核心素养视域下高中物理与数学的融合教学研究
刘莎
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刘莎,. 核心素养视域下高中物理与数学的融合教学研究[J]. 教育研究与发展论坛,202112. DOI:10.12721/ccn.2021.157112.
摘要: 从当前的高中物理教学活动来看,物理课程与数学知识之间存在一定的“共性”。物理离不开数学,数理融合、发挥数学在物理中的效能有助于培养学生的物理核心素养。但在实际教学中数理的融合度不高,且培养学生数理结合思维和应用能力的相关研究较少。本文从数理融合的现状与意义着手,通过具体路径及案例说明其对物理教学的价值。
关键词: 核心素养;高中物理;高中数学;融合教学
DOI:10.12721/ccn.2021.157112
基金资助:

要想利用数学方法解决高中物理力学学习问题,教师应做好多方面的教学准备,除确保学生准确应用数学知识及相关概念外,还应对力学的相关知识和问题进行分析,帮助学生从不同角度解答力学问题[1]。从当前的教学活动来看,将数形结合、数学分析等思想应用于力学教学中,能够在一定程度上帮助学生解决相关问题。

一、物理学科与数学学科核心素养之间的共性

对比普通高中课程标准不难发现数学与物理既相互独立,又彼此交融,物理和数学的课程标准存在很多共性。其中,高中物理学科核心素养内容包括:物理观念、科学建模、科学推理和科学论证;而高中数学学科核心素养内容包括:数学抽象、数学建模、逻辑推理和数学运算、数学分析。两个学科核心素养都要求培养学生联系实际,把握事物本质;对实际问题进行抽象分析;把握事物之间的关联;以及培养学生的分析能力。而其根本任务都是立德树人、发展素质教育,由此可见,数理融合对学生关键能力的培养意义非凡。

二、核心素养视域下高中物理与数学的融合教学策略

(一)将数学定理融入高中物理教学中

高中物理解题中常用的数学定理有勾股定理、正弦定理、余弦定理、韦达定理等,不同的定理适用的题型不同。例如,勾股定理常用于解答速度分解、力的分解等问题。教学中为使学生能够灵活正确应用勾股定理解答物理习题,一方面,为学生认真讲解高中物理基础知识,尤其要求学生灵活运用几何知识﹐能够正确的判断直角三角形﹐为勾股定理的应用做好铺垫。另一方面,结合学生所学,创设相关的问题情境﹐为学生展示勾股定理的具体应用,使学生养成运用勾股定理解答物理习题的良好习惯。

(二)将数形结合融入高中物理教学中

“数形结合思想”融入高中物理教学中,物理教师就要把拓展教学重视起来。也就是说,物理和数学知识都是在生活中有迹可循的,是与我们的生活各个方面都有联系的。基于此,学生通过物理知识的学习,以及在解题时,还需要掌握将物理知识应用于解决生活中的现实问题[2]。换言之,教师可以从我们的实际生活中找寻与物理知识相关联的方面﹐根据相关内容设计习题,指导学生通过“数形结合思想”来解决。并且在学生解决实际问题过程中,引导他们进行思考,以促进学生对问题更深入地思考。通过这种方式,既掌握了物理知识和解决问题的方式方法,又运用数学思维、通过“数形思想”在物理问题中的应用方法,加强对生活知识的观察和运用,学生对物理知识的学习越来越广泛、全面、深刻,他们的知识面得到拓宽﹐锻炼了思维,进而提升了思维水平和解决实际问题的能力。

例如,教师在教授人教版必修第一册《相互作用——力》一章内容时,就可以把“力的相互作用’“力的平衡关系”等内容与实际生活相联系,设计一些具有生活气息的题目,并引导学生运用“数形结合”的思想来解题,以此来培养学生的思维能力和解题能力。另外,教师还要积极引导学生将课余时间充分利用起来,通过自主探究或合作学习等方式,利用网络了解并掌握更多关于数形结合思想在物理解题中应用的实践案例,不断丰富和积累相关经验,从而深化对这一解题方法的掌握。

(三)将数学解析融入高中物理教学中

将运动形式与受力分析结合起来,是当前最常见的物理题型。例题:质量为3kg 的木板静止在光滑水平面上,板的右端放有一个质量为1kg 的铁块,对铁块施加一个向左的速度v,v=4m/s,当铁块与弹簧碰撞后返回,停留在木板右端,求此过程中铁块的运动距离。

问题中涉及“运动”“静止”两大概念,考查内容比较复杂。在教学时,教师可利用分析法帮助学生解决有关问题:在铁块运动的过程中,铁块所受到的向左的速度v与木板的摩擦力相互作用,其动能在不断损失,运动距离随动能的变化量而不断变化,故而,应该围绕摩擦力进行计算[3]。在这一过程中,v克服摩擦力所做的功、压缩弹簧所做的功、弹簧弹回所做的功等物理因素逐渐被分离出来,依靠合理的数学分析,物理问题中的数学关系被重新梳理,这样学生能够更高效地解决物理问题。

(四)将数学求导融入高中物理教学中从数学的角度审视高中物理中根据法拉第电磁感应定律(图片1.png),求感应电动势这个过程,本质上就是通过闭合回路的磁通量对时间的求导过程,建立物理与数学间的解题思维联系,对迅速求解物理问题有重要的意义。

例如,一水平木板上固定着两根平行的金属导轨,导轨每米的电阻是ro=0.10Q/ m ,用一根导线(电阻不计)分别连接两根导轨上的P、Q端点,两导轨相距I=0.2m。有随着时间变化的匀强磁场垂直于木板平面,已知磁感强度B与时间t的关系是B=kt(比例系数k=0.20T/s),有一金属杆(电阻可忽略)以与导轨垂直的角度在导轨上滑动(摩擦力忽略),在金属杆以固定的加速度由静止开始滑向导轨另一端的过程中,试求在t=6.0s时,金属杆受到的安培力。

按照常规物理解法是先求出回路中的动生电动势和感生电动势,并判断出电动势的方向,最后求出回路中的总电动势。此过程比较复杂,如果用数学导数知识求解,解题过程可得以简化,提高解题效率。可见,利用数学求导知识解题更简洁,不但提高了解题速度,还可以加深学生对电磁感应现象本质的理解。透过物理现象看到背后的数学规律,发散了学生的思维,拓展了学生的认知。

三、结语

综上所述,良好的数学应用能力和数学思维对于物理学习至关重要,核心素养的培育绝非单学科教学所能达成。数理融合,需要教师转变教学理念,以学生为主体,引导他们分析探索和实践观察,将所学的知识与生活实际相联系,对物理进行一个深入分析探索,培养学生用数学方法解决物理问题的思维,将物理与数学知识有效融合并灵活的运用,提高学生的思维能力以及解决实际问题的能力,为继续深入学习物理打下坚厚的基石。

参考文献:

1.寿延,亓玉田.跨学科课程的设计与实施[J].基础教育课程,2018( 22) : 20 - 25.

2.宋代强.高中物理解题中数形结合思想的应用探微[J].数理化解题研究,2019( 19) : 78-79.

3.陈佳欣.高中物理力学学习中数学方法的应用[J].中国高新区,2018(01):93.