指向?qū)W生“物理觀念”形成與發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐
——以人教版高中物理必修1“彈力”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

左祥勝 吳春峰

(江蘇省宿遷中學(xué)，江蘇 宿遷 223800)

1 問(wèn)題提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》明確提出在高中物理教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．物理核心素養(yǎng)就是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力．學(xué)生素養(yǎng)的養(yǎng)成既是課程改革的目標(biāo),也是社會(huì)發(fā)展的必然要求．物理核心素養(yǎng)由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”、“實(shí)驗(yàn)探究”4個(gè)要素組成．其中,“物理觀念”處于物理核心素養(yǎng)的首要位置,因?yàn)?“物理觀念”既是其他核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的基礎(chǔ),又是原來(lái)三維目標(biāo)中的“知識(shí)與技能”的提煉和升華．“物理觀念”在物理教學(xué)中的地位與作用,可以用德國(guó)物理學(xué)家勞厄一句話來(lái)闡述,“教育給予人們的無(wú)非是當(dāng)一切已學(xué)過(guò)的東西都忘記后所剩下的東西．”“物理觀念”就是知識(shí)逐漸淡化甚至遺忘后所“剩下的東西”的東西．

2 指向?qū)W生“物理觀念”形成與發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)

物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過(guò)物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)及運(yùn)用才能逐步形成的．學(xué)習(xí)概念和規(guī)律是學(xué)生形成物理觀念的有機(jī)組成部分.通過(guò)對(duì)物理概念和規(guī)律的逐步學(xué)習(xí)、系統(tǒng)反思和遷移應(yīng)用,可促進(jìn)學(xué)生的物理觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念不斷發(fā)展,使其學(xué)會(huì)這些觀念解釋自然現(xiàn)象,解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題．指向?qū)W生“物理觀念”形成與發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì),就是在教學(xué)過(guò)程中要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程,創(chuàng)設(shè)與生活相關(guān)聯(lián)的真實(shí)情境,注重科學(xué)方法滲透,突出實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)的地位與作用,促進(jìn)學(xué)生自主、合作、探究地學(xué)習(xí)．這就迫使我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中,要牢固樹(shù)立知識(shí)學(xué)習(xí)服務(wù)于學(xué)科觀念建構(gòu)的意識(shí),摒棄“知識(shí)為本”的短期行為．

教學(xué)實(shí)施過(guò)程.

教學(xué)情景1(了解學(xué)情,教學(xué)更有針對(duì)性):熟知初中物理教材,適時(shí)適度推進(jìn)學(xué)生認(rèn)知進(jìn)階.

在蘇科版義務(wù)教育教科書(shū)8年級(jí)下冊(cè)物理教材中,有一節(jié)“力 彈力”的教學(xué)內(nèi)容,教材從力的概念講起,讓學(xué)生明確什么是施力物體、什么是受力物體;了解形變的概念,知道彈性形變(形變的物體在撤去外力后能恢復(fù)原狀);彈力的概念(物體發(fā)生彈性形變后,力圖恢復(fù)其原來(lái)的形狀,而對(duì)另一物體產(chǎn)生力,這個(gè)力叫做彈力);介紹了彈簧測(cè)力計(jì)構(gòu)造,原理及使用方法,力的大小可以用彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量．教材中并沒(méi)有提到彈力方向和胡克定律．看來(lái),學(xué)生在進(jìn)入高中之前對(duì)彈力的概念已經(jīng)有了初步的了解,但對(duì)如何求彈力大小和方向還不明確．因此,本節(jié)課的教學(xué)應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo):知道常見(jiàn)的形變,通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解物體的彈性;知道彈力產(chǎn)生的原因和條件;知道壓力、支持力和繩的拉力都是彈力,會(huì)分析彈力的方向;通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究彈力和彈簧形變量的關(guān)系,理解胡克定律．

教學(xué)情景2(體驗(yàn)彈力的產(chǎn)生):聯(lián)系生活創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,實(shí)現(xiàn)物理觀念有意義構(gòu)建.

