促進(jìn)深度學(xué)習(xí) 提升核心素養(yǎng)
——以“牛頓第二定律的應(yīng)用”為例

章維輝

(柘榮縣第一中學(xué) 福建 寧德 355300)

教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)明確指出，高中物理旨在落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會的發(fā)展.物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面.為了提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)，必須將學(xué)生由淺層學(xué)習(xí)引向深度學(xué)習(xí).高中物理深度學(xué)習(xí)就是對物理概念或規(guī)律進(jìn)行深入探究，透過知識表層，達(dá)到知識的遷移與靈活應(yīng)用，并能創(chuàng)造性解決問題的認(rèn)知策略.本文以牛頓第二定律的應(yīng)用為例，談?wù)勅绾未龠M(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，達(dá)到提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo).

1 呈現(xiàn)知識導(dǎo)圖 讓深度學(xué)習(xí)成為可能

利用知識導(dǎo)圖有利于學(xué)生深入理解物理概念和規(guī)律的內(nèi)涵與外延，有利于學(xué)生對知識的整合與建構(gòu)，為深度學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律，其知識導(dǎo)圖如圖1所示.

圖1 牛頓第二定律知識導(dǎo)圖

2 精選典型例題 使深度學(xué)習(xí)能夠進(jìn)行

物理學(xué)科核心素養(yǎng)離不開物理知識，但單純的知識不等于素養(yǎng).只有從物理學(xué)視角在具體情境中應(yīng)用知識解決實(shí)際問題所形成的物理觀念、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)思維等，才是物理學(xué)科核心素養(yǎng).因此，創(chuàng)設(shè)問題情境，精選典型例題尤為重要；只有這樣，深度學(xué)習(xí)才能得以進(jìn)行，核心素養(yǎng)才能得以提升.

2.1 立足基礎(chǔ) 多角度探究方法

選擇有一定模型，并能從多角度解決的典型例題，能有效促進(jìn)學(xué)生對物理概念或規(guī)律的深度學(xué)習(xí)，有利于物理知識的建構(gòu)和學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

【例1】如圖2所示，質(zhì)量為M,傾角為θ的粗糙斜面放在水平地面上，質(zhì)量為m的物塊沿斜面勻速下滑，現(xiàn)給物塊施加一個(gè)方向沿斜面向下的推力F，使其加速下滑，在此過程中，斜面保持靜止，求地面對斜面體的摩擦力.

圖2 例1題圖

解法1：(隔離法、分解法)對物塊，在未施加力F時(shí)，受力分析如圖3所示，物塊沿斜面勻速下滑，則有

f1=mgsinθN1=mgcosθ

圖3 例1解法1物塊受力分析

施加力F后，N1和f1均無變化，設(shè)地面對斜面體的摩擦力為f2，斜面體的受力如圖4所示，其中

圖4 例1解法1斜面體受力分析

在水平方向上有

mgsinθcosθ-mgcosθsinθ=0

即地面對斜面體的摩擦力為零.

圖5 例1解法2受力分析

解法3:(整體法)以整體為對象，設(shè)地面對斜面體的摩擦力為f，受力分析如圖6所示.

圖6 例1解法3受力分析

圖7 例1解法3加速度分解

因此，水平方向和豎直方向的加速度分別為

和

對整體，在水平方向上，根據(jù)牛頓第二定律可得

Fcosθ-f=ma1

f=Fcosθ-ma1=

以上3種解法從不同角度入手，達(dá)到鞏固、深化、活化牛頓第二定律的目的，使定律在頭腦中得到提煉與升華，有效培養(yǎng)了學(xué)生思維的靈活性和廣闊性.

2.2 循序漸進(jìn) 批判性選擇策略

對原題中條件做稍微的變化，可延伸出更多相似或相關(guān)的新問題，不僅能遷移、鞏固之前所學(xué)習(xí)的解題思路與方法，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

【變式1】在例1中，若對物塊施加的力F，方向改為豎直向下，其余條件不變，求地面對斜面體的摩擦力.

