核心素養(yǎng)視角下物理課堂教學(xué)有效性的思考

韓媚,何章明

（湖南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖南株洲 412007)

一、高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)涵

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成。高中物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)有四方面，主要是物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。[1-3]

失重和超重是高中物理教學(xué)大綱中極為重要的內(nèi)容。本節(jié)是在學(xué)生掌握牛頓運動定律及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進一步研究牛頓運動定律在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用.它是牛頓運動定律應(yīng)用的典型例子，是高考重點關(guān)注的內(nèi)容。本文將以失重和超重教學(xué)設(shè)計為例，闡述基于物理核心素養(yǎng)如何提高課堂教學(xué)的有效性。如表1所示，我們根據(jù)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)來確定本節(jié)課堂教學(xué)設(shè)計的教學(xué)目標。

二、體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)，提高課堂教學(xué)有效性

（一）創(chuàng)造實際情境，提出問題，建構(gòu)物理觀念

在課堂教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從實際生活情境中感知、分析和總結(jié)物理知識，構(gòu)建物理概念。在接下來的文章中，詳細闡述了如何通過課堂教學(xué)，讓學(xué)生形成“失重和超重”的概念，體現(xiàn)運動和互動的概念。

教學(xué)活動1：創(chuàng)設(shè)情景，提出問題：坐電梯時的體驗：電梯開始上升有“下墜”加重感，電梯開始下降有“上飄”減輕感，難道體重會發(fā)生變化嗎？

教學(xué)活動2：回顧重力測量的兩種方式。

1.測量物體質(zhì)量，再乘以所測量的重力加速度得到重力G=mg（實重）。

2.利用物體處于平衡狀態(tài)來測量重力（如圖1、圖2所示）。

圖1

這里給出視重的概念：測量顯示的讀數(shù)（視重）是指物體對臺秤的壓力或?qū)椈蓽y力計的拉力。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗和以往的知識儲備初步得到：平衡時，實重等于視重.接著教師提出問題：假設(shè)臺秤或測力計上的物體處于非平衡狀態(tài)呢？實重和視重是否還相等？引發(fā)學(xué)生思考。

教學(xué)活動3：觀察和思考，體驗和探索。

1.用細線掛著一個鉤碼，分別處于平衡狀態(tài)和快速往上提狀態(tài)，觀察現(xiàn)象。用彈簧測力計拉重錘做變速運動，觀察指針示數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)：

（1）靜止時，細繩沒有斷，當(dāng)快速往上提時，細繩斷裂。引導(dǎo)學(xué)生得出：平衡時拉力等于重力，而細繩斷裂是由于向上的拉力大于繩子能承受的力。

（2）彈簧測力計向上運動到靜止：示數(shù)變大，變小再到不變。彈簧測力計向下運動到靜止：示數(shù)變小，變大再到不變?，F(xiàn)象直觀明了，讓學(xué)生了解到：作用在物體上的力發(fā)生變化的原因是物體運動狀態(tài)（速度大?。┑母淖?。

2.讓一學(xué)生站在體重計上做下列運動，觀察體重計的示數(shù)變化。

A：在體重計上靜止不動；B：在體重計上迅速蹲下；C：在體重計上迅速站起。

然后可觀察到，

靜止：視重=實重；

迅速蹲下：先視重＜實重，后視重＞實重；

迅速站起：先視重＞實重，后視重＜實重。

把其中觀察到的現(xiàn)象取名——失重和超重，初步形成物理概念.并引導(dǎo)學(xué)生認識到：物體運動狀態(tài)（速度大小或速度方向）的改變將使作用在物體上的力發(fā)生變化，從而反映出運動與相互作用的觀念。

（二）設(shè)計實驗，科學(xué)探究物理規(guī)律

在獲得物理概念之后，馬上在這個基礎(chǔ)上提出新的問題：產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是什么？或者說產(chǎn)生的條件是什么？實質(zhì)是什么？因此，我們利用力傳感器，觀察在磅秤上再現(xiàn)人體快速下蹲和快速站立的過程，分析人的運動情況（如表2所示），探索失重和超重的現(xiàn)象。利用計算機作出F-t圖像，記錄傳感器地力隨時間變化的曲線，通過電腦投屏的方式，讓學(xué)生同步觀察曲線的變化過程（如圖3和圖4所示），增強體驗感.