師:體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目是同學(xué)們都非常熱愛(ài)．運(yùn)動(dòng)不僅能使我們心理、身體得到放松,還能給我們帶來(lái)精神上的愉悅．2018年第18屆雅加達(dá)亞運(yùn)會(huì)上,我們運(yùn)動(dòng)健兒頑強(qiáng)拼搏,發(fā)揚(yáng)奧林匹克精神,不負(fù)眾望,以132金、92銀、65銅位于獎(jiǎng)牌榜首位．在比賽的過(guò)程中,有許多精彩瞬間,值得我們?nèi)テ肺叮?qǐng)同學(xué)思考,圖1運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目動(dòng)作的完成有什么共同特點(diǎn)?

生:一是動(dòng)作的完成都必須借助于與之接觸的物體來(lái)實(shí)現(xiàn);二是相互接觸的物體都要發(fā)生形變．

師:我們這節(jié)課就來(lái)學(xué)習(xí)彈力．

(通過(guò)學(xué)生對(duì)日常生活中常見(jiàn)的力進(jìn)行回憶,創(chuàng)設(shè)情境,引出對(duì)常見(jiàn)力的分類,直接引出本節(jié)的課題)

師:初中物理教材是如何定義力的;力的作用效果有哪些?

生1:力是物體與物體之間的相互作用．

生2:可以改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài);也可以使物體發(fā)生形變．

師(學(xué)生活動(dòng)):請(qǐng)同學(xué)們利用身邊的物品,完成如下活動(dòng)(擠壓課桌,彎曲尺子、拉伸彈簧秤、捏橡皮、壓海綿等),聯(lián)系生活中的擠壓皮球、捏面團(tuán)等,觀察或回憶它們的形變,看看有什么不同?

生:有的物體發(fā)生的形變?cè)诹Τ啡ズ竽芑謴?fù)(彈性形變),而有的物體發(fā)生的形變?cè)诹Τ啡r(shí)不能恢復(fù)(塑性形變)．

師:用力拉伸彈簧時(shí),彈簧是否一定發(fā)生彈性形變呢?

生:不一定．

師(演示實(shí)驗(yàn)):用大小不同的力拉伸彈簧,直至發(fā)生塑性形變．

(在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)生觀察的基礎(chǔ)上,給出彈性限度的概念,向?qū)W生滲透“由量變到質(zhì)變”哲學(xué)思想．)

教學(xué)情景3(探究微小形變發(fā)現(xiàn)過(guò)程):巧設(shè)實(shí)驗(yàn)探究微小形變,滲透科學(xué)方法與發(fā)展學(xué)生思維能力.

師(問(wèn)題):彈簧、海綿等物體在受到外力作用時(shí)都發(fā)生了較為明顯的形變．那么,是不是物體只要受到了力,物體就會(huì)發(fā)生形變呢?用力壓課桌,你觀察到課桌的形變了嗎?

生:用力按壓桌子,不容易觀察到桌面的形變．學(xué)生互相討論,有的學(xué)生認(rèn)為有,有的學(xué)生認(rèn)為沒(méi)有(課堂氣氛活躍)．

圖2

師:按圖2在講桌上布置好實(shí)驗(yàn)器材,請(qǐng)一位同學(xué)上講臺(tái)演示給全班同學(xué)看,并思考發(fā)生這一現(xiàn)象的原因．

生:當(dāng)在圖中沿力F方向向下用力時(shí),光點(diǎn)向下移動(dòng);當(dāng)放手后,光點(diǎn)向上移動(dòng)．

師:當(dāng)我們用力擠壓玻璃瓶時(shí),能觀察到其形變嗎?

生:不能(教師演示擠壓玻璃瓶)．

師:我們能否采取其它的方式來(lái)觀察其形變呢?

生:思考．

圖3

師:現(xiàn)在,我們?cè)谝恢豢盏谋獠Ａ坷锸M有色水,在瓶塞上加一根細(xì)管并密封好(圖3),這樣裝置能否觀察到玻璃瓶的形變呢?請(qǐng)同學(xué)們上臺(tái)做一做,可以從玻璃瓶的中間、兩側(cè)用力擠壓來(lái)看一看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

生:從扁玻璃瓶的中間用力,細(xì)管的液面上升;從扁玻璃瓶的兩側(cè)用力,細(xì)管的液面下降．

師:這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明了什么?

