核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐——以“超重和失重”教學(xué)為例

(1. 江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)，江蘇 江陰 214437；2. 江蘇省江陰高級(jí)中學(xué)，江蘇 江陰 214400)

核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐——以“超重和失重”教學(xué)為例

章強(qiáng)1龐惠華2

(1. 江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)，江蘇 江陰 214437；2. 江蘇省江陰高級(jí)中學(xué)，江蘇 江陰 214400)

高中物理教學(xué)不僅需要幫助學(xué)生建立物理知識(shí)體系和提升物理解題能力，更應(yīng)注重提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，課堂教學(xué)則是完成這一課程目標(biāo)的最主要陣地。在高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)該不斷滲透正確的物理觀念、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、提升科學(xué)探究能力、強(qiáng)化科學(xué)態(tài)度和責(zé)任意識(shí)。本課例設(shè)計(jì)基于核心素養(yǎng)的基本準(zhǔn)則，通過(guò)解讀教材、創(chuàng)設(shè)情境、自主設(shè)計(jì)和對(duì)比留疑來(lái)達(dá)成本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。

核心素養(yǎng)；課堂教學(xué)；超重；失重

隨著新課程改革的深入，高中物理課程目標(biāo)和體系都逐步發(fā)生了變化。課程體系從以學(xué)科知識(shí)為中心向提高學(xué)生終身學(xué)習(xí)能力的核心素養(yǎng)為主體轉(zhuǎn)變。在課堂教學(xué)中不斷滲透核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，是教師幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)終身發(fā)展、全面發(fā)展的最佳途徑。本文以人教版高中物理必修1教材中“超重和失重”為例，就如何在課堂教學(xué)中提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)進(jìn)行探討。

1 解讀教材，在物理觀念的建立過(guò)程中滲透核心素養(yǎng)

從教材的角度來(lái)看，無(wú)論是在知識(shí)體現(xiàn)形式還是課時(shí)安排上，“超重和失重”這節(jié)課在新舊教材中有著很大的改變。在知識(shí)體現(xiàn)形式上，舊教材是以知識(shí)內(nèi)容呈現(xiàn)，而新教材則以例題的形式呈現(xiàn)；在課時(shí)安排上，這部分內(nèi)容在舊教材中是獨(dú)立的一節(jié)，而在新教材中是作為第七節(jié)“牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用”的第二部分呈現(xiàn)的。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)際情況，在本節(jié)課的設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然把超重和失重作為獨(dú)立的一節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)，這也體現(xiàn)了新課程所倡導(dǎo)的“用教材教而不是教教材”的教材觀。

從知識(shí)角度來(lái)看，本節(jié)課涉及的物理概念有“視重”“實(shí)重”“超重”“失重”，這些概念易與日常生活用語(yǔ)混淆，是易錯(cuò)概念。而物理核心素養(yǎng)第一點(diǎn)就是幫助學(xué)生建立物理觀念，從物理學(xué)視角形成關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，并達(dá)到物理概念在頭腦中的提煉和升華。為了讓學(xué)生能夠自主建構(gòu)這些概念并加以理解，筆者設(shè)計(jì)了如下互動(dòng)過(guò)程。

師：請(qǐng)利用桌上的實(shí)驗(yàn)器材，測(cè)出鉤碼的重力，展示你的設(shè)計(jì)。

生：用彈簧測(cè)力計(jì)豎直吊起鉤碼，靜止時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)就等于鉤碼所受重力的大小。

師：測(cè)量時(shí)利用的物理原理是什么？

生：二力平衡、牛頓第三定律。

師：鉤碼所受重力就是實(shí)重，鉤碼所受重力與什么因素有關(guān)？

生：由物體的質(zhì)量、當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葲Q定。

師：在實(shí)驗(yàn)室中我們可以認(rèn)為鉤碼所受重力是定值，視重是測(cè)量工具的讀數(shù)，即物體對(duì)懸掛物的拉力或者對(duì)支持物的壓力大小。那么在靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)視重等于實(shí)重，在豎直方向加速運(yùn)動(dòng)或者減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，視重和實(shí)重又是什么關(guān)系呢？請(qǐng)大家分組體驗(yàn)，然后展示你們觀察的現(xiàn)象。

