基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”為例

(嘉興市第五高級中學(xué) 浙江 嘉興 314000)

1 問題的提出

1.1 當(dāng)前物理教學(xué)的現(xiàn)狀

眾所周知，長期以來物理教學(xué)在“效率”和“競爭”的壓力下，課堂儼然變成了知識傳授和解題訓(xùn)練的場所，嚴(yán)重弱化了物理學(xué)科應(yīng)有的學(xué)科教學(xué)功能.主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是課堂教學(xué)知識點(diǎn)過于密集，學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，自主思維能力嚴(yán)重削弱；二是為了加快教學(xué)的進(jìn)度，壓縮知識的形成過程，把結(jié)論當(dāng)成知識，然后進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練；三是課堂教學(xué)只是關(guān)注了學(xué)科知識和技能，忽略了知識背后的觀念、方法和價(jià)值觀的提升.顯然要改變這樣的狀態(tài)，就必須從“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的角度，理解物理學(xué)科的教育功能，追求有學(xué)科內(nèi)涵、立意高遠(yuǎn)的活力課堂[1].

1.2 物理核心素養(yǎng)的界定

所謂物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)[2].通俗地理解，物理核心素養(yǎng)就是德國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者勞厄說過的那句話：教育給予人們的無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都忘記后所剩下的東西.從專業(yè)角度講，物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個(gè)方面的要素構(gòu)成.

2 基于核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 從強(qiáng)化知識與情境關(guān)聯(lián)的角度來構(gòu)建物理觀念

所謂物理觀念，即是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、能量和相互作用的基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華；是運(yùn)用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的能力.本節(jié)通過強(qiáng)化知識與情境的關(guān)聯(lián)，提高學(xué)生把知識與情境進(jìn)行聯(lián)系的自覺性，增強(qiáng)實(shí)踐意識.下面以火車轉(zhuǎn)彎的教學(xué)片段為例進(jìn)行說明.

教學(xué)片段：火車轉(zhuǎn)彎

教師活動(dòng)1：分發(fā)火車車輪與軌道的模具，同時(shí)利用PPT展示車輪與鐵軌的圖片，并提出以下問題:火車車輪有什么結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要使火車在水平面里轉(zhuǎn)彎，則圓周運(yùn)動(dòng)的平面是哪個(gè)？圓心在哪里？由什么力提供了向心力？并畫出受力分析示意圖.

學(xué)生活動(dòng)1：通過觀察發(fā)現(xiàn)，車輪內(nèi)側(cè)有突出的輪緣，軌道將兩車輪的輪緣卡在軌道里面，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于固定火車運(yùn)動(dòng)的軌道；火車是在水平面里做圓周運(yùn)動(dòng)，所受的向心力是由外側(cè)軌道對火車的側(cè)向彈力提供.

教師活動(dòng)2：假設(shè)一節(jié)車廂凈重為80 t左右，一般鐵軌的抗壓能力為3×104N，假設(shè)彎道半徑是300 m，則火車的轉(zhuǎn)彎速度最大為多少？

學(xué)生活動(dòng)2：根據(jù)側(cè)向彈力提供向心力，可知轉(zhuǎn)彎的速度大概只有38 km/h.

教師活動(dòng)3：然而我國動(dòng)車的時(shí)速已經(jīng)達(dá)到300 km/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了剛才計(jì)算所得的最高時(shí)速，那應(yīng)該怎么解決這個(gè)問題呢？關(guān)鍵因素在哪里？提示,是否可以從高速公路在轉(zhuǎn)彎處的傾斜路面得到啟示.

學(xué)生活動(dòng)3：根據(jù)向心力公式，要提高火車車速有3種方法.方案一,增強(qiáng)鐵軌的抗擠壓能力；方案二,增大轉(zhuǎn)彎半徑；方案三,墊高外軌，使鐵軌向內(nèi)傾斜一定角度.

教師活動(dòng)4：方案一和二需要改變軌道的屬性和地理位置，這在實(shí)際情境中是有困難的，所以采用墊高外軌的方法，確實(shí)可以很好地解決這個(gè)問題，那么火車在傾斜的鐵軌上轉(zhuǎn)彎時(shí)，受到哪些力的作用呢？圓心在哪里？如何做出受力分析圖？

學(xué)生活動(dòng)4：火車受到牽引力、重力、彈力和摩擦力的作用，其中彈力與重力的合力用來提供向心力，受力分析如圖1所示.

