葉晟波

(慈溪中學(xué) 浙江 慈溪 315300)

物理教育的目標(biāo)應(yīng)該是人的物理知識(shí)、能力、智慧、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任感等素養(yǎng)的全面成長(zhǎng).物理教師要達(dá)到物理學(xué)科的育人效果，應(yīng)聚焦核心素養(yǎng)，將物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面自始至終貫穿在每一節(jié)物理課中.值得提倡的教學(xué)設(shè)計(jì)可以情境引問(wèn)題，以問(wèn)題導(dǎo)探究，以探究促真知，轉(zhuǎn)識(shí)成智，從而使高中物理教學(xué)過(guò)程成為學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成過(guò)程，最后向現(xiàn)實(shí)生活回歸，成為能解決問(wèn)題，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的個(gè)體.下面以“力的合成”的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施為例，著眼4個(gè)方面將物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)活動(dòng)的全過(guò)程.

1 基于物理核心素養(yǎng)確定教學(xué)的目標(biāo)和內(nèi)容

物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要以了解學(xué)生已有知識(shí)、概念、規(guī)律的掌握情況為前提，中學(xué)課堂“科學(xué)探究”不等同于科學(xué)家的科研工作，科研工作是挑戰(zhàn)未知，中學(xué)課堂是“探究”已知，所以教師需要對(duì)學(xué)生學(xué)情進(jìn)行了解.在“力的合成”這節(jié)新課前學(xué)生已經(jīng)掌握以下4個(gè)方面的知識(shí).

(1)已經(jīng)了解力的概念和幾種常見(jiàn)力，初步了解等效替代思想，如重心的定義.某物體受到的重力是與各部分所受的重力等效的一個(gè)力，等效重力的作用點(diǎn)稱為重心，等效替代思想使我們研究問(wèn)題簡(jiǎn)單化，這為合力與分力是在作用效果上等價(jià)的思想做好鋪墊.

(2)基本掌握了用圖示法表示力的大小和方向，使學(xué)生有能力探究合力與分力的圖像關(guān)系.

(3)力的合成還僅限于同一直線上的合成運(yùn)算，如二力平衡，互成角度的多個(gè)力如何合成就是本節(jié)課要探究的問(wèn)題.

(4)前幾章的學(xué)習(xí)已經(jīng)對(duì)矢量有了初步的了解，如位移、速度和加速度矢量，這節(jié)課主要研究矢量的合成方法.

根據(jù)以上的學(xué)情結(jié)合教材分析，本節(jié)課將通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出力的合成的法則，并進(jìn)一步認(rèn)識(shí)矢量和標(biāo)量，為用共點(diǎn)力的平衡條件分析生產(chǎn)生活的問(wèn)題打下基礎(chǔ).

2 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)情境是優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在情境中聚焦問(wèn)題，隨著問(wèn)題的解決，從而使新的問(wèn)題、新的觀念進(jìn)入學(xué)生的視野，在“力的合成”中教師可以在新課引入和物理規(guī)律的探究中創(chuàng)設(shè)情境.

2.1 新課引入中創(chuàng)設(shè)情境

課題引入作為一堂課的開(kāi)端，對(duì)于新課的展開(kāi)以及整堂課的結(jié)構(gòu)完整性具有重要的意義和價(jià)值.有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究熱情，是課題引入的關(guān)鍵，所以在新課引入環(huán)節(jié)，如何做到切合實(shí)際生活，使課堂引入實(shí)驗(yàn)具有良好的操作性、觀察性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.

2.1.1 通過(guò)教師演示實(shí)驗(yàn)引入新課

教師演示實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二分別如圖1和圖2所示.實(shí)驗(yàn)一中，一根繩子對(duì)鉤碼的拉力F使鉤碼處于靜止?fàn)顟B(tài)，兩根繩子對(duì)鉤碼的拉力F1和F2也使鉤碼處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以F的作用效果和F1,F2共同作用效果相同，從力的作用效果上看力F可以等效替代F1和F2.