同樣可以用例1中的3種方法求解，比較容易得到地面對斜面體的摩擦力為零，在此不再贅述.然而對這3種解法進(jìn)行比較會發(fā)現(xiàn)，在不涉及系統(tǒng)內(nèi)力的情況下，選擇整體法會快捷一些.

【變式2】在例1中，若對物塊施加的力F，方向改為與斜面成α角斜向上，如圖8所示，給物塊一個(gè)初速度，仍使它沿斜面下滑，其余條件不變，求地面對斜面體的摩擦力.

圖8 變式2題圖

定性判斷：在不施加力時(shí)，物塊沿斜面勻速下滑，物塊對斜面體的壓力和摩擦力的合力豎直向下，在物塊上施加力后, 物塊對斜面體的壓力發(fā)生變化，只要物塊能沿斜面下滑，摩擦力也發(fā)生同比例的變大或變小，壓力和摩擦力的合力還是豎直向下，地面對斜面體的支持力豎直向上，斜面體在水平方向不受力，所以地面對斜面體的摩擦力為零.

定量計(jì)算：對物塊，在未施加力F時(shí)，物塊沿斜面勻速下滑，則有

mgsinθ=μmgcosθ

施加力F后受力分析如圖9所示,以沿斜面向上為正方向，根據(jù)牛頓第二定律，沿斜面方向有

Fcosα+f1-mgsinθ=ma

其中

f1=μ(mgcosθ-Fsinα)

聯(lián)立以上各式解得

圖9 定量計(jì)算物塊受力分析

將加速度a沿水平方向和豎直方向分解如圖10所示，以整體為對象，設(shè)地面對斜面體的摩擦力為f2,受力分析如圖11所示，根據(jù)牛頓第二定律有

圖10 定量計(jì)算加速度分解

圖11 定量計(jì)算整體受力分析

3 反思提升 創(chuàng)造性解決問題

【變式3】如圖12所示，質(zhì)量為M,傾角為θ的粗糙斜面放在水平地面上，質(zhì)量為m的物塊沿斜面以加速度a加速下滑,斜面保持靜止，求地面對斜面體的支持力和摩擦力.

基于傳統(tǒng)建筑施工中，通會將兩側(cè)次間縮小，以此來應(yīng)對地震的發(fā)生。中國古代建筑通常是由梁架、臺基、梁架構(gòu)成，高等級建筑施工設(shè)計(jì)時(shí)會對斗拱層進(jìn)行設(shè)置，從而避免建筑基礎(chǔ)被破壞。中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑施工中通常會采用抬梁式構(gòu)造，基于構(gòu)架垂直狀態(tài)下形成下大上小的結(jié)構(gòu)，這是由于該結(jié)構(gòu)控制性能較好。通過相關(guān)研究不難發(fā)現(xiàn)，在我國古代建筑中大屋頂也是一個(gè)十分顯著的特點(diǎn)，實(shí)際上，大屋頂?shù)男纬蓪?gòu)件的需求量較大，具有一定復(fù)雜性，通過大量構(gòu)件的運(yùn)用使屋頂整體性充分增加，為抗震作出了巨大貢獻(xiàn)，促進(jìn)構(gòu)架穩(wěn)定性的提升。

圖12 變式3題圖

錯(cuò)解：將加速度a沿水平方向和豎直方向分解如圖13所示，以整體為對象，受力分析如圖14所示，在水平方向上，根據(jù)牛頓第二定律有：地面對斜面體的摩擦力

f=(M+m)acosθ

圖13 變式3加速度分解

圖14 變式3整體受力分析

當(dāng)學(xué)生這樣解時(shí)，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)他們深度思考：加速度a是整體的加速度，還是物塊個(gè)體的加速度呢？如果是物塊的加速度能用到整體上嗎？

