基于情境與問(wèn)題導(dǎo)向 培育學(xué)生核心素養(yǎng)

摘 要：以超重和失重課堂教學(xué)為例，以發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合生活實(shí)際并利用現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)了各種場(chǎng)景下的探究情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察、體驗(yàn)、探究、討論，再現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程；以物理情境為背景，以情境問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，以問(wèn)題鏈為引導(dǎo)，培育學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：情境；問(wèn)題鏈；科學(xué)思維；核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）9-0092-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７ 年版２０２０ 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）中指出，高中物理課程通過(guò)創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力［１］。其中在教學(xué)建議中的第二條指出：在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中重視情境的創(chuàng)設(shè)；創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用［１］?！秶?guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出，要積極探索基于情境、問(wèn)題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式、體驗(yàn)式等課堂教學(xué)［２］，為課堂教學(xué)改革指明了方向。

課堂教學(xué)的重點(diǎn)是發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力；能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論；具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力，能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)；具有批判性思維的意識(shí)，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問(wèn)題，追求科技創(chuàng)新［１］。

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，以高中物理新教材必修一第四章的第6節(jié)“超重和失重”課堂教學(xué)為例，創(chuàng)設(shè)了多場(chǎng)景的探究情境，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)、觀察、思考、猜想、推理、論證、解釋、交流等過(guò)程，深化科學(xué)思維，開(kāi)展科學(xué)探究，形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和正確的價(jià)值觀，培育學(xué)生的核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了課程的育人價(jià)值。

１ 教學(xué)思路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。

２ 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

２．１ 課堂教學(xué)引入

情境１：用體重計(jì)稱體重。

（１）在手機(jī)和電腦上同時(shí)安裝ｉＶＣａｍ 投屏軟件（圖2），利用該軟件將體重計(jì)的表盤(pán)投影在大屏幕上（圖3），請(qǐng)一個(gè)學(xué)生站到體重計(jì)上，其他學(xué)生讀出她的體重值。

（２）請(qǐng)站在體重計(jì)上的學(xué)生做下蹲的動(dòng)作（圖4），其他學(xué)生再次讀出她的體重值。

（３）師：剛才讀數(shù)時(shí)，同學(xué)們基于生活經(jīng)驗(yàn)，都是在這位同學(xué)靜止時(shí)讀出了她的體重值，我們知道，體重計(jì)顯示的示數(shù)反映了人對(duì)于體重計(jì)的壓力。

問(wèn)題１：為什么當(dāng)人靜止時(shí)，人對(duì)體重計(jì)的壓力就等于人的重力？

問(wèn)題２：剛才這位同學(xué)下蹲時(shí)，體重計(jì)的示數(shù)是始終不變的嗎？

設(shè)計(jì)意圖：從生活中常見(jiàn)場(chǎng)景——稱體重引入，展示稱體重的過(guò)程，先站穩(wěn)、再讀數(shù)，根據(jù)這一生活經(jīng)驗(yàn)提出問(wèn)題１，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用二力平衡、牛頓第三定律等相關(guān)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，體現(xiàn)學(xué)以致用的思想。

在問(wèn)題２中，根據(jù)人不站穩(wěn)，體重計(jì)的示數(shù)就會(huì)變化的生活經(jīng)驗(yàn)及剛才的觀察，提出本節(jié)課的研究主題：在人下蹲的過(guò)程中，體重計(jì)示數(shù)的變化有怎樣的規(guī)律，其中的原因是什么。

２．２ 探究活動(dòng)１：人下蹲的過(guò)程中，體重計(jì)示數(shù)變化的規(guī)律

（１）學(xué)生在體重計(jì)上再次做下蹲的動(dòng)作。

問(wèn)題３：剛才這位同學(xué)下蹲時(shí)，體重計(jì)的示數(shù)相對(duì)于自身的重力如何變化？

生：有時(shí)變大，有時(shí)變小。

設(shè)計(jì)意圖：把平時(shí)不太注意的細(xì)節(jié)放大，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，然后進(jìn)行探究。由于體重計(jì)指針擺動(dòng)的視覺(jué)快慢受人下蹲快慢、電腦運(yùn)行速度、網(wǎng)絡(luò)傳輸、大屏幕硬件及諸多因素的影響，有時(shí)觀察不太清楚，只能看出指針擺角有時(shí)變大，有時(shí)變小。