圖1 火車受力分析示意圖

教師活動(dòng)5：確定了圓心位置就確定了合力的方向，在已知轉(zhuǎn)彎半徑和內(nèi)外軌道高度差對應(yīng)傾角的基礎(chǔ)上，表達(dá)出火車轉(zhuǎn)彎時(shí)規(guī)定的安全速度v0(此時(shí)，向心力恰好由重力和彈力的合力提供，輪緣與鐵軌之間無側(cè)向的擠壓力).

教師活動(dòng)6：如果火車在轉(zhuǎn)彎處的速度不等于安全速度，那么輪緣與鐵軌之間的力會(huì)發(fā)生怎樣的情況？

學(xué)生活動(dòng)6：當(dāng)v>v0時(shí)，輪緣受到外軌向內(nèi)的彈力；當(dāng)v

教學(xué)反思：(1)因?yàn)槲覀兊哪康氖窍Ｍㄟ^情境與知識的關(guān)聯(lián)來構(gòu)建物理觀念，所以就要讓學(xué)生對實(shí)際的情境有清晰的認(rèn)識，但事實(shí)上很多同學(xué)沒有坐過火車，或者沒有仔細(xì)觀察過火車車輪與鐵軌的結(jié)構(gòu)，因此準(zhǔn)備了火車車輪與軌道的模具，幫助學(xué)生理解情景；(2)在對車廂進(jìn)行受力分析時(shí)，很多教師僅僅分析了重力、支持力和鐵軌對火車的彈力，這只是在預(yù)設(shè)結(jié)果的前提下進(jìn)行的分析，對于學(xué)生而言他們還關(guān)心車廂與車廂之間的牽引力，車輪與鐵軌之間的摩擦力.所以從實(shí)際情境和知識關(guān)聯(lián)的角度，教師并不應(yīng)該避開這些問題，而是要對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，哪些力對問題的解決有貢獻(xiàn)； (3)正確理解合外力與向心力之間的關(guān)系時(shí)，我們可以讓學(xué)生聯(lián)系生活中的供需關(guān)系，在明確火車做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)受力情況的基礎(chǔ)上，理解公式的內(nèi)涵，從鐵軌能提供多大的力和火車轉(zhuǎn)彎需要多大的向心力的角度來理解，從而弄清楚供需關(guān)系，這為圓周、近心、離心運(yùn)動(dòng)的理解提供了思維上的準(zhǔn)備；(4)在外軌比內(nèi)軌高的情況下，學(xué)生對于火車轉(zhuǎn)彎的軌道平面是在水平平面內(nèi)，還是在斜面平面內(nèi)難以想象(圖2).

圖2 火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的軌道平面示意圖

教師可以通過展示漏斗的模型，讓一個(gè)小球在漏斗里轉(zhuǎn)動(dòng)(圖3)，觀察小球的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)小球的運(yùn)動(dòng)平面在水平面上.

圖3 小球在漏斗中轉(zhuǎn)動(dòng)模型示意圖

2.2 從運(yùn)動(dòng)過程模型建構(gòu)的角度來鍛煉科學(xué)思維

所謂科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).

關(guān)于模型構(gòu)建，《課程標(biāo)準(zhǔn)》有5個(gè)層次的要求，其中第4個(gè)層次提出了“能將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型”，從這個(gè)角度理解，火車轉(zhuǎn)彎的問題分析，其實(shí)就是一個(gè)建模的過程.事實(shí)上，水平面的圓周運(yùn)動(dòng)模型，還有很多變式，列舉如下.

變式1：(汽車轉(zhuǎn)彎)如圖4所示，汽車向左拐彎，左側(cè)的路面比右側(cè)的路面低一些.汽車的運(yùn)動(dòng)可看作是做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng).設(shè)內(nèi)外路面高度差為h，路基的水平寬度為d，路面的寬度為L.已知重力加速度為g.要使車輪與路面之間的橫向摩擦力等于零，求汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的車速.

