唐珊珊?李衛(wèi)東

摘 要：新課標(biāo)倡導(dǎo)教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)，筆者基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度出發(fā)，設(shè)計(jì)了“力的合成”教學(xué)方案，對人教版教材順序做出調(diào)整，補(bǔ)充了“力的合成定則的計(jì)算法——余弦定理”。并在此基礎(chǔ)上，著重討論了在教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、發(fā)展學(xué)生物理思維品質(zhì)，從而全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);教材編排

一、設(shè)計(jì)意圖

“力的合成”是人教版高中物理必修1第三章第四節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)課前，學(xué)生學(xué)習(xí)了速度、加速度、位移等矢量，又學(xué)習(xí)了常見的三種力，即重力、彈力、摩擦力，“力的合成”是學(xué)生第一次接觸矢量合成，這對高一學(xué)生有一定的挑戰(zhàn)性。如何使學(xué)生在共線力合成的基礎(chǔ)上理解存在夾角的兩個(gè)力的合成法則是本節(jié)課需要解決的難題。

二、教學(xué)目標(biāo)

知識目標(biāo)：理解合力、分力、共點(diǎn)力的概念，掌握并能熟練應(yīng)用平行四邊形法則。

能力目標(biāo)：自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，能夠利用力的圖示表示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠利用多組實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出力的合成所遵循的運(yùn)算法則。

態(tài)度目標(biāo)：通過實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以生活實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理問題、解決物理問題的能力。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：理解合力、分力的概念，掌握平行四邊形法則。

教學(xué)難點(diǎn)：平行四邊形法則的理解。

四、教學(xué)過程

本節(jié)課包括兩個(gè)內(nèi)容， 人教版教材編排順序先是“力的合成”，再是“共點(diǎn)力”，但實(shí)際上只有作用在同一個(gè)物體上的幾個(gè)力才能合成，也就是說“力的合成”是以“共點(diǎn)力”為基礎(chǔ)的。所以，在教學(xué)中，我們可以對教材內(nèi)容順序進(jìn)行調(diào)整，在講“力的合成”之前，先講“共點(diǎn)力”的概念，再以“等效替代”的思想為“力的合成”的切入點(diǎn)，引出“合力”“分力”的概念，由此展開本節(jié)課的內(nèi)容。

1.創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

【教師活動】創(chuàng)設(shè)情境：由生活經(jīng)驗(yàn)，一桶水一個(gè)人可以提，也可以兩個(gè)人一起抬，也就是說，兩個(gè)人對水桶的作用與一個(gè)人對桶的作用效果是相同的，一個(gè)力的作用效果可以用兩個(gè)力代替，這種等效替代的關(guān)系就是我們這節(jié)課要學(xué)的合力與分力的關(guān)系。其中，一個(gè)力就叫作這兩個(gè)力的合力，兩個(gè)力就叫作這一個(gè)力的分力。

【提出問題】兩個(gè)人合作提水比一個(gè)人更省力，反問學(xué)生，兩個(gè)人合作提水一定更省力嗎？

【學(xué)生活動】教師反問引起學(xué)生懷疑，有的學(xué)生可能會反應(yīng)過來不一定更省力，但大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為兩人合作抬水比一人提水更省力。

【教師活動】用彈簧測力計(jì)模擬這一情景，先用一個(gè)彈簧測力計(jì)提起重物，找一個(gè)學(xué)生讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)，再用兩個(gè)彈簧測力計(jì)提起重物（直接使得兩個(gè)測力計(jì)成較大夾角），分別讀出此時(shí)兩個(gè)彈簧測力計(jì)的示數(shù)。比較兩次提起重物時(shí)測力計(jì)的示數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)彈簧測力計(jì)提起重物時(shí)，示數(shù)均大于一個(gè)彈簧測力計(jì)提起重物的示數(shù)。說明：兩個(gè)人合作提水有可能比一個(gè)人提水更費(fèi)力。（引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突）

【教師活動】逐漸減小兩個(gè)彈簧測力計(jì)之間的夾角，觀察此時(shí)彈簧測力計(jì)的示數(shù)，并與前兩次做比較。

【學(xué)生活動】讀出此時(shí)兩個(gè)彈簧測力計(jì)的示數(shù)均小于前兩次提起重物時(shí)彈簧測力計(jì)的示數(shù)。說明：兩個(gè)人提水有可能比一個(gè)人提水更省力。

【教師總結(jié)】也就是說，合力的大小可能大于分力，也有可能小于分力，引出本節(jié)課的重難點(diǎn)，即探究合力與分力之間的關(guān)系。

2.自主實(shí)驗(yàn)，探究規(guī)律

請學(xué)生以小組為單位，根據(jù)所提供的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

【實(shí)驗(yàn)器材】木板一塊、彈簧秤兩個(gè)、細(xì)繩若干條、橡皮筋一條、鉤碼若干、白紙、鉛筆、直尺、量角器、磁鐵等。

【學(xué)生活動】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：

（1）在圖板上固定好一張白紙，將橡皮筋的一端固定在A處，過A畫一條標(biāo)記線AB。

（2）用兩個(gè)測力計(jì)鉤住橡皮筋下端的線圈，對稱地把橡皮筋下端拉到O，標(biāo)好O點(diǎn)位置（注意：橡皮筋要與標(biāo)線重合），記下夾角θ和拉力 F1、F2的大小。