正解：錯(cuò)解中的加速度分解和受力分析是正確的，在水平方向上，根據(jù)牛頓第二定律有

f=macosθ

在豎直方向上，根據(jù)牛頓第二定律有

(M+m)g-N=masinθ

N=(M+m)g-masinθ

應(yīng)用牛頓第二定律解決問題時(shí)加速度“張冠李戴”是學(xué)生經(jīng)常犯的錯(cuò)誤，問題解決后要求學(xué)生對解題思路與方法進(jìn)行歸納、總結(jié)、反思，并將相似或相同類型的試題進(jìn)行比較，如例1與變式3，在例1中，在沒有外力F時(shí)物塊勻速下滑，當(dāng)受到外力F后沿斜面以加速度a下滑；在變式3中，物塊自身以加速度a加速下滑，二者存在本質(zhì)區(qū)別.只有通過對比分析、反思提升，才能達(dá)到創(chuàng)造性解決問題的目標(biāo)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)才能得以發(fā)展.

【例2】如圖15所示，在裝有密度為ρ0液體的容器中，有一個(gè)密度為ρ1的小球，在小球加速上浮的過程中，桌面受到的壓力為N,已知ρ0>ρ1,液體及容器的總重為G0,小球重為G1,則有( )

A.N>G0+G1

B.N

C.N=G0+G1

D.無法確定

圖15 例2題圖

解析：(1)定性判斷.小球加速上浮的過程，處于超重狀態(tài)，有相同體積的液體加速下沉，處于失重狀態(tài)，由于ρ0>ρ1，失重產(chǎn)生的效果強(qiáng)于超重產(chǎn)生的效果，故選B.

(2)定量計(jì)算.設(shè)小球上浮的加速度為a，與小球相同體積的液體以加速度a下沉，以整體為對象，以向上為正，根據(jù)牛頓第二定律有

因?yàn)?/p>

ρ0>ρ1

所以

N

4 完善評價(jià)體系 讓深度學(xué)習(xí)能夠延續(xù)

評價(jià)具有導(dǎo)向功能，為了促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)目標(biāo)明確、主體多元、方法多樣、結(jié)果和過程并重的物理課程評價(jià)體系.

首先，評價(jià)指向?qū)W生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).如牛頓第二定律應(yīng)用，根據(jù)學(xué)生問題解決的實(shí)際情況，從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的態(tài)度和效果、思維品質(zhì)以及交流與反思的能力等，制成“教師觀測量表”.

其次，除了教師的評價(jià)外，也要重視學(xué)生的自評(自我檢查清單)和互評，學(xué)生自評有利于自我激勵(lì)和調(diào)節(jié)，關(guān)注學(xué)生個(gè)性差異，關(guān)注從不同角度、創(chuàng)造性解決問題的思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生自我監(jiān)控和自我管理的能力，很好地解決了教師觀測不到位的問題；學(xué)生互評關(guān)注同學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和長處，相互取長補(bǔ)短，達(dá)到共同發(fā)展的目標(biāo).

再次，評價(jià)要重視學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的發(fā)展性評價(jià)，不僅對問題解決所獲得的結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，而且重視對得出結(jié)論的過程進(jìn)行評價(jià).即使學(xué)生得出的結(jié)論是錯(cuò)誤的，也要對其思維過程進(jìn)行準(zhǔn)確、合理的評價(jià)，通過師生間的互動(dòng)、引導(dǎo)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中不斷轉(zhuǎn)變和得到發(fā)展.如變式3中的錯(cuò)解，雖然結(jié)果是錯(cuò)誤的，但是在問題解決過程中有幾點(diǎn)值得肯定：用整體法對整體進(jìn)行受力分析；將加速度沿水平方向和豎直方向進(jìn)行分解，在水平方向上根據(jù)牛頓第二定律列式.同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因，再次解決，教師再度評價(jià).

最后，不同層次的學(xué)生應(yīng)具有不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，讓不同水平的學(xué)生都能進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，得到發(fā)展.通過及時(shí)、準(zhǔn)確、持續(xù)的評價(jià)將學(xué)生引向深度學(xué)習(xí).

深度學(xué)習(xí)解決了物理“聽得懂不會做”的問題，培養(yǎng)了學(xué)生批判性思維、創(chuàng)造性思維和反思能力，是高效提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的認(rèn)知策略.