圖4 汽車轉(zhuǎn)彎示意圖

變式2：(花樣滑冰)如圖5所示，花樣滑冰表演時(shí)，女運(yùn)動(dòng)員被男運(yùn)動(dòng)員拉著離開冰面在空中做水平方向的勻速圓周運(yùn)動(dòng).已知通過目測估計(jì)拉住女運(yùn)動(dòng)員的男運(yùn)動(dòng)員的手臂和水平冰面的夾角約為45°，重力加速度為g=10 m/s2，若已知女運(yùn)動(dòng)員的體重為35 kg，據(jù)此可估算該女運(yùn)動(dòng)員受到的拉力為多大？

圖5 花樣滑冰

變式3：(碗壁轉(zhuǎn)球)如圖6所示，一個(gè)豎直放置的圓錐筒可繞其中心OO′轉(zhuǎn)動(dòng)，筒內(nèi)壁粗糙，筒口半徑和高分別為R和H，筒內(nèi)壁A點(diǎn)的高度為高的一半.內(nèi)壁上有一質(zhì)量為m的小物塊隨圓錐一起做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為多少時(shí)，小物塊不受摩擦力的作用.

圖6 碗壁轉(zhuǎn)球示意圖

變式4：(圓錐擺)如圖7所示，兩根細(xì)線上端固定在S點(diǎn)，下端各連一小鐵球，讓小鐵球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此裝置構(gòu)成圓錐擺，如果改變兩小球的角速度，使兩者恰好在同一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，判斷兩球的角速度大小.

圖7 圓錐擺示意圖

變式5：(錐面擺)光滑圓錐體固定在水平面上，頂角為θ，一條長為L的輕繩一端固定在錐頂點(diǎn)，另一端固定質(zhì)量為m的小球，以速度v繞圓錐體軸線在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)v為多大時(shí)，小球?qū)﹀F面的壓力始終為零？

變式6：(空軌列車)如圖8所示，空軌列車是單軌式單軌道交通系統(tǒng)，軌道在電車上方.空軌機(jī)車具有不占用地面空間、有效緩解交通壓力等優(yōu)勢，造價(jià)約為地鐵的五分之一，是一種環(huán)保低碳零污染的出行方式.每節(jié)車廂限載13 t，最高通過時(shí)速50 km/h，側(cè)向通過速度15 km/h，曲線半徑50 m.估算轉(zhuǎn)彎時(shí)懸掛臂的拉力大??？

圖8 空軌列車

教學(xué)反思：(1)在變式展示時(shí)，可以考慮將1，2，3這3個(gè)問題同時(shí)呈現(xiàn)，通過臨界條件分析和矢量關(guān)系圖可知：重力與支持力的合力提供了向心力，進(jìn)而由幾何關(guān)系得到

圖9 變式訓(xùn)練分析示意圖

2.3 從創(chuàng)造真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境的角度來培養(yǎng)科學(xué)探究

所謂科學(xué)探究是指具有科學(xué)探究的意識，能在真實(shí)情境中提出物理問題，形成猜測和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取信息和處理信息，形成結(jié)論，以及對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.

科學(xué)探究的表現(xiàn)之一即為：具有分析論證的能力，會(huì)使用不同方法和手段分析、處理信息，描述、解釋探究結(jié)果和變化趨勢.本節(jié)的課堂教學(xué)中以下面幾個(gè)實(shí)驗(yàn)為例來說明這一點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)1：展示凹凸橋演示器，如圖10所示，首先把小球放在最高點(diǎn)，記下這時(shí)鋼球的重力，然后接通電磁鐵電源，把鋼球放在電磁鐵處，使其被電磁鐵吸著，斷開電磁鐵電源，觀察鋼球的運(yùn)動(dòng)和對應(yīng)臺(tái)秤指針的情況，把觀察到的數(shù)據(jù)變化和理論計(jì)算互相驗(yàn)證.

圖10 凹凸橋演示器

實(shí)驗(yàn)2：在研究火車轉(zhuǎn)彎時(shí)，展示漏斗的模型，觀察小球在漏斗內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析小球在漏斗剖面上的受力分析，從而確定了火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的圓心.

