核心素養(yǎng)下的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

胡凡忠

【摘要】高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)引入了物理核心素養(yǎng)：物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，這體現(xiàn)了物理學(xué)科的教育價(jià)值.物理概念反映了客觀世界中事物屬性在人腦中的映射，在教學(xué)中，如何培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)是每位教師思考的問題.本文以人教版第二冊(cè)的“向心力”為例，通過深度分析教材，根據(jù)學(xué)生學(xué)情，以任務(wù)為線索，以學(xué)生為中心，結(jié)合物理演示實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)構(gòu)建一堂核心素養(yǎng)下的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì).

【關(guān)鍵詞】高中物理；課堂教學(xué)；向心力

教材通過生動(dòng)的日常生活案例，幫助學(xué)生初步感性了解圓周運(yùn)動(dòng)，使學(xué)生能理解勻速圓周運(yùn)動(dòng)中速度方向始終變化的規(guī)律，并明白力是導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因.本節(jié)課的主要目標(biāo)是深入研究改變勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受到的力的特點(diǎn).通過展示小球在細(xì)線牽引下在光滑水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)、在粗糙水平面上進(jìn)行同樣運(yùn)動(dòng)，以及考查旋轉(zhuǎn)秋千等案例，引出向心力的明確定義.在這一節(jié)的授課中，教師指導(dǎo)學(xué)生通過定性實(shí)驗(yàn)來了解與向心力大小相關(guān)的因素，再通過半定量的演示實(shí)驗(yàn)和變速倫塔向心力演示器來探討向心力的大小與有關(guān)因素之間的量化關(guān)系，最終深入分析一般曲線運(yùn)動(dòng)和變速圓周運(yùn)動(dòng)所受力的特點(diǎn).在教材的下一節(jié)中，將繼續(xù)探討向心力的表達(dá)公式，通過牛頓第二定律和向心加速度的表達(dá)式，進(jìn)一步理論推導(dǎo)出向心力的計(jì)算公式.第二節(jié)課主要是通過生活經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，協(xié)助學(xué)生形成對(duì)向心力的感性認(rèn)知，領(lǐng)會(huì)向心力的概念，并推導(dǎo)出向心力的表達(dá)公式.

1 學(xué)生學(xué)情

通過學(xué)習(xí)物理必修一，學(xué)生已經(jīng)領(lǐng)悟到力是導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的根本原因，在這一階段，主要探討直線運(yùn)動(dòng)，其中力只改變了物體速度的大小.進(jìn)入到物理必修二，開始研究曲線運(yùn)動(dòng)，需要考慮力如何改變物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而導(dǎo)入向心力概念.對(duì)于學(xué)生來說，這是一個(gè)相對(duì)陌生的領(lǐng)域，也是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一.同時(shí)，學(xué)生已經(jīng)具備了描述圓周運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)，包括角速度、線速度、周期、轉(zhuǎn)速、頻率等等，這些為學(xué)生學(xué)習(xí)“向心力”提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).考慮到高一學(xué)生的抽象思維和邏輯推理能力，在這堂課的授課中，積極運(yùn)用了豐富的生活實(shí)例、課堂演示實(shí)驗(yàn)以及分組實(shí)驗(yàn)，以便讓學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)與日常生活的聯(lián)系，從而促進(jìn)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)發(fā)展和關(guān)鍵能力提升.

2 教輔準(zhǔn)備

上課之前教師需要提前準(zhǔn)備高腳杯、乒乓球、玻璃球、圓筒、帶細(xì)線的小球、向心力演示器、鋁球、鋼球、光滑水平面以及旋轉(zhuǎn)秋千視頻和鏈球比賽視頻.

