陳國斌，郭麗萍

摘? ? 要：以高三物理復(fù)習(xí)課“輕繩與彈簧的彈力突變問題”為例，通過“情境—推理—驗證”的科學(xué)探究過程，強化學(xué)生的物理觀念，提升學(xué)生的科學(xué)思維，升華學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。通過設(shè)計教學(xué)核心環(huán)節(jié)來發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，使之內(nèi)化為學(xué)生的必備品格和關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);彈力突變;教學(xué)設(shè)計;模型建構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0032-4

隨著新課改的逐步深入，教育由“知識核心時代”升級到“核心素養(yǎng)時代”，強調(diào)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。2018年初教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“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個方面[1]。

基于物理核心素養(yǎng)，以高三物理牛頓運動定律的應(yīng)用“輕繩與彈簧的彈力突變問題”復(fù)習(xí)課教學(xué)為例，進行滲透核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計。

1? ?; 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)流程

以科學(xué)思維為主導(dǎo)，以“情境—模型—推理—驗證—應(yīng)用”為課堂教學(xué)架構(gòu)，以學(xué)生的物理知識學(xué)習(xí)與學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展為目標(biāo)，設(shè)計了如圖1所示的教學(xué)流程。

2? ? ?基于核心素養(yǎng)的“輕繩與輕彈簧的彈力突變問題”教學(xué)設(shè)計

2.1? ? 教學(xué)內(nèi)容分析

近年高考中，出現(xiàn)了由輕彈簧和質(zhì)點組成的擺類題型[2]，但教師對于此類問題的教學(xué)往往只是反復(fù)誘導(dǎo)學(xué)生機械地得出結(jié)論，學(xué)生對其本質(zhì)含糊不清或?qū)⒔Y(jié)論“口訣”化，導(dǎo)致遷移運用時似是而非。物理學(xué)中的公式和定理、定律很簡潔，但只有知其來龍去脈，才能靈活運用這些知識去解決實際的物理問題?！拜p繩與彈簧的彈力突變問題”綜合了4個核心的物理觀念（物質(zhì)觀念、運動觀念、能量觀念、相互作用觀念），只有科學(xué)合理地設(shè)計課堂探究活動，才能讓學(xué)生在深度學(xué)習(xí)過程中體悟此類物理現(xiàn)象的本質(zhì)，在活動中提升科學(xué)思維能力，強化頭腦中并不清晰的物理觀念。

2.2? ? 教學(xué)過程的核心環(huán)節(jié)

環(huán)節(jié)一? 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

創(chuàng)設(shè)問題情境：放在地面上的木塊與一輕彈簧相連，輕彈簧處于自然伸長狀態(tài)?，F(xiàn)用水平作用力F拉動彈簧，隨著拉力作用點的移動，木塊起初保持靜止，當(dāng)力增大到一定程度時，保持此時拉力大小不變。其示意圖及拉力F與作用點移動距離的關(guān)系如圖2所示。

問題1：上述過程中拉力做功多少？

學(xué)生：通過求解F-x圖像中的梯形面積可求出拉力做功為：W=20 J。

問題2：上述過程中在前0.2 s拉力的做功對象是誰？

學(xué)生1：木塊。

學(xué)生2：彈簧。

教師：對于木塊，它在這0.2 s沒有發(fā)生位移;對于彈簧，題目條件“輕彈簧”說明不計彈簧重力，所以拉力在這段時間沒有對彈簧做功。

學(xué)生3：木塊沒有位移，所以做功對象不是木塊;不計重力不等于不計彈簧質(zhì)量，所以拉力在這0.2 s的做功對象是彈簧。

設(shè)計說明：高中階段，所謂“輕彈簧”大多時候是在研究其他問題時忽略彈簧重力的影響，但彈性勢能的積累需要其質(zhì)量作為載體，因此其質(zhì)量在能量的積累與衰減過程中是不能不考慮的[3]。該環(huán)節(jié)在學(xué)生已有知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以問題情境引導(dǎo)學(xué)生思維活動，能有效強化學(xué)生的物理觀念，特別是其中的質(zhì)量觀念和能量觀念。

環(huán)節(jié)二? 創(chuàng)設(shè)情境，建構(gòu)模型

創(chuàng)設(shè)活動情境：教師讓5個學(xué)生手拉手靠緊排成一排，另外再讓兩個學(xué)生分別拉動隊伍兩頭的學(xué)生，相鄰學(xué)生手被拉直后依次往拉力方向移動，移動過程中手不松開（圖3）。