師：這說(shuō)明人對(duì)體重計(jì)的壓力有時(shí)大于自身重力，有時(shí)小于自身重力。我們把壓力大于重力的情況稱為超重，把壓力小于重力的情況稱為失重，把體重計(jì)顯示的示數(shù)稱為視重。超重時(shí)視重大于實(shí)重，失重時(shí)視重小于實(shí)重。在什么情況下發(fā)生超重現(xiàn)象，什么情況下發(fā)生失重現(xiàn)象呢？

由于體重計(jì)的示數(shù)變化太快，不太容易觀察研究，因此用壓力傳感器代替體重計(jì)繼續(xù)進(jìn)行研究。

（２）壓力傳感器（圖5）代替體重計(jì)。

情境２ ：壓力傳感器實(shí)驗(yàn)。

①教師分析壓力傳感器的原理及其優(yōu)點(diǎn)：可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)，其精度、靈敏度高，可以直觀顯示出壓力Ｆ和時(shí)間ｔ圖像（以下簡(jiǎn)稱“Ｆ－ｔ圖像”），然后引導(dǎo)學(xué)生用手反復(fù)壓壓力傳感器，并觀察Ｆ－ｔ圖像的變化，增強(qiáng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量壓力形成圖像的直觀印象。

②請(qǐng)一個(gè)學(xué)生站到壓力傳感器上保持靜止，此時(shí)Ｆ－ｔ圖像為一條橫線。教師提示，此時(shí)人對(duì)傳感器的壓力就等于人自身的重力。

③請(qǐng)這個(gè)學(xué)生做下蹲的動(dòng)作，并實(shí)時(shí)顯示出Ｆ－ｔ圖像（圖6）。

問(wèn)題４：圖中什么區(qū)域出現(xiàn)了超重現(xiàn)象，什么區(qū)域出現(xiàn)了失重現(xiàn)象，你是怎么看出來(lái)的？

問(wèn)題５：我們發(fā)現(xiàn)，在人下蹲的過(guò)程中，先失重后超重，既有失重又有超重?？梢?jiàn)，超重、失重的產(chǎn)生和人的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在人下蹲的過(guò)程中，人做了什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)呢？

生：向下加速，向下減速。

問(wèn)題６：物體的運(yùn)動(dòng)可以用速度ｖ和加速度ａ 同時(shí)來(lái)描述，在人下蹲的整個(gè)過(guò)程中ｖ、ａ的方向如何？ｖ、ａ這兩個(gè)物理量哪一個(gè)和超重、失重有關(guān)呢？發(fā)生超重和失重時(shí)，這個(gè)物理量具有怎樣的特征？

學(xué)生討論得出結(jié)論：和超重、失重相關(guān)的物理量是加速度。超重時(shí)，加速度方向向上；失重時(shí)，加速度方向向下。

問(wèn)題７：我們本章的主題是運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，請(qǐng)同學(xué)們用運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系進(jìn)行證明：為什么加速度方向向上時(shí)就會(huì)出現(xiàn)超重現(xiàn)象，反之就會(huì)出現(xiàn)失重現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：借助壓力傳感器，即時(shí)展示人下蹲過(guò)程中的壓力Ｆ－ｔ圖像，讓學(xué)生明顯感覺(jué)到下蹲的過(guò)程不是單一的超重或失重，而是先失重后超重，和學(xué)生的原有認(rèn)知有沖突，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。對(duì)人下蹲的動(dòng)作進(jìn)行探究，得到其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，并反映到速度ｖ和加速度ａ的方向上，然后找出和超重、失重相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量，并探究得出發(fā)生超重、失重時(shí)這個(gè)物理量的方向特征，引導(dǎo)學(xué)生從運(yùn)動(dòng)和力的理論層面來(lái)證明已發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維過(guò)程，遵從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，從現(xiàn)象到本質(zhì)、從感性到理性、逐層進(jìn)階，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維。