圖3 下蹲

圖4 起立

表2 力傳感器上人運動情況分析

讓學(xué)生從屏幕上看出：當(dāng)物體有向上的加速度時，物體出現(xiàn)超重現(xiàn)象；當(dāng)物體有向下的加速度時，物體呈現(xiàn)失重狀態(tài)；從而引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流，經(jīng)過理論分析和實驗驗證，得到失重和超重現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是有加速度，與速度方向無關(guān)。

（三）加強實例應(yīng)用，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

為加強鞏固從實驗探究得到的知識，我們設(shè)計了幾個典型應(yīng)用，用牛頓第二定律探究生活中的失重和超重現(xiàn)象，從不同的角度解決動力學(xué)問題，培養(yǎng)質(zhì)疑和創(chuàng)新意識。

教學(xué)活動4：播放提前錄制好的電梯運行視頻，讓學(xué)生觀察放在臺秤上的物體在隨電梯運行時，臺秤示數(shù)的變化.

既然已經(jīng)探究出了產(chǎn)生失重和超重的條件，那就可以解釋人坐電梯為何會有上漂或下墜感，用理論解釋課程開頭創(chuàng)設(shè)的情景，真正做到學(xué)以致用，引導(dǎo)學(xué)生對物體的運動情況和受力情況進行分析（如圖5所示）。

圖5

這里正確引導(dǎo)學(xué)生按照下面邏輯思考：確定研究對象→進行受力分析→規(guī)定正方向→列式求解→結(jié)合牛頓第三定律對結(jié)果進行分析與討論。

電梯加速上升：F-mg=ma F′=F=ma+mg

電梯減速上升：mg-F=maF′=F=mg-ma

電梯加速下降：mg-F=maF′=F=mg-ma電梯減速下降：F-mg=ma F′=F=ma+mg

教學(xué)活動5：構(gòu)建彈簧振動模型，還原生活實例——蹦極（如圖6所示）。運用牛頓第二定律解釋蹦極運動中體現(xiàn)的超重和失重現(xiàn)象，利用這個模型把本節(jié)課的重難點（產(chǎn)生失重和超重現(xiàn)象的原因和條件）鞏固加強.這里體現(xiàn)了物理源于生活，從生活到物理，從物理到社會的教育育人理念，進一步培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力。

圖6

教學(xué)活動6：認識完全失重現(xiàn)象。

1.課堂小實驗：在礦泉水瓶的瓶口處開一個小孔和靠近底部開兩個小孔，裝滿水?dāng)Q緊瓶蓋，這時，由于水的重力作用，會使水從靠近底部的小孔射出。接著將這個裝水的瓶向各個方向拋出，讓學(xué)生觀察水是否會從底部小孔射出。結(jié)果是：水不會從小孔射出來。

引導(dǎo)學(xué)生討論得出物體做自由落體運動，即加速度a=g時，物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┑扔诹?，從理論和實驗兩個角度給出完全失重現(xiàn)象的概念。

2.完全失重環(huán)境下的太空授課及質(zhì)量的測量。

播放“神舟十號”宇航員王亞平在太空授課的動畫視頻，介紹宇航員在完全失重的情況下完成懸空打坐、小球做單擺運動和液體表面張力三個小實驗，讓學(xué)生對完全失重有個更加直觀的感受，可以反問學(xué)生：為什么在完全失重的環(huán)境下所有靠重力效應(yīng)工作的儀器都失效？引導(dǎo)他們自己獲取答案。并介紹宇航員在為人類進軍宇宙和探索宇宙中所作的重大貢獻，重點介紹我國在航天航空方面取得的成就和發(fā)展，激起愛國情懷，點燃航天夢。同時，在“自覺觀察自然和社會規(guī)律，努力探索和發(fā)現(xiàn)事物運行和發(fā)展規(guī)律”中滲透著航天員的科學(xué)精神，在“自覺維護、追求和關(guān)注人的尊嚴、價值和命運”中滲透著人文精神。