圖1 實(shí)驗(yàn)一:繩子拉鉤碼

圖2 實(shí)驗(yàn)二:手拉橡皮條

實(shí)驗(yàn)二中，用兩根繩子的拉力F1和F2將橡皮條拉伸到O點(diǎn)，用一根繩子的拉力F將橡皮條拉伸到相同的O點(diǎn)，從力的作用效果上看力F可以等效替代F1和F2.從實(shí)驗(yàn)一和二得到，兩個(gè)力或者幾個(gè)力與一個(gè)力作用效果相同，這個(gè)力稱為合力，兩個(gè)力或者幾個(gè)力稱為分力.

教師通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單明了地提出了合力與分力的關(guān)系，學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上體會(huì)了“等效”的物理思想.

2.1.2 設(shè)置懸念引入新課

新高一年級(jí)開(kāi)學(xué)，在墻角懸掛班級(jí)吉祥物如圖3所示，安裝的時(shí)候關(guān)于繩子的選擇，學(xué)生們展開(kāi)討論，有的學(xué)生認(rèn)為OA繩應(yīng)該更結(jié)實(shí)點(diǎn)，有的學(xué)生認(rèn)為OB繩應(yīng)該更結(jié)實(shí)點(diǎn)，有的學(xué)生認(rèn)為OA繩和OB繩的受力沒(méi)有區(qū)別，用一樣的繩就可以，你同意誰(shuí)的觀點(diǎn)？讓學(xué)生猜測(cè)可能的情況，再用實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)自己的猜測(cè).器材是鉤碼和相同的兩根繩子OA和OB，打結(jié)后在結(jié)點(diǎn)懸掛鉤碼，逐步增加鉤碼的數(shù)量觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.這種通過(guò)生活中的現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生求知興趣，通過(guò)有懸念的實(shí)驗(yàn)演示調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的欲望.

圖3 懸掛繩子的選擇

2.1.3 通過(guò)學(xué)生體驗(yàn)過(guò)程引入新課

實(shí)驗(yàn)器材是一個(gè)20 kg的杠鈴，一條10 m長(zhǎng)的繩子.第一次讓一個(gè)女生把杠鈴提起如圖4所示，女生提起比較輕松.第二次讓班里兩個(gè)力氣比較大的男生，各拉繩子的一端，距離稍微遠(yuǎn)點(diǎn)，用力把杠鈴提起.第三次讓兩個(gè)男生間隔盡可能遠(yuǎn)點(diǎn)如圖5所示，再次拉繩，繩子接近一條直線，學(xué)生們非常吃力的想把杠鈴提起，最后沒(méi)提起.

圖4 女生提杠鈴

圖5 兩個(gè)男生提杠鈴

情境中女生一人提杠鈴的力F和兩個(gè)男生提杠鈴的力F1和F2作用效果都是使杠鈴處于靜止?fàn)顟B(tài)，這樣創(chuàng)設(shè)的目的有3個(gè).一是想引導(dǎo)學(xué)生在此情境中區(qū)分合力和分力的概念；二是女生輕松，兩男生用力，說(shuō)明男生提杠鈴的力F1和F2的力比較大，合力與分力在大小上可能不是簡(jiǎn)單的加減；三是兩個(gè)男生間隔越遠(yuǎn)，兩拉力夾角越大越吃力，當(dāng)距離很遠(yuǎn)，繩子接近一條直線的時(shí)候即使是這么大力氣的男生竟然沒(méi)提起杠鈴，這說(shuō)明在合力不變的情況下，分力跟夾角有關(guān)系. 學(xué)生的3個(gè)體驗(yàn)層層遞進(jìn)，在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)，有所聯(lián)想，萌發(fā)新的科學(xué)問(wèn)題，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生去解決新的問(wèn)題.