實(shí)驗(yàn)3：離心機(jī)沉淀器的應(yīng)用，如圖11所示，首先簡單介紹離心機(jī)的工作原理，然后用CuCl2和NaOH，反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀物Cu(OH)2，并用水稀釋，攪拌后分別裝入2個(gè)試管，一個(gè)傾斜放入離心機(jī)，一個(gè)靜置.實(shí)驗(yàn)結(jié)論發(fā)現(xiàn)，離心沉淀比重力要快.同時(shí)還可以介紹宇航員利用離心機(jī)進(jìn)行的超重訓(xùn)練.

教學(xué)反思：實(shí)驗(yàn)探究的目的是要讓學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)工作者相似的探究過程，從而領(lǐng)悟科學(xué)探究方法，發(fā)展實(shí)驗(yàn)探究技能，能夠提出問題，形成假設(shè)，并通過科學(xué)方法檢驗(yàn)求證，得出結(jié)論，體驗(yàn)探究的樂趣，養(yǎng)成勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神.在探究中要防止“假探究”和“放任自流”兩種極端傾向.正確處理“指導(dǎo)”和“自主”的關(guān)系，不要出現(xiàn)原本課堂上五分鐘就能講清楚的內(nèi)容，變成讓學(xué)生去“探究”，可能會(huì)花到五天的時(shí)間，甚至采用“小組探究”，全組探究了五天，結(jié)果差的學(xué)生什么也沒探究出來，好的學(xué)生浪費(fèi)了大量的寶貴時(shí)間.

圖11 離心機(jī)沉淀器

2.4 從理論與實(shí)際相結(jié)合的角度來彰顯科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

所謂科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(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)上形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心.

在本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中，其主要表現(xiàn)在能主動(dòng)與他人合作，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威，能基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的見解，熱愛生活、珍惜生命.這些都滲透在下面的教學(xué)片段之中.

教學(xué)片段2：在完成課堂分組實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要同學(xué)們之間的相互合作，可以培養(yǎng)學(xué)生相互合作，通過溝通解決問題的能力.

教學(xué)片段3：在討論離心現(xiàn)象時(shí)，教師列舉了大量生活中的離心現(xiàn)象，有的是利用了離心現(xiàn)象，有的是為了防止離心現(xiàn)象.這就辯證地告訴我們，凡事都有兩面性，雖然物理規(guī)律是客觀存在的，但如何運(yùn)用物理規(guī)律為我們的生產(chǎn)生活帶來幫助，而不是破壞，這才是根本重要的問題.

教學(xué)反思：“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”顧名思義就是要與生活融通，所以在教學(xué)設(shè)計(jì)中，要確定以人為中心的意識，例如在分析汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，就要注重珍惜生命的教育.在教學(xué)方法上要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的感悟、體驗(yàn)和實(shí)踐.在教學(xué)過程中，不能“為知識而知識”，也不能機(jī)械性地植入所謂的情感教育和愛國主義教育，而是應(yīng)該將知識作為育人的載體，充分挖掘知識建構(gòu)過程中蘊(yùn)含的情感因素和內(nèi)在價(jià)值，通過相應(yīng)的活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)烈的愛國情懷，積極的人生態(tài)度，實(shí)事求是的科學(xué)精神.

3 結(jié)束語

基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，要求我們將物理課程的教育目標(biāo)定位在學(xué)生終身發(fā)展的行為習(xí)慣和關(guān)鍵能力的養(yǎng)成，改革教學(xué)的方法和過程，關(guān)注學(xué)生個(gè)體知識的構(gòu)建和應(yīng)用[3].整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)從火車脫軌的事故情境中引入，基于真實(shí)的場景，設(shè)計(jì)多種駕駛火車的安全措施.通過汽車過凹凸橋和離心現(xiàn)象的分析，引導(dǎo)學(xué)生通過對生活及各種現(xiàn)象的判斷質(zhì)疑，辨析，培養(yǎng)自身的科學(xué)思維，在自主探究的過程中養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.同時(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)以生活中的圓周運(yùn)動(dòng)為明線，以安全行駛為暗線，滲透尊重自然、尊重生命的科學(xué)責(zé)任感.使物理課堂真正成為培育學(xué)生核心素養(yǎng)的良好平臺(tái)，為學(xué)生的終身發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！