教師：5個學(xué)生從緊靠著到手被拉直的過程中狀態(tài)是如何變化的？

學(xué)生1：剛開始可以把5人看成一個整體，在外力拉動后，由外而內(nèi)順次向兩邊加速，狀態(tài)各不相同，受力也就不一樣。

教師：從這個現(xiàn)象中你對拉伸彈簧的過程有什么思考？（教師同時拉動手中的彈簧）

學(xué)生2：把彈簧的每一圈看成是一個小物體，拉動彈簧其實是拉動了很多個小物體。

教師：是的，把彈簧看成是由無數(shù)個質(zhì)量很小的微小單元構(gòu)成[4]，同學(xué)們能不能根據(jù)這個設(shè)想畫出相應(yīng)的物理模型？

學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進行合作交流，畫出拉伸彈簧前后的物理模型（圖4）。

設(shè)計說明：從物理“情境”到建構(gòu)物理“模型”的思維過程是物理觀念的深度強化過程，也是培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的過程。模型建構(gòu)是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的難點，通過學(xué)生的親身體驗，感悟模型思想。需要注意的是，該活動不能等效為彈簧被拉伸的情形（彈簧各微元間都存在彈力，人是在手被拉直之后才有作用力），只是借助該環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生思維，完成從情境到模型建構(gòu)的過程。

環(huán)節(jié)三? 建構(gòu)模型，演繹推理

創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境：如圖5所示，甲、乙兩圖中質(zhì)量為m1的小球分別用輕彈簧和輕繩與質(zhì)量為m2的小球相連，并用輕繩懸掛于天花板上，甲、乙圖中小球均靜止。

問題1：懸掛靜止時，甲、乙兩圖下端的彈簧和輕繩分別具有彈力和張力，兩者在狀態(tài)上有何不同？

學(xué)生1：因為都具有彈力，所以兩者都發(fā)生了形變，但輕彈簧比輕繩的形變更明顯。

學(xué)生2：可以用剛才的彈簧模型來表示，輕彈簧的各微小單元間被拉伸得更遠(yuǎn)，輕繩的微小單元間拉伸的距離很小。

教師：非常好，如果現(xiàn)在均從圖5中A處剪斷，則圖甲中的輕彈簧和圖乙中下端繩子的拉力將如何變化？

學(xué)生3：在同樣拉力的情況下，甲圖中各微小單元的間距遠(yuǎn)，需要較長的時間恢復(fù)原狀;乙圖中各微小單元間距短，需要較短的時間恢復(fù)原狀。

教師：表述得非常準(zhǔn)確，這就是“輕繩的彈力可以突變，而輕彈簧的彈力不能發(fā)生突變”。其實質(zhì)就是各自恢復(fù)原長的時間不一樣，兩者在拉伸之后都具有了彈性勢能，在剪斷上方細(xì)繩之后，兩者都要恢復(fù)原長，即彈性勢能要減少，但能量的衰減需要一個過程，輕彈簧具有的能量衰減過程相對較長，不能發(fā)生突變;輕繩的能量衰減過程極短，幾乎“瞬間”完成，可以突變。

問題2：在圖5中剪斷上方細(xì)繩瞬間，甲、乙兩圖m1、m2的加速度分別是多少？

教師引導(dǎo)學(xué)生把圖5甲圖中m1、m2視為輕彈簧的一部分，分居輕彈簧的上、下端點（圖6），并由上而下分析各微小單元的受力情況。

學(xué)生討論、交流并總結(jié)如下：

（1）甲圖中，剪斷上方細(xì)繩瞬間，m1所受合力為自身重力和下方全部微小單元及m2的重力之和，往下各微小單元的合力依次減小，加速度也依次減小;若忽略中間輕彈簧各微小單元的重力，則m1的加速度：a1=■g。m2上方的彈簧來不及形變，彈力不變，合力為零，加速度為零（a2=0）。

（2）乙圖中，剪斷上方繩瞬間，下方輕繩各微小單元在極短時間內(nèi)恢復(fù)原狀，彈力“突變”為零，所以m1、m2分別只受各自重力作用，加速度均為g。

設(shè)計說明：本環(huán)節(jié)是“輕繩與輕彈簧的彈力突變問題”教學(xué)的重點內(nèi)容，在環(huán)節(jié)二已建構(gòu)出彈簧物理模型的基礎(chǔ)上，通過變換情境，利用“微元法”引導(dǎo)學(xué)生思維進階，理解“輕繩與輕彈簧的彈力突變問題”的實質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生掌握解決物理問題的關(guān)鍵能力;抓住知識形成的過程，有效發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四? 實驗驗證，求真務(wù)實