問(wèn)題８：人在站起的過(guò)程中，是否有超重、失重現(xiàn)象？如果有，會(huì)是下列圖像（圖7）中的哪一個(gè)呢？

生：選Ｃ，先超重后失重。

然后，請(qǐng)一個(gè)學(xué)生先蹲在壓力傳感器上保持靜止，聽(tīng)指令站起，通過(guò)傳感器顯示出Ｆ－ｔ圖像加以驗(yàn)證。最終顯示出下蹲、站起整個(gè)過(guò)程中的Ｆ－ｔ圖像（圖8），由學(xué)生再次總結(jié)出超重、失重的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征：在下蹲和站起的過(guò)程中，如果加速度方向向上（包括向上加速、向下減速），就會(huì)出現(xiàn)超重現(xiàn)象；如果加速度方向向下（包括向下加速和向上減速），就會(huì)出現(xiàn)失重現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)下蹲過(guò)程中人對(duì)傳感器壓力規(guī)律的探究得到了超重、失重的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)解釋，通過(guò)問(wèn)題６把分析方法遷移到站起過(guò)程中，鞏固學(xué)生的科學(xué)思維，通過(guò)問(wèn)題７，則對(duì)整個(gè)下蹲、站起的過(guò)程進(jìn)行抽象、概括，歸納出本質(zhì)特征。

２．３ 探究活動(dòng)２：電梯中的超重、失重現(xiàn)象

情境３：電梯內(nèi)實(shí)驗(yàn)（圖9）。

（１）課前把壓力傳感器搬進(jìn)電梯，請(qǐng)學(xué)生站到壓力傳感器上，讓電梯從一樓運(yùn)動(dòng)到五樓，然后又從五樓運(yùn)動(dòng)到一樓，用壓力傳感器記錄了人對(duì)傳感器的壓力隨時(shí)間變化的情況，同時(shí)利用手機(jī)記錄了電梯的加速度隨時(shí)間的變化情況。

（２）展示電梯上行、下行整個(gè)過(guò)程中傳感器即時(shí)記錄出的Ｆ－ｔ圖像和同時(shí)用手機(jī)記錄的ａ－ｔ圖像（圖10）。

（３）對(duì)比整個(gè)過(guò)程中的Ｆ－ｔ圖像和ａ－ｔ圖像（圖１1），請(qǐng)學(xué)生再次總結(jié)出在電梯情境下超重、失重的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。

（４）例題：從傳感器圖像上可知，電梯靜止時(shí)該同學(xué)對(duì)傳感器的壓力是４９３ Ｎ，可算出ｍ＝４９．３ ｋｇ，電梯加速上升時(shí)，電梯的加速度最大值可達(dá)到ａ＝０．６７ ｍ/ｓ２，請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算一下此時(shí)該同學(xué)對(duì)傳感器的壓力，ｇ＝１０ ｍ/ｓ２。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出該同學(xué)對(duì)傳感器的壓力為５２６ Ｎ，然后再顯示傳感器顯示的壓力數(shù)值（圖１2）和同學(xué)們計(jì)算的結(jié)果相同。

設(shè)計(jì)意圖：從生活實(shí)際出發(fā)，對(duì)電梯問(wèn)題進(jìn)行研究，采用現(xiàn)代信息技術(shù)，同時(shí)顯示人對(duì)電梯的壓力和電梯的加速度隨時(shí)間變化的關(guān)系，增加了超重、失重運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的直觀證據(jù)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)解釋、實(shí)驗(yàn)論證逐層遞進(jìn)，對(duì)超重、失重形成了完整的認(rèn)知體系，并在這一情境下設(shè)置例題，推算電梯加速時(shí)人對(duì)傳感器的壓力，計(jì)算結(jié)果和傳感器顯示的值一致，體現(xiàn)了理論和實(shí)際的完美融合。

２．４ 實(shí)驗(yàn)：拉力情境下的超重、失重現(xiàn)象

情境４：把鉤碼掛在彈簧測(cè)力計(jì)上（圖１3），從靜止開(kāi)始分別向上、向下運(yùn)動(dòng)直至靜止，觀察測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化。