筆者嘗試了以上3種引入新課的方法，教師演示實(shí)驗(yàn)引入新課直接明了，恰到好處的設(shè)疑和讓學(xué)生參與體驗(yàn)這兩種導(dǎo)入都可以使學(xué)生積極參與學(xué)科活動(dòng).3種引入新課的方法都創(chuàng)造了良好的教學(xué)情境，與教學(xué)內(nèi)容水乳交融，幫助學(xué)生啟迪思維，是學(xué)生知識(shí)建構(gòu)、發(fā)展能力的興奮劑和催化劑，針對(duì)不同的學(xué)生可以選擇不同的導(dǎo)入方式，從而可以順理成章地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探合力與分力大小和方向的關(guān)系.

2.2 物理規(guī)律的探究需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境

實(shí)驗(yàn)器材：大重錘(2 kg)、兩根一樣的細(xì)線(每根拉力略大于20 N)

實(shí)驗(yàn)1：教師用一根細(xì)線把重錘提起來(lái)如圖6(a)所示.

問(wèn)題1：兩根相同的細(xì)線能否把重錘提起來(lái)呢？

實(shí)驗(yàn)2：提起后如圖6(b)所示，把兩根細(xì)線夾角逐漸增大，當(dāng)夾角超過(guò)120°線斷了.

圖6 重錘實(shí)驗(yàn)

問(wèn)題2：為什么兩根細(xì)線反而提不起呢？說(shuō)明力的運(yùn)算不是簡(jiǎn)單的代數(shù)和.

問(wèn)題3：那么力的運(yùn)算符合什么規(guī)律呢？

通過(guò)幾個(gè)動(dòng)作，幾個(gè)問(wèn)題，短短幾秒鐘，建立了“物理知識(shí)和具體情境的關(guān)聯(lián)”，從情境中發(fā)現(xiàn)，力的運(yùn)算不是簡(jiǎn)單的代數(shù)和，如果是，那么細(xì)線就不會(huì)斷了，從而引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已知知識(shí)制定探究計(jì)劃，探究力的運(yùn)算符合什么規(guī)律.

3 重視科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理課堂上優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，就應(yīng)重視科學(xué)探究，尤其重視物理實(shí)驗(yàn)，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度方面有重大作用.

在“力的合成”教學(xué)中我們應(yīng)選擇合適的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，以下列舉了幾種探究合力與分力大小和方向關(guān)系的實(shí)驗(yàn).

方案1：利用彈簧測(cè)力計(jì)探究合力與分力的關(guān)系

如圖7(a)，輕質(zhì)小圓環(huán)掛在橡皮條的一端，另一端固定，橡皮條的長(zhǎng)度為GE，在圖7(b)中小圓環(huán)連接兩個(gè)繩套，用手通過(guò)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)F1,F2共同拉動(dòng)繩套，使小圓環(huán)處于O點(diǎn)，橡皮條伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度為EO.撤去F1,F2，改用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)F拉動(dòng)繩套，如圖7(c)，使小圓環(huán)處于O點(diǎn).力F單獨(dú)作用與F1,F2共同作用的效果一樣，都使小圓環(huán)保持靜止，由于兩次橡皮條伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度相同，即橡皮條對(duì)小圓環(huán)的拉力相同，所以F等于F1,F2的合力.

圖7 利用彈簧測(cè)力計(jì)探究合力與分力的關(guān)系

該實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，自主探究.學(xué)生可以把探究課題分成4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小問(wèn)題，(1)用什么器材和方法來(lái)確定分力F1，F(xiàn)2以及合力F的大小和方向？(2)怎樣保證分力F1,F2的作用效果與合力F的作用效果相同 ？(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要記錄以及怎樣記錄哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？(4)怎樣以直觀簡(jiǎn)潔的方式來(lái)表示分力F1,F2與合力F的大小與方向 ？根據(jù)課堂觀察，此實(shí)驗(yàn)方案在觀察和體驗(yàn)后學(xué)生會(huì)有所發(fā)現(xiàn)，觀察、收集和處理信息的能力相應(yīng)提高，使學(xué)生在探究能力、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度等方面有效提升.

