唐珊珊?李衛(wèi)東
摘 要:新課標(biāo)倡導(dǎo)教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo),筆者基于物理學(xué)科核心素養(yǎng),從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度出發(fā),設(shè)計(jì)了“力的合成”教學(xué)方案,對(duì)人教版教材順序做出調(diào)整,補(bǔ)充了“力的合成定則的計(jì)算法——余弦定理”。并在此基礎(chǔ)上,著重討論了在教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、發(fā)展學(xué)生物理思維品質(zhì),從而全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);教材編排
一、設(shè)計(jì)意圖
“力的合成”是人教版高中物理必修1第三章第四節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)課前,學(xué)生學(xué)習(xí)了速度、加速度、位移等矢量,又學(xué)習(xí)了常見的三種力,即重力、彈力、摩擦力,“力的合成”是學(xué)生第一次接觸矢量合成,這對(duì)高一學(xué)生有一定的挑戰(zhàn)性。如何使學(xué)生在共線力合成的基礎(chǔ)上理解存在夾角的兩個(gè)力的合成法則是本節(jié)課需要解決的難題。
二、教學(xué)目標(biāo)
知識(shí)目標(biāo):理解合力、分力、共點(diǎn)力的概念,掌握并能熟練應(yīng)用平行四邊形法則。
能力目標(biāo):自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,能夠利用力的圖示表示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,能夠利用多組實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出力的合成所遵循的運(yùn)算法則。
態(tài)度目標(biāo):通過實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,以生活實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理問題、解決物理問題的能力。
三、教學(xué)重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn):理解合力、分力的概念,掌握平行四邊形法則。
教學(xué)難點(diǎn):平行四邊形法則的理解。
四、教學(xué)過程
本節(jié)課包括兩個(gè)內(nèi)容, 人教版教材編排順序先是“力的合成”,再是“共點(diǎn)力”,但實(shí)際上只有作用在同一個(gè)物體上的幾個(gè)力才能合成,也就是說“力的合成”是以“共點(diǎn)力”為基礎(chǔ)的。所以,在教學(xué)中,我們可以對(duì)教材內(nèi)容順序進(jìn)行調(diào)整,在講“力的合成”之前,先講“共點(diǎn)力”的概念,再以“等效替代”的思想為“力的合成”的切入點(diǎn),引出“合力”“分力”的概念,由此展開本節(jié)課的內(nèi)容。
1.創(chuàng)設(shè)情境,引入新課
【教師活動(dòng)】創(chuàng)設(shè)情境:由生活經(jīng)驗(yàn),一桶水一個(gè)人可以提,也可以兩個(gè)人一起抬,也就是說,兩個(gè)人對(duì)水桶的作用與一個(gè)人對(duì)桶的作用效果是相同的,一個(gè)力的作用效果可以用兩個(gè)力代替,這種等效替代的關(guān)系就是我們這節(jié)課要學(xué)的合力與分力的關(guān)系。其中,一個(gè)力就叫作這兩個(gè)力的合力,兩個(gè)力就叫作這一個(gè)力的分力。
【提出問題】兩個(gè)人合作提水比一個(gè)人更省力,反問學(xué)生,兩個(gè)人合作提水一定更省力嗎?
【學(xué)生活動(dòng)】教師反問引起學(xué)生懷疑,有的學(xué)生可能會(huì)反應(yīng)過來不一定更省力,但大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為兩人合作抬水比一人提水更省力。
【教師活動(dòng)】用彈簧測(cè)力計(jì)模擬這一情景,先用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)提起重物,找一個(gè)學(xué)生讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù),再用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)提起重物(直接使得兩個(gè)測(cè)力計(jì)成較大夾角),分別讀出此時(shí)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。比較兩次提起重物時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù),發(fā)現(xiàn)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)提起重物時(shí),示數(shù)均大于一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)提起重物的示數(shù)。說明:兩個(gè)人合作提水有可能比一個(gè)人提水更費(fèi)力。(引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突)
【教師活動(dòng)】逐漸減小兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)之間的夾角,觀察此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù),并與前兩次做比較。
【學(xué)生活動(dòng)】讀出此時(shí)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)均小于前兩次提起重物時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。說明:兩個(gè)人提水有可能比一個(gè)人提水更省力。
【教師總結(jié)】也就是說,合力的大小可能大于分力,也有可能小于分力,引出本節(jié)課的重難點(diǎn),即探究合力與分力之間的關(guān)系。
2.自主實(shí)驗(yàn),探究規(guī)律
請(qǐng)學(xué)生以小組為單位,根據(jù)所提供的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。
【實(shí)驗(yàn)器材】木板一塊、彈簧秤兩個(gè)、細(xì)繩若干條、橡皮筋一條、鉤碼若干、白紙、鉛筆、直尺、量角器、磁鐵等。
【學(xué)生活動(dòng)】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn):
(1)在圖板上固定好一張白紙,將橡皮筋的一端固定在A處,過A畫一條標(biāo)記線AB。
(2)用兩個(gè)測(cè)力計(jì)鉤住橡皮筋下端的線圈,對(duì)稱地把橡皮筋下端拉到O,標(biāo)好O點(diǎn)位置(注意:橡皮筋要與標(biāo)線重合),記下夾角θ和拉力 F1、F2的大小。