生:當(dāng)我們用力擠壓玻璃瓶時(shí),玻璃瓶發(fā)生了形變．

師:教師總結(jié)學(xué)生的回答,并進(jìn)一步講解、分析桌面發(fā)生微小形變的過(guò)程,同時(shí)講解放大法在觀察微小形變過(guò)程中的應(yīng)用．最后歸納得出結(jié)論:一切物體在外力的作用下都會(huì)發(fā)生形變．(滲透小量放大的科學(xué)方法教育)

教學(xué)情景4(尋找彈力產(chǎn)生的原因、彈力的方向):揭示物理概念的本質(zhì),促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成.

視頻播放： 撐桿運(yùn)動(dòng)員撐桿跳高.

教師:(引導(dǎo)學(xué)生觀察,思考撐桿跳高的原因)教師在學(xué)生思考的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生得出:發(fā)生彈性形變的桿子在恢復(fù)原狀的過(guò)程中,對(duì)運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生了一個(gè)力的作用．

實(shí)驗(yàn)探究(帶有四輪的小車、鉤碼、彈簧)，如圖4所示.

圖4

演示實(shí)驗(yàn)1:發(fā)生形變的彈簧在恢復(fù)原狀的過(guò)程中改變與它接觸的小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(圖5)．

圖5

演示實(shí)驗(yàn)2:在實(shí)驗(yàn)室里取一個(gè)廢棄的彈簧,讓彈簧發(fā)生塑性形變,不能改變與它接觸的小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．

師:小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為什么要發(fā)生改變?

生:小車受到彈簧給力的作用．

師:當(dāng)小車與橡皮泥接觸時(shí),小車為什么沒(méi)運(yùn)動(dòng)?

生:橡皮泥沒(méi)有給小車力的作用,橡皮泥發(fā)生的塑性形變．

師:只有發(fā)生彈性形變的物體,由于要恢復(fù)原狀,會(huì)對(duì)與它接觸的物體產(chǎn)生力的作用,這個(gè)力叫做彈力．

師(學(xué)生活動(dòng)):請(qǐng)同學(xué)們利用身邊的物品,體驗(yàn)感受一下彈力,相互交流．可以使一位同學(xué)舉例,其他同學(xué)指出彈力的施力物體是誰(shuí)?受力物體又是誰(shuí)?并探究彈力的產(chǎn)生條件?

(設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析,引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,得出彈力產(chǎn)生的原因．彈力產(chǎn)生的原因與條件是該節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn),教學(xué)節(jié)奏應(yīng)適當(dāng)放慢速度．學(xué)生活動(dòng)的設(shè)計(jì),讓學(xué)生學(xué)以致用,感受到彈力在我們身邊．)

師: (實(shí)例分析)實(shí)例1:如圖6所示,將一本書(shū)放在水平桌面上處于靜止?fàn)顟B(tài),分析桌面對(duì)書(shū)支持力方向及書(shū)對(duì)桌面壓力的方向?

圖6

為了使同學(xué)們更好了解彈力產(chǎn)生的過(guò)程,做了以下的演示實(shí)驗(yàn).

演示實(shí)驗(yàn)3:把水氣球放在泡沫板上,觀察水氣球與泡沫板的形變(圖7)．

圖7

泡沫板:形變方向向下，恢復(fù)原狀方向向上，支持力方向向上．

泡沫板對(duì)水氣球的支持力方向:總是垂直于接觸面指向被支持的物體．

水氣球:形變方向向上，恢復(fù)原狀方向向下，壓力方向向下．

水氣球?qū)ψ烂娴膲毫Ψ较?總是與施力物體恢復(fù)原狀的方向相同．

壓力方向:總是垂直于接觸面指向被壓的物體．

師:如圖7所示,觀察水氣球下端的形狀,比較前后變化,畫圖分析．

實(shí)例2:繩子的彈力方向.