回應(yīng)課程開始對物體質(zhì)量的測量，讓學(xué)生思考：在完全失重的情況下，如何測得人的質(zhì)量？

播放太空授課視頻（鏈接中國首次太空授課全程回顧 測航天員質(zhì)量.mp4）：給介紹學(xué)生在失重的情況下如何應(yīng)用牛頓第二定律測量物體的質(zhì)量，并簡單介紹一下牛頓第二定律的適用范圍。

（四）科學(xué)推理，科學(xué)論證，提升科學(xué)思維

在對本節(jié)課進行的教學(xué)討論過程中，主要考慮從以下的三點著手來幫助拔高學(xué)生們的科學(xué)思維。

1.超重、失重現(xiàn)象的歸納、概括和推理論證過程

通過列舉日常生活中不同場景的例子和創(chuàng)設(shè)的場景，一方面引出“失重和超重”現(xiàn)象，另一方面，讓學(xué)生知道“失重和超重”現(xiàn)象是日常生活中常見的現(xiàn)象。我們還知道，當(dāng)物體相對靜止時，物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳矬w的張力）等于物體的重力（事實）。當(dāng)物體運動時，物體的重力不變（事實），但對支持物的壓力（或?qū)覓煳矬w的張力）發(fā)生了變化（現(xiàn)象）。根據(jù)以上事實和現(xiàn)象，我們可以推導(dǎo)出：引起壓力或張力變化的原因是物體的速度（結(jié)論）。

2.“失重和超重”現(xiàn)象的本質(zhì)的分析、條件的探究設(shè)計

速度是引起失重和超重的原因，具體是因為速度方向還是速度大小呢？我們設(shè)計了探究實驗：重現(xiàn)人在體重計上快速下蹲和快速起立過程，并利用計算機作出F-t圖像，記錄傳感器的力隨時間變化的曲線，引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析。

當(dāng)人快速下蹲時，出現(xiàn)先視重小于重力，后視重大于重力，即出現(xiàn)了先失重后超重的現(xiàn)象；當(dāng)人快速起立時，出現(xiàn)先視重大于重力，后視重小于重力，即出現(xiàn)了先超重后失重的現(xiàn)象。至此就可以推出：速度方向不是引起失重和超重的原因，速度大小的變化才是導(dǎo)致失重和超重的原因，得到失重和超重現(xiàn)象的條件和實質(zhì)是：有加速度。

3.失重和超重、視重、與重力的辨析

學(xué)生學(xué)習(xí)這一節(jié)內(nèi)容，大部分學(xué)生誤以為發(fā)生失重和超重現(xiàn)象是因為物體的重力產(chǎn)生了變化，而完全失重現(xiàn)象則是物體沒有受到重力，重力為零。所以在設(shè)計實驗探究的過程中，F(xiàn)-t圖像記錄傳感器的力隨時間變化的曲線可以直觀說明物體重力沒有變，變的是視重。完全失重則是物體受到的壓力或者拉力為零的特殊情況，而重力并沒有變化。這里糾正學(xué)生的思維誤區(qū)。

三、結(jié)束語

綜上所述，本次教學(xué)活動的創(chuàng)新點是在開展前先分析了學(xué)生學(xué)情，知道學(xué)生雖然學(xué)了牛頓第二定律，但對“從親身感受的現(xiàn)象當(dāng)中—提出探究的物理問題—分析現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)—設(shè)計實驗進行驗證”的研究思路和方法還不熟。所以，首先，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，通過引導(dǎo)學(xué)生對生活實例的切身觀察和感受，提出幾個與學(xué)生感興趣的知識密切相關(guān)的問題，構(gòu)建物理學(xué)概念。其次，引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)實驗探究的基礎(chǔ)上探索新知識，進行理論分析和實驗驗證，從而提高思維判斷能力，得到實驗結(jié)論。最后，運用這一知識點，發(fā)揮學(xué)生的自主性，解決生活中的問題，回應(yīng)引入環(huán)節(jié)的驅(qū)動問題，滲透愛國情懷和人文精神，將物理核心素質(zhì)的培養(yǎng)付諸實踐。