方案2：懸掛鉤碼法研究力的合成

如圖8(a)，橡皮條GE在兩個(gè)力F1,F2共同作用下，沿直線伸長(zhǎng)EO，圖8(b)中撤去F1,F2，用一個(gè)力F使橡皮條伸長(zhǎng)相同的長(zhǎng)度，則F1,F2對(duì)橡皮條的作用效果和F單獨(dú)作用的效果相同，所以F等于F1,F2的合力.該裝置的缺點(diǎn)是多次測(cè)量時(shí)調(diào)整不便，而且3個(gè)力的大小比較難保證鉤碼個(gè)數(shù)為整數(shù)且效果相同.

圖8 鉤碼拉橡皮條

方案3：利用傳感器研究力的合成實(shí)驗(yàn)

如圖9所示，利用力傳感器和自制的力矩盤(pán)、鉤碼等器材獲得精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)傳感器配套軟件得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.該裝置充分利用了現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)驗(yàn)精度高，但是傳感器的數(shù)據(jù)系統(tǒng)本身是按照平行四邊形設(shè)計(jì)的，最終結(jié)果肯定符合平行四邊形，這與物理實(shí)驗(yàn)精神是相悖的.

圖9 力傳感器

筆者讓高一年級(jí)不同班級(jí)的學(xué)生嘗試了以上3種探究方案，認(rèn)為方案1讓學(xué)生親自實(shí)踐和體驗(yàn)，更能在學(xué)科活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

4 通過(guò)問(wèn)題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成

當(dāng)今世界選拔人才的標(biāo)準(zhǔn)是能否解決問(wèn)題，所學(xué)的科學(xué)結(jié)論也需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，那么我們的物理教學(xué)就要優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，從各方面培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力.教師可以在“力的合成”一節(jié)中，創(chuàng)設(shè)一些生成價(jià)值的情境，建構(gòu)問(wèn)題研究的模型，嘗試通過(guò)以下兩方面解決實(shí)際問(wèn)題，從而發(fā)展學(xué)生的思維，增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí).

4.1 圍繞課前設(shè)疑 解決實(shí)際問(wèn)題

圍繞課前設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生思考課前兩個(gè)男生為什么沒(méi)提起杠鈴的原因；或者分析學(xué)生們討論安裝班級(jí)吉祥物時(shí)關(guān)于繩子選擇問(wèn)題的理論依據(jù).解決課前所創(chuàng)設(shè)的情境留下來(lái)的問(wèn)題，體現(xiàn)了物理源于生活又應(yīng)用于生活的學(xué)科特點(diǎn).最后可以以“雙手?jǐn)嚆~絲”實(shí)驗(yàn)結(jié)尾如圖10所示，延伸課堂，設(shè)置新問(wèn)題，為力的分解承接過(guò)渡.

圖10 雙手?jǐn)嚆~絲

4.2 學(xué)生操作體驗(yàn) 增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)

通過(guò)如圖11所示的學(xué)生小實(shí)驗(yàn)，感受下桿的彈力方向，同時(shí)猜測(cè)繩索下移時(shí)，手部受到的力大小如何變化，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)思考手部受到的力大小變化的原因.在以上創(chuàng)造性解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，最后體驗(yàn)手部受到的力，驗(yàn)證猜想并理論分析手部受到的力大小為什么這樣變化，拓展物理知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.

圖11 感受彈力

在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的中學(xué)物理課堂里，教師可以提供具體的物理情境，以此啟發(fā)學(xué)生提出問(wèn)題，制定符合課程目標(biāo)的探究計(jì)劃進(jìn)行物理規(guī)律的探究，最后指導(dǎo)學(xué)生自主、合作解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)最終的轉(zhuǎn)識(shí)成智.當(dāng)然物理學(xué)科核心素養(yǎng)不可能在高中物理教學(xué)中就畢其功于一役，它隨著物理學(xué)的發(fā)展，也隨著學(xué)生們進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)會(huì)不斷發(fā)展.所以，教師要走上以培育核心素養(yǎng)為依據(jù)的物理教學(xué)設(shè)計(jì)的路徑上來(lái)，為學(xué)生們下一步的學(xué)習(xí)與發(fā)展留下足夠的空間.