，在理解物理核心素养的内涵时，要结合学生发展核心素养的内涵，注意素养的整体性.在四个方面中，物理观念代表物理知识的内化，是其他核心素养的基础，科学思维和科学探究是关键能力，科学态度和责任是必备品格.四个方面互相依赖，共同发展.[2]

［1］张惠作.“曲线运动”教学逻辑的设计［J］.中学物理教学参考，2016（12）：30-32.

［2］胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现［J］.中学物理教学参考，2017（8）:1-3.