生：在加速和減速運(yùn)動(dòng)中視重有時(shí)大于實(shí)重，有時(shí)小于實(shí)重。

師：視重大于實(shí)重的現(xiàn)象就叫超重，而視重小于實(shí)重的現(xiàn)象就叫失重。

至此，本課的基本概念“視重”“實(shí)重”“超重”“失重”就通過(guò)學(xué)生的體驗(yàn)和教師的引導(dǎo)全部得出了。

學(xué)生在體驗(yàn)中建立物理概念，能進(jìn)一步深化對(duì)概念的理解，從而達(dá)到能夠從物理學(xué)視角去重新審視身邊的實(shí)例。比如學(xué)生在本課中能認(rèn)識(shí)到視重是測(cè)量工具的讀數(shù)，而讀數(shù)出現(xiàn)的原因是因?yàn)闇y(cè)量工具和測(cè)量物體之間的相互作用(此時(shí)加深對(duì)牛頓第三定律的理解)。教師在課堂中經(jīng)常使用此方法引導(dǎo)思路，可幫助學(xué)生分析物理現(xiàn)象、建立物理概念，也為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，提升核心素養(yǎng)做好鋪墊。

2 創(chuàng)設(shè)情景，在物理思維的培養(yǎng)過(guò)程中體會(huì)核心素養(yǎng)

物理是“萬(wàn)物之理”，但是很多物理知識(shí)對(duì)我們的學(xué)生而言卻是陌生的，巧妙利用物理情景對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和創(chuàng)造力有很大的幫助。

2.1 簡(jiǎn)化模型，親身體驗(yàn)

在“超重和失重”這一節(jié)，教材以人在升降機(jī)中的真實(shí)情景為例，向?qū)W生示范了如何利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，去分析人對(duì)升降機(jī)地板的壓力變化情況。通過(guò)這一情景使學(xué)生了解超重和失重，掌握超重和失重的條件，但是教師在課堂中不可能將這一真實(shí)的物理情境展現(xiàn)給學(xué)生，所以在本課例設(shè)計(jì)中將“在升降機(jī)中用臺(tái)秤測(cè)體重”轉(zhuǎn)化為“用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)鉤碼重力”，將生活中的事例搬進(jìn)教室，設(shè)計(jì)方案將研究對(duì)象“人”改變成“鉤碼”，用“彈簧測(cè)力計(jì)”替代“臺(tái)秤”，從分析人對(duì)升降機(jī)中臺(tái)秤的壓力變成分析鉤碼對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力。學(xué)生體會(huì)了類(lèi)似于教材設(shè)計(jì)、又可以在課堂中親身體驗(yàn)的物理情景，印象深刻，強(qiáng)化了物理模型。

2.2 創(chuàng)新操作，可視度高

圖1

在實(shí)驗(yàn)操作中，用手帶動(dòng)鉤碼上升、再停止，由于手會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，造成可視度低，同組的合作者很難看出讀數(shù)的變化，關(guān)于加速上升和減速上升的拉力大小會(huì)出現(xiàn)偏差。本課例中對(duì)實(shí)驗(yàn)操作改進(jìn)如下：如圖1所示，將手臂彎曲平放胸前，讓彈簧測(cè)力計(jì)和鉤碼整體跟隨人下蹲和起立。這樣的設(shè)計(jì)規(guī)避了操作時(shí)彈簧抖動(dòng)帶來(lái)的讀數(shù)偏差，同時(shí)在筆者在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用量程為5N彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)，人在下蹲和起立的過(guò)程使用鉤碼(質(zhì)量為300g)能比較清晰地觀察到示數(shù)的變化，如果使用鉤碼(質(zhì)量為200g)，觀察現(xiàn)象不明顯；如果使用兩個(gè)鉤碼(質(zhì)量為400g)，在實(shí)驗(yàn)中容易超量程。

核心素養(yǎng)對(duì)科學(xué)思維的要求主要包括：模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等。本課例中充分利用實(shí)驗(yàn)室已有實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行器材篩選和操作改進(jìn)，將模型簡(jiǎn)化，提高了可視度，將學(xué)生的積極主動(dòng)性發(fā)揮出來(lái)。

3 自主設(shè)計(jì)，在科學(xué)探究的過(guò)程中提升核心素養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)作為物理教學(xué)中的重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于提升學(xué)生動(dòng)手能力，發(fā)展學(xué)生思維能力，提高學(xué)生創(chuàng)新能力等方面都有很大的幫助。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的核心素養(yǎng)能夠得到全面提升。

在本課例中，通過(guò)以下的課堂設(shè)計(jì)，學(xué)生能通過(guò)自身活動(dòng)對(duì)超重和失重現(xiàn)象有深刻的印象，同時(shí)對(duì)其本質(zhì)能有深刻的認(rèn)識(shí)。

設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)的起因?yàn)椋簩W(xué)生用彈簧測(cè)力計(jì)觀察鉤碼在跟隨人下蹲的過(guò)程，能夠回答出視重是先減小后變大再變小，但是這只是粗測(cè)。能否精確地得到視重隨時(shí)間的變化關(guān)系？借助DIS的力傳感器可以讓學(xué)生更直觀、精確地看到視重的變化，活動(dòng)設(shè)計(jì)如下。