(3)改用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)把橡皮筋下端同樣拉至O點(diǎn),記下拉力F的大小。
(實(shí)驗(yàn)過程兩個(gè)分力夾角的取值可從特殊(如120°、90°)到一般,取特殊角便于分析和得出合力與分力的關(guān)系,由特殊到一般也符合我們學(xué)習(xí)的規(guī)律。)
【教師活動(dòng)】引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在紙上,取其中三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。分析如下:三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別是菱形、矩形、平行四邊形,用力的圖示表示出合力與分力,觀察力的圖示,如圖1所示。
【學(xué)生活動(dòng)】菱形和矩形都是特殊的平行四邊形。所以三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:合力與分力可以分別用平行四邊形的一組鄰邊和對(duì)角線表示。
【教師活動(dòng)】總結(jié):通過以上實(shí)驗(yàn),合力與分力之間滿足平行四邊形定則,即兩個(gè)共點(diǎn)力的合力,可以用表示這兩個(gè)分力的線段為鄰邊構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線表示,這就叫作力的平行四邊形定則。
3.數(shù)物結(jié)合,定則量化
【教師活動(dòng)】通過實(shí)驗(yàn)得到了合力與分力之間遵循平行四邊形定則,分力夾角為特殊角(90°或120°)時(shí),很容易計(jì)算出合力的大小,當(dāng)兩個(gè)分力的夾角為任意值時(shí),如何計(jì)算合力的大?。?/p>
由圖2易得F合=F12+F22=2F1F2Fcosθ,這其實(shí)就是數(shù)學(xué)上的余弦定理的形式c2=a2+b2+2abcosθ,也就是說,在已知二力大小及其夾角的情況下就可以求得合力的大小。
綜上,在已知兩個(gè)分力的情況下,由平行四邊形定則可以找到兩個(gè)分力的合力,通過余弦定理可以計(jì)算出合力的大小。
4.結(jié)合實(shí)際,應(yīng)用規(guī)律
【教師活動(dòng)】播放利用千斤頂抬起汽車的視頻,請(qǐng)學(xué)生觀察并分析千斤頂可以幫助人以省力的方式抬起重物的原因。
【學(xué)生活動(dòng)】仔細(xì)觀察,作出千斤頂工作時(shí)的力的示意圖,表示合力與分力的關(guān)系,分析它省力的原因。
5.思維遷移,升華主題
力是矢量,“力的合成”是矢量求和的運(yùn)算,通過上面的探究,我們已經(jīng)得出力的合成遵循平行四邊形定則。相對(duì)于以前學(xué)習(xí)的標(biāo)量求和的簡單運(yùn)算,矢量的運(yùn)算則需要考慮方向和夾角的問題。實(shí)際上,平行四邊形定則不僅適用于力的合成,它也是所有矢量合成的定則。本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)也為我們學(xué)習(xí)速度、加速度、位移等矢量以及運(yùn)動(dòng)的合成打下基礎(chǔ)。
五、基于核心素養(yǎng)的提升的教學(xué)設(shè)計(jì)
1.從核心概念到物理觀念
物理觀念是學(xué)生理解自然現(xiàn)象本質(zhì)的基礎(chǔ),是學(xué)生對(duì)物理概念和物理規(guī)律等在大腦的提煉和升華。在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前,學(xué)生在初中時(shí)期學(xué)習(xí)過共線。力的合成,同向相加,反向相減。學(xué)生容易形成合力總是大于分力的前概念,所以在教學(xué)的引入環(huán)節(jié)用彈簧測(cè)力計(jì)模擬提水的生活情景,得出合力也有可能小于分力,使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,引發(fā)其學(xué)習(xí)探究的興趣。結(jié)合生活實(shí)例,引發(fā)認(rèn)知沖突,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的飛躍,形成正確的物理觀念。
2.從實(shí)驗(yàn)探究到科學(xué)思維
在探究力的合成規(guī)律時(shí),用彈簧測(cè)力計(jì)等實(shí)驗(yàn)用具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典又簡單的探究方法,我們要注意的是,在用力的圖示記錄和表示每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí),盡可能做到準(zhǔn)確,因?yàn)閷?duì)記錄結(jié)果的分析是得出規(guī)律的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)誤差較大有可能使實(shí)際結(jié)果偏離理論結(jié)果。另外,在分力夾角的取值上,除特殊角(120°、90°)外,鼓勵(lì)學(xué)生自由選擇夾角多進(jìn)行幾組實(shí)驗(yàn)。在分析記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí),教師要引導(dǎo)學(xué)生從特殊角入手,觀察分力與合力的關(guān)系,初步得出合力的大小可用以分力為鄰邊形成的平行四邊形的對(duì)角線來表示,然后用非特殊角的幾次實(shí)驗(yàn)的力的圖示去驗(yàn)證,排除特殊角得出結(jié)果的偶然性,使結(jié)論具有普遍意義,歸納總結(jié)出平行四邊形定則。
教師在引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析處理、歸納總結(jié)得出規(guī)律的過程中,可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和對(duì)科學(xué)探究的過程和結(jié)果進(jìn)行交流、反思的能力。
3.從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任到回歸生活
核心素養(yǎng)下的物理教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境存在的相互關(guān)系。將理論規(guī)律應(yīng)用于分析千斤頂力學(xué)實(shí)質(zhì),實(shí)現(xiàn)從課本回歸到生活,拉近了物理與生活的距離,讓學(xué)生明白物理知識(shí)從課本中來,但最終還是要回到生活中去,培養(yǎng)學(xué)生觀察生活,關(guān)注科學(xué)技術(shù)的習(xí)慣。
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作者簡介:唐珊珊(1993— ),女,陜西商洛人,碩士在讀,研究方向:課程與教學(xué)論(物理);
李衛(wèi)東(1957— ),男,陜西米脂人,教授,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向:物理教育教學(xué)。