設(shè)計(jì)意圖：前面人下蹲站起及電梯實(shí)驗(yàn)反映的都是壓力情境下的超重、失重現(xiàn)象，在拉力情境下是否也能產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象呢？通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以把拉力情境下發(fā)生的超重、失重情況補(bǔ)充進(jìn)去，從而把超重、失重的定義補(bǔ)充完整。

２．５ 實(shí)驗(yàn)：完全失重現(xiàn)象

情境５：測(cè)力計(jì)落體實(shí)驗(yàn)（圖１4）。

（１）自制教具：將圓盤(pán)測(cè)力計(jì)固定在整理箱內(nèi)，測(cè)力計(jì)的掛鉤上掛上一個(gè)鉤碼。如果這套裝置做自由落體運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算一下，鉤碼對(duì)圓盤(pán)測(cè)力計(jì)的拉力為多少？

生：為０。

（２）靜止釋放該裝置，請(qǐng)同學(xué)們觀察測(cè)力計(jì)的示數(shù)，再慢放課前錄制的視頻，發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)測(cè)力計(jì)的示數(shù)為0，然后給出完全失重的定義。

設(shè)計(jì)意圖：在課堂上展示出物體完全失重時(shí)的作用效果，激發(fā)興趣，給學(xué)生直觀的印象，用實(shí)際來(lái)驗(yàn)證理論。

２．６ 視頻：超重、失重的應(yīng)用與防止

情境6：播放王亞平太空授課、神舟十六號(hào)的部分視頻。

通過(guò)我國(guó)航天員王亞平的太空授課，讓學(xué)生了解在完全失重條件下，液滴呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的球形，水中氣泡浮力消失。根據(jù)這些現(xiàn)象，人們思考利用完全失重的環(huán)境制作理想滾珠和高品質(zhì)的泡沫金屬（圖１5）。播放神舟十六號(hào)飛船升空、運(yùn)行、返回部分過(guò)程，介紹中國(guó)航空航天領(lǐng)域取得的成就，引導(dǎo)學(xué)生分析出在航天器中如何操作才能減少超重、失重對(duì)人體帶來(lái)的傷害。

設(shè)計(jì)意圖：介紹超重、失重的應(yīng)用與防止，落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)，提高民族自豪感，鼓勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)、報(bào)效祖國(guó)，體現(xiàn)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

２．７ 實(shí)踐性作業(yè)

作業(yè)１：圖１6為某位同學(xué)緩慢下蹲站起、快速下蹲站起的圖像，通過(guò)標(biāo)出的數(shù)據(jù)，分別求出兩種情況下人加速下降時(shí)的最大加速度。

作業(yè)２：利用自制教具——完全失重演示儀，在課堂上演示實(shí)驗(yàn)（圖１7）：兩個(gè)蹄形磁鐵Ｎ、Ｓ極相對(duì)，間隔一定距離放在整理箱底部，靜止時(shí)兩個(gè)磁鐵沒(méi)有吸引到一起，釋放后，兩個(gè)磁鐵吸到了一起，請(qǐng)分析原因。

作業(yè)３：請(qǐng)利用完全失重演示儀在課下研究更多的完全失重實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：從圖像中獲取信息，用理論來(lái)解釋實(shí)際問(wèn)題；設(shè)置情境化作業(yè)，維持探究的熱情，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

３ 總結(jié)與反思

物理學(xué)是一門(mén)自然學(xué)科，因此物理教學(xué)不能脫離情境，物理學(xué)也是在解決不同的情境問(wèn)題中逐步發(fā)展和完善起來(lái)的，因此物理課堂上盡可能創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察、體驗(yàn)。另外，物理學(xué)不是對(duì)客觀事物的簡(jiǎn)單描述，而是對(duì)其本質(zhì)屬性的抽象和概括，這就需要設(shè)法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)、科學(xué)推理及科學(xué)論證，逐步養(yǎng)成和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，從而培育學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國(guó)教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７ 年版2020年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20．

［２］中華人民共和國(guó)教育部.國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)［ＥＢ／ＯＬ］．（2019-06-１１）［２０２４－０６－２６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｅ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｊｙｂ＿ｘｘｇｋ／ｍｏｅ＿

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（欄目編輯 李富強(qiáng)）