3 教學(xué)思路

本堂課教學(xué)步驟主要由引入概念、構(gòu)建概念、深化理解、應(yīng)用內(nèi)化四部分組成，以逐漸由表面層次的感性認(rèn)知引導(dǎo)學(xué)生深入理解物理概念，最終達(dá)到理論上的高度把握.通過任務(wù)導(dǎo)向的方式來創(chuàng)建一堂基于核心素養(yǎng)的物理概念課.在任務(wù)1中，設(shè)計(jì)小游戲“以杯取珠”和復(fù)習(xí)提問，點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)進(jìn)入向心力的話題.在任務(wù)2中，創(chuàng)造多個(gè)日常情境，綜合各種觀察和歸納，以確立向心力的概念.任務(wù)3利用定性和半定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身探究向心力的大小.在任務(wù)4中，深入研究變速圓周運(yùn)動(dòng)受力特點(diǎn)，幫助學(xué)生更全面地理解這一概念.

4 教學(xué)步驟

任務(wù)1 引入游戲，激發(fā)學(xué)生的好奇心.

教師鼓勵(lì)學(xué)生參與“以杯取珠”游戲，并提出問題，促使學(xué)生思考：“倒立的杯子是否能夠提起玻璃小球？”

規(guī)則 不可用手觸碰杯子、玻璃珠不能脫離圓圈、不允許損壞杯子.

教師 我們可以觀察到一些同學(xué)成功地提起了玻璃小球，而有些同學(xué)則沒有成功.那么，誰能告訴我們，成功提起玻璃小球的關(guān)鍵是什么呢？讓我們以這個(gè)問題為引導(dǎo)，開始今天的學(xué)習(xí).

教師 在上一堂課中，我們深入學(xué)習(xí)了勻速圓周運(yùn)動(dòng).因?yàn)閯蛩賵A周的運(yùn)動(dòng)軌跡一直在變化，因此可以確定勻速圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)際上就是一種變速運(yùn)動(dòng).力是導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的根本原因.在進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體必然會(huì)受到一些外力的作用，這些外力有著什么特點(diǎn)呢？這個(gè)問題將是我們本節(jié)課的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容.

設(shè)計(jì)分析 通過引入小游戲，激發(fā)學(xué)生好奇心，調(diào)動(dòng)班級(jí)學(xué)習(xí)氛圍.在復(fù)習(xí)已學(xué)知識(shí)的同時(shí)，教師提出了要深入討論的問題，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)新內(nèi)容產(chǎn)生渴望，積極主動(dòng)地展開思維活動(dòng)，進(jìn)入新課程的學(xué)習(xí)狀態(tài).這種新舊知識(shí)的融合教學(xué)方法還有助于學(xué)生更全面地理解知識(shí)體系.

任務(wù)2 構(gòu)建場(chǎng)景，形成對(duì)向心力的概念.

教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)：一根細(xì)線牽引下的小球在平滑水平面上進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng).

教師 繩子將小球繃緊，小球開始做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，要求畫出小球受力情況，解釋小球受力的特點(diǎn).

學(xué)生 小球受到的主要力是繩子的拉力，這個(gè)拉力時(shí)刻指向圓心，使小球保持在圓周運(yùn)動(dòng)軌跡上.

教師 如果剪斷這根繩子，小球還能繼續(xù)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？如果一定要小球在這個(gè)面上保持勻速圓周運(yùn)動(dòng)，可以采取哪些方法？這種情況下，受力會(huì)有何特點(diǎn)？

學(xué)生 如果剪斷繩子，小球?qū)o法繼續(xù)勻速圓周運(yùn)動(dòng).但如果想讓它保持圓周運(yùn)動(dòng)，可以引入其他力，例如摩擦力，它的力的方向也會(huì)時(shí)刻指向圓心.

教師 非常好，理解得很透徹.事實(shí)上，除了拉力和摩擦力之外，還有其他力可以改變物體在勻速圓周運(yùn)動(dòng)中的方向嗎？觀看一個(gè)視頻.

（教師播放視頻：游樂場(chǎng)旋轉(zhuǎn)秋千做勻速圓周運(yùn)動(dòng)）

教師 現(xiàn)在，請(qǐng)大家對(duì)這個(gè)旋轉(zhuǎn)秋千的受力情況進(jìn)行分析，看看有哪些力，以及這些力的特點(diǎn).

學(xué)生 我看到了重力和張力，它們都指向圓心，以保持秋千的勻速圓周運(yùn)動(dòng).