師：下蹲時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)如何變化？

生：示數(shù)先變小、后變大、再變小。

師：能更詳細(xì)說(shuō)說(shuō)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化情況嗎？

生：靜止時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)為3N，下蹲時(shí)先變得比3N小，后來(lái)變得比3N大，

師：有沒(méi)有什么辦法能定量記錄力的大??？

生：可使用力傳感器。

師：請(qǐng)兩位同學(xué)來(lái)合作完成剛才的操作，我們通過(guò)傳感器觀察人在下蹲過(guò)程中視重隨時(shí)間的變化。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到下蹲時(shí)視重隨時(shí)間變化的圖像如圖2所示，接下來(lái)分析此過(guò)程人的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況。

圖3

師：人在下蹲過(guò)程中做什么運(yùn)動(dòng)？

生：先向下加速，再向下減速。

師：寫(xiě)出向下加速和向下減速過(guò)程的牛頓第二定律表達(dá)式。

生：向下加速時(shí)：mg-F=ma，向下減速時(shí)：F-mg=ma。

師：在起立過(guò)程中，人的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況又是怎樣？

生：起立過(guò)程分為向上加速和向上減速兩過(guò)程，向上加速時(shí)：F-mg=ma，向上減速時(shí)：mg-F=ma。

師：我們?cè)賮?lái)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證一下。

學(xué)生再做實(shí)驗(yàn)，得到下蹲和起立時(shí)視重隨時(shí)間變化的圖像如圖2、3所示。隨后通過(guò)兩個(gè)過(guò)程的分析讓學(xué)生總結(jié)超重和失重的產(chǎn)生原因。

本課的另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在于對(duì)完全失重現(xiàn)象的理解，筆者設(shè)計(jì)如下兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，來(lái)讓學(xué)生體驗(yàn)完全失重狀態(tài)物體的特征。

演示實(shí)驗(yàn)1：在氣球中裝入適量的水，球在靜止時(shí)呈水滴形，在自由落體運(yùn)動(dòng)中處于完全失重狀態(tài)，水滴形的水球變成了球形(如圖4)。

圖4

圖5

演示實(shí)驗(yàn)2：礦泉水瓶底端側(cè)部開(kāi)一小孔，當(dāng)?shù)V泉水瓶靜止時(shí)，水流在空中形成拋物線，當(dāng)自由下落時(shí)礦泉水瓶和水都處于完全失重狀態(tài)，讓學(xué)生在礦泉水瓶邊上等候卻不會(huì)被水淋到，如圖5所示。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的取材都是生活中常見(jiàn)的物品，但是卻能清晰展現(xiàn)物理情景，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的理解，同時(shí)能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。筆者認(rèn)識(shí)到：在課堂教學(xué)中，如果能借助身邊的器材，做一些讓學(xué)生能積極參與、又難忘的實(shí)驗(yàn)，一定能獲得更好的教學(xué)效果，讓學(xué)生的創(chuàng)造能力在潛移默化中得到提高。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中對(duì)科學(xué)探究的要求包括：提出物理問(wèn)題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估和反思。通過(guò)本課例實(shí)驗(yàn)的探究和體驗(yàn)，學(xué)生能從超重和失重的現(xiàn)象中，清楚地了解超重和失重的現(xiàn)象，深刻地理解它的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

4 對(duì)比留疑，在科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的形成過(guò)程中感悟核心素養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任方面提出的要求是：在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感。如圖6所示，在航天飛船中，宇航員劉洋和水球是處于完全失重狀態(tài)，水球呈現(xiàn)的是球形；在我們實(shí)驗(yàn)室演示水球自由下落時(shí)，水球也處于完全失重狀態(tài)，所以水球也呈現(xiàn)球形，兩者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是相同的，但是具體原因卻是有區(qū)別的，前者還需要我們?cè)诒匦薅诹隆叭f(wàn)有引力”中繼續(xù)學(xué)習(xí)。在本課例中，我們可以引入劉洋的水球?qū)嶒?yàn)視頻，直接指出兩者存在區(qū)別，同時(shí)不妨留有一定的疑問(wèn)，鼓勵(lì)學(xué)生課后積極嘗試探索，研究?jī)烧叩牟町悺?/p>

圖6

在本課例設(shè)計(jì)中，超重和失重概念的建立滲透了對(duì)學(xué)生物理觀念的培養(yǎng)，超重和失重的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的得出注重了科學(xué)思維的培養(yǎng)，在演示DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)中都強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究的思想，在物理學(xué)現(xiàn)象的分析中讓學(xué)生感悟科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。我們不可能在一節(jié)課中就提升學(xué)生的所有素養(yǎng)，但如果能基于核心素養(yǎng)的導(dǎo)向去設(shè)計(jì)每一節(jié)課，高中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)一定會(huì)有很大的提升。