（3）改用一個(gè)彈簧測力計(jì)把橡皮筋下端同樣拉至O點(diǎn)，記下拉力F的大小。

（實(shí)驗(yàn)過程兩個(gè)分力夾角的取值可從特殊（如120°、90°）到一般，取特殊角便于分析和得出合力與分力的關(guān)系，由特殊到一般也符合我們學(xué)習(xí)的規(guī)律。）

【教師活動】引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在紙上，取其中三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。分析如下：三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別是菱形、矩形、平行四邊形，用力的圖示表示出合力與分力，觀察力的圖示，如圖1所示。

【學(xué)生活動】菱形和矩形都是特殊的平行四邊形。所以三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：合力與分力可以分別用平行四邊形的一組鄰邊和對角線表示。

【教師活動】總結(jié)：通過以上實(shí)驗(yàn)，合力與分力之間滿足平行四邊形定則，即兩個(gè)共點(diǎn)力的合力，可以用表示這兩個(gè)分力的線段為鄰邊構(gòu)成的平行四邊形的對角線表示，這就叫作力的平行四邊形定則。

3.數(shù)物結(jié)合，定則量化

【教師活動】通過實(shí)驗(yàn)得到了合力與分力之間遵循平行四邊形定則，分力夾角為特殊角（90°或120°）時(shí)，很容易計(jì)算出合力的大小，當(dāng)兩個(gè)分力的夾角為任意值時(shí)，如何計(jì)算合力的大小？

由圖2易得F合=F12+F22=2F1F2Fcosθ，這其實(shí)就是數(shù)學(xué)上的余弦定理的形式c2=a2+b2+2abcosθ，也就是說，在已知二力大小及其夾角的情況下就可以求得合力的大小。

綜上，在已知兩個(gè)分力的情況下，由平行四邊形定則可以找到兩個(gè)分力的合力，通過余弦定理可以計(jì)算出合力的大小。

4.結(jié)合實(shí)際，應(yīng)用規(guī)律

【教師活動】播放利用千斤頂抬起汽車的視頻，請學(xué)生觀察并分析千斤頂可以幫助人以省力的方式抬起重物的原因。

【學(xué)生活動】仔細(xì)觀察，作出千斤頂工作時(shí)的力的示意圖，表示合力與分力的關(guān)系，分析它省力的原因。

5.思維遷移，升華主題

力是矢量，“力的合成”是矢量求和的運(yùn)算，通過上面的探究，我們已經(jīng)得出力的合成遵循平行四邊形定則。相對于以前學(xué)習(xí)的標(biāo)量求和的簡單運(yùn)算，矢量的運(yùn)算則需要考慮方向和夾角的問題。實(shí)際上，平行四邊形定則不僅適用于力的合成，它也是所有矢量合成的定則。本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)也為我們學(xué)習(xí)速度、加速度、位移等矢量以及運(yùn)動的合成打下基礎(chǔ)。

五、基于核心素養(yǎng)的提升的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.從核心概念到物理觀念

物理觀念是學(xué)生理解自然現(xiàn)象本質(zhì)的基礎(chǔ)，是學(xué)生對物理概念和物理規(guī)律等在大腦的提煉和升華。在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生在初中時(shí)期學(xué)習(xí)過共線。力的合成，同向相加，反向相減。學(xué)生容易形成合力總是大于分力的前概念，所以在教學(xué)的引入環(huán)節(jié)用彈簧測力計(jì)模擬提水的生活情景，得出合力也有可能小于分力，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，引發(fā)其學(xué)習(xí)探究的興趣。結(jié)合生活實(shí)例，引發(fā)認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍，形成正確的物理觀念。

2.從實(shí)驗(yàn)探究到科學(xué)思維

在探究力的合成規(guī)律時(shí)，用彈簧測力計(jì)等實(shí)驗(yàn)用具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典又簡單的探究方法，我們要注意的是，在用力的圖示記錄和表示每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，盡可能做到準(zhǔn)確，因?yàn)閷τ涗浗Y(jié)果的分析是得出規(guī)律的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)誤差較大有可能使實(shí)際結(jié)果偏離理論結(jié)果。另外，在分力夾角的取值上，除特殊角（120°、90°）外，鼓勵學(xué)生自由選擇夾角多進(jìn)行幾組實(shí)驗(yàn)。在分析記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生從特殊角入手，觀察分力與合力的關(guān)系，初步得出合力的大小可用以分力為鄰邊形成的平行四邊形的對角線來表示，然后用非特殊角的幾次實(shí)驗(yàn)的力的圖示去驗(yàn)證，排除特殊角得出結(jié)果的偶然性，使結(jié)論具有普遍意義，歸納總結(jié)出平行四邊形定則。

教師在引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析處理、歸納總結(jié)得出規(guī)律的過程中，可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和對科學(xué)探究的過程和結(jié)果進(jìn)行交流、反思的能力。

3.從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任到回歸生活

核心素養(yǎng)下的物理教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識并理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境存在的相互關(guān)系。將理論規(guī)律應(yīng)用于分析千斤頂力學(xué)實(shí)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)從課本回歸到生活，拉近了物理與生活的距離，讓學(xué)生明白物理知識從課本中來，但最終還是要回到生活中去，培養(yǎng)學(xué)生觀察生活，關(guān)注科學(xué)技術(shù)的習(xí)慣。

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[2]蔣天林.基于學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升的教學(xué)實(shí)踐——以“行星的運(yùn)動”一課為例[J].物理教師，2017（1）： 7-15.

作者簡介：唐珊珊（1993— ），女，陜西商洛人，碩士在讀，研究方向：課程與教學(xué)論（物理）;

李衛(wèi)東（1957— ），男，陜西米脂人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：物理教育教學(xué)。