教師：實驗是物理教學(xué)的靈魂，物理學(xué)發(fā)展歷史上很多定律或規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是先通過推理論證，再用實驗加以驗證?，F(xiàn)在，通過一個小實驗對之前的推理進行實驗驗證。

活動：教師把課前根據(jù)圖5安裝好的實驗器材交與學(xué)生1，為了突出現(xiàn)象、對比規(guī)律，制作時將甲、乙兩圖上方用同一細(xì)繩連接（圖7），待彈簧和細(xì)繩穩(wěn)定之后從上方細(xì)繩中間剪斷細(xì)繩;學(xué)生2用手機“慢動作”功能同步拍攝上述過程，并將視頻同屏到學(xué)生電腦和教室大屏幕中，圖8為該視頻截圖（因過程較短，相鄰兩幅截圖時間不超過0.1 s）。

學(xué)生通過慢鏡（可拉動視頻進度條反復(fù)觀看）可清晰看到：剪斷細(xì)繩瞬間，右邊細(xì)繩拉住的兩個鉤碼自由下落;左邊彈簧上端鉤碼因加速度較大，加速運動明顯，彈簧下端鉤碼有短暫的滯留，在上端鉤碼下落一段距離之后才開始下落;視頻慢放反映出來的現(xiàn)象和環(huán)節(jié)三得出的規(guī)律完全吻合。

設(shè)計說明：學(xué)生經(jīng)歷前面3個環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)，通過問題進階促進思維進階，實現(xiàn)了“心理結(jié)構(gòu)”上的理論認(rèn)知，然后通過實驗驗證使思維影響更加深刻，知識記憶更加長久，思維結(jié)構(gòu)更加豐富。

環(huán)節(jié)五? 拓展應(yīng)用，內(nèi)化能力

應(yīng)用情境1：如圖9（a）所示，一質(zhì)量為m的物體系于長度分別為L1、L2的輕彈簧和輕繩上，輕彈簧L1的另一端懸掛于天花板，與豎直方向成θ角，輕繩L2另一端水平系于豎直墻上，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)。求剪斷輕繩L2瞬間物體的加速度？

教學(xué)說明：教師引導(dǎo)學(xué)生從輕彈簧模型特點出發(fā)，利用共點力平衡條件進行分析，容易推導(dǎo)出剪斷輕繩L2瞬間物體的加速度（a=gtanθ）;在強化模型思維的同時，也對牛頓第二定律中的加速度與合外力的瞬時對應(yīng)關(guān)系有了更深的認(rèn)識。

應(yīng)用情境2：若將圖9（a）中的輕彈簧換成長度相同的輕繩，如圖9（b）所示，其他條件不變，則在剪斷輕繩L2的瞬間物體的加速度又為多少？

教學(xué)說明：該情況下有部分學(xué)生誤以為在剪斷輕繩L2瞬間，輕繩L1彈力突變?yōu)榱?，得到物體加速度為g，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物體在輕繩L2被剪斷后的運動情況進行分析，即物體做曲線運動，由切線方向速度可以得到物體加速度（a=gtanθ）。

設(shè)計說明：對所學(xué)知識進行適當(dāng)、有效的拓展，能增強物理觀念，強化模型思想，培養(yǎng)應(yīng)用意識。圖9（b）的應(yīng)用能避免學(xué)生形成任何時候“輕繩彈力都突變?yōu)榱恪彼季S定式。

3? ? 總結(jié)與反思

應(yīng)用“情境—推理—驗證”的探究模式，引導(dǎo)學(xué)生的思維進階;通過模型建構(gòu)，強化物理觀念和科學(xué)思維;在深度學(xué)習(xí)過程中體悟和掌握解決物理問題的基本思路與方法，并能靈活地將所學(xué)知識遷移運用;通過具體實例，體驗物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一般過程，掌握演繹推理的初步能力。

課堂是落實核心素養(yǎng)的主陣地，教師是課堂的組織者和引導(dǎo)者，理應(yīng)以學(xué)生為主體，精心設(shè)計課堂教學(xué)過程，讓學(xué)生在科學(xué)探究活動過程中強化物理觀念、提升科學(xué)思維、升華科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，并使之內(nèi)化為必備品格和關(guān)鍵能力，切實踐行立德樹人的根本任務(wù)。

參考文獻：

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[4]勵箭生.彈簧的彈力會突變嗎？[J].物理教師，2004，25（04）：30-31.（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）