教師 通過以上實(shí)例，可以總結(jié)出勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的受力特點(diǎn).

教師指導(dǎo)學(xué)生深入了解向心力的概念、特點(diǎn)以及其作用效果：在勻速圓周運(yùn)動(dòng)中，物體所受到的合力始終指向圓心，這種指向圓心的力被稱為向心力（通常表示為F）.向心力的方向不斷變化，始終指向圓心，并且與物體的速度方向始終垂直.因此，可以說向心力是一種不斷變化的力.向心力僅僅改變了物體速度的方向，而不影響速度的大小.向心力可以由多個(gè)力合成或某個(gè)力的分力來提供，其中包括重力、摩擦力、彈力等，合力或分力都有可能構(gòu)成向心力的來源.

設(shè)計(jì)分析 教師在教學(xué)中構(gòu)建具體的物理場(chǎng)景，以呈現(xiàn)實(shí)際可觀察的情境，激發(fā)學(xué)生的疑惑，喚起學(xué)生的求知欲，引導(dǎo)學(xué)生將物理概念與日常生活聯(lián)系起來.

任務(wù)3 定性實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)影響向心力大小的有關(guān)因素.

教師要求學(xué)生使用細(xì)線將乒乓球和鋼球連接在一起，再牽引住繩的一側(cè)，使球盡可能地進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng).通過改變旋轉(zhuǎn)的速度、細(xì)線的長(zhǎng)度以及反復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生推測(cè)向心力的大小或許會(huì)受到角速度、物體的質(zhì)量和半徑等因素的影響.在研究向心力大小的實(shí)驗(yàn)過程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生采用控制變量的方法來進(jìn)行研究.

教師 請(qǐng)思考一下，向心力的大小可能與哪些因素相關(guān)？它們之間是否存在一種定量的關(guān)系？

設(shè)計(jì)分析 這個(gè)實(shí)驗(yàn)所使用的材料都是常見的生活物品，這使得學(xué)生更容易進(jìn)行操作，并獲得更直接的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，從而拉近了學(xué)生與科學(xué)之間的距離.這有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

任務(wù)4 進(jìn)行數(shù)量化實(shí)驗(yàn)，明確向心力的大小與三個(gè)關(guān)鍵因素之間的精確關(guān)聯(lián).

教師先向?qū)W生解釋實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)的基本原理.在向心力演示實(shí)驗(yàn)中，使用了一個(gè)裝有兩個(gè)變速輪塔、長(zhǎng)短槽、彈簧測(cè)力計(jì)和小球的裝置.實(shí)驗(yàn)采用了控制變量法來確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)操作者會(huì)旋轉(zhuǎn)手柄，使得變速輪塔、槽道隨之勻速移動(dòng)，同時(shí)，槽內(nèi)的小球也被迫進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng).向心力的來源在于橫臂上的擋板對(duì)小球施加的壓力，這導(dǎo)致小球通過橫臂上的杠桿傳遞了反作用力給擋板，最終使彈簧測(cè)力計(jì)的套筒下降，從而觸發(fā)標(biāo)尺上的刻度顯示.根據(jù)標(biāo)尺上的紅白相間的刻度，操作者可以初步計(jì)算出兩個(gè)球所受向心力的比值.

教師 請(qǐng)同學(xué)們按照要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并記錄所得的數(shù)據(jù).

學(xué)生進(jìn)行了三輪實(shí)驗(yàn)：①使用質(zhì)量不同的鋁球和鋼球，保持運(yùn)動(dòng)半徑r和角速度ω相同，觀察質(zhì)量與向心力間的相互影響；②使用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球，保持運(yùn)動(dòng)半徑一致，觀察角速度與向心力間的相互影響；③使用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球，保持角速度相同，觀察運(yùn)動(dòng)半徑之間與向心力的相互影響.

教師 請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)向心力的大小與半徑、質(zhì)量、角速度之間的定量關(guān)系.