如圖8所示,用繩子懸掛一個(gè)白熾燈,處于靜止?fàn)顟B(tài),分析繩子對(duì)白熾燈拉力的方向．

圖8

為了使學(xué)生們研究問(wèn)題的方面,做了如下的演示實(shí)驗(yàn)(圖9).

圖9

類比成:用橡皮條拉水氣球,觀察橡皮條與水氣球的形變．

橡皮繩:形變方向向下，恢復(fù)原狀方向向上，拉力方向向上．

水球:形變方向向上，恢復(fù)原狀方向向下，壓力方向向下.

拉力的方向:總是指向繩子恢復(fù)原狀的方向．

(設(shè)計(jì)意圖:彈力的產(chǎn)生原因是由于施力物體發(fā)生彈性形變而要恢復(fù)原狀,會(huì)對(duì)它接觸的物體產(chǎn)生力的作用．因此,彈力的方向總是指向施力物體形變恢復(fù)的方向,通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生真切地感受到塑料板、橡皮繩和水球的形變情況,用實(shí)驗(yàn)降低學(xué)習(xí)的難度．)

教學(xué)情景5(測(cè)定彈簧的勁度系數(shù)):親歷實(shí)驗(yàn)探究,通過(guò)問(wèn)題解決來(lái)發(fā)展學(xué)生的物理觀念.

演示實(shí)驗(yàn):請(qǐng)同學(xué)們上臺(tái)拉伸兩根原長(zhǎng)相同的軟、硬彈簧(完成以下體驗(yàn):兩根彈簧拉伸相同的長(zhǎng)度;同一根彈簧拉伸到不同的長(zhǎng)度,并讓學(xué)生盡力把彈簧拉長(zhǎng)并談?wù)勛约旱母惺埽?

實(shí)驗(yàn)猜想:彈力的大小與彈簧軟硬程度有關(guān),與彈簧的伸長(zhǎng)量有關(guān)．

實(shí)驗(yàn)探究:

(1) 實(shí)驗(yàn)器材:粗細(xì)不同的彈簧(2根)，50 g的鉤碼若干,鐵架臺(tái)，刻度尺.

(2) 實(shí)驗(yàn)需要解決的幾個(gè)問(wèn)題:彈力大小如何測(cè)量、彈簧的長(zhǎng)度怎么測(cè)量、彈簧形變量如何測(cè)量、如何改變彈簧的形變量,如何設(shè)計(jì)表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程(圖10):把彈簧的一端固定在鐵架上,先不掛鉤碼,使彈簧自然下垂,用刻度尺測(cè)量彈簧原長(zhǎng)L;把彈簧掛鉤上掛50 g的鉤碼,測(cè)量并在表1中記下彈簧總長(zhǎng)L,并計(jì)算出彈簧的伸長(zhǎng)量x=L-L0不斷增加鉤碼的數(shù)量(確保在彈性限度內(nèi)),記下每增加1個(gè)鉤碼對(duì)應(yīng)的彈簧伸長(zhǎng)量.

圖10

表1

(4) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.

以彈簧形變量為橫坐標(biāo),彈簧彈力為縱坐標(biāo),描點(diǎn)繪出圖線,在誤差范圍內(nèi)為一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線．

思考:當(dāng)彈簧被壓縮時(shí),彈簧彈力與彈簧縮短量有什么關(guān)系?

3 教學(xué)反思

“科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實(shí),而是應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)觀念,用恰當(dāng)、生動(dòng)的方法,幫助孩子們建立一個(gè)完整的對(duì)世界的理解”．物理學(xué)科知識(shí)往往是零散的、分離的．學(xué)生即使掌握了大量零散的具體知識(shí)與技能,如果在頭腦中不能形成關(guān)于對(duì)物理世界的正確圖景,就不能從物理學(xué)的視角去認(rèn)識(shí)自然、理解自然、改造自然,也就談不上具備物理核心素養(yǎng)．因此,在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,教師要引導(dǎo)學(xué)生將物理知識(shí)與生產(chǎn)、生活密切聯(lián)系起來(lái),重視物理情境的創(chuàng)設(shè),還原物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力．