學(xué)生 在質(zhì)量和角速度一定時(shí)，向心力與半徑成正比；在質(zhì)量和半徑一定時(shí)，向心力與角速度的平方成正比；在半徑和角速度一定時(shí)，向心力與質(zhì)量成正比.

通過分析討論，教師指導(dǎo)學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)總結(jié)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力大小可以用以下公式表示：F=mωr，其中F表示向心力，m表示物體的質(zhì)量，ω表示物體做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度，r表示圓周運(yùn)動(dòng)的半徑.

教師 同學(xué)們是否能更好地理解和完成杯取珠的游戲了呢？

教師指導(dǎo)學(xué)生回顧之前的小游戲，以進(jìn)一步理解向心力大小與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系.

設(shè)計(jì)分析 學(xué)生已經(jīng)對(duì)控制變量法有一定了解.在學(xué)生自發(fā)的研究中并提出假設(shè)后，師生一同進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，最終得出了關(guān)于向心力大小的公式.在解釋向心力演示器的結(jié)構(gòu)和操作方法時(shí)，教師可以結(jié)合傳動(dòng)裝置中共軸輪子上各點(diǎn)的角速度相等以及皮帶傳動(dòng)中保持線速度恒定（不滑動(dòng)）的原理，啟發(fā)學(xué)生思考如何維持恒定的角速度.一旦學(xué)生理解這個(gè)問題，教師的展示也可以由學(xué)生來完成.整個(gè)教學(xué)過程充分融入了科學(xué)探究能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)目標(biāo).

任務(wù)5 研究變速圓周運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性.

教師 在了解了勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的受力特點(diǎn)，即合力提供向心力，方向始終指向圓心的基礎(chǔ)上，如果物體要進(jìn)行變速圓周運(yùn)動(dòng)，那么它的受力特點(diǎn)又會(huì)有何變化呢？

教師隨后播放了一個(gè)鏈球比賽的視頻.

教師 請(qǐng)同學(xué)們觀看這場(chǎng)鏈球比賽.在變速圓周運(yùn)動(dòng)中，可以觀察到線速度的大小和方向不斷變化，這是因?yàn)榫€速度大小和方向上存在著外力的影響.因此，合外力在變速圓周運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了兩個(gè)效果，一個(gè)是改變方向，另一個(gè)是改變大小.

設(shè)計(jì)分析 學(xué)生已經(jīng)具備使用向心力來分析問題的物理概念.這一設(shè)計(jì)涉及向心力的實(shí)際應(yīng)用，也是向心力應(yīng)用的深化.通過這個(gè)任務(wù)，學(xué)生將能夠運(yùn)用科學(xué)思維正確地處理變速圓周運(yùn)動(dòng)中的受力情況.

5 結(jié)語

綜上所述，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)基于高中物理核心素養(yǎng)，旨在確定教學(xué)任務(wù)，強(qiáng)調(diào)不僅傳授知識(shí)，更注重培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).在教學(xué)情境的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，教師盡量選擇了與學(xué)生生活密切相關(guān)的材料，以激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，特別注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力.這一教學(xué)方法不僅有助于學(xué)生深刻理解物理概念中的“向心力”，還有助于塑造學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

參考文獻(xiàn)：

[1]李秀如.人教版新舊高中物理教科書章節(jié)設(shè)置的對(duì)比分析——以必修第二冊(cè)“向心力和向心加速度”兩節(jié)為例[J].安徽教育科研，2022（29）：6-9.

[2]林清源.核心素養(yǎng)下的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)——以“科學(xué)探究：向心力”為例[J].中學(xué)理科園地，2022，18（04）：43-45.

[3]程世碩.核心素養(yǎng)視域下的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)——以“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”為例[J].學(xué)園，2022，15（17）：33-35.

[4]王剛，張春紅.基于提升科學(xué)思維水平的物理概念教學(xué)——以“向心力”為例[J].教育實(shí)踐與研究（B），2021（05）：45-50.

[5]陳華生，彭朝陽.基于物理核心素養(yǎng)的高中物理生活化教學(xué)——以“向心力”概念的建立為例[J].中學(xué)理科園地，2019，15（06）：29-31+47.