基于核心素养提升的教学设计

    唐珊珊?李卫东

    

    

    摘 要：新课标倡导教学以培养学生的核心素养为目标，笔者基于物理学科核心素养，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度出发，设计了“力的合成”教学方案，对人教版教材顺序做出调整，补充了“力的合成定则的计算法——余弦定理”。并在此基础上，着重讨论了在教学中如何培养学生科学思维、发展学生物理思维品质，从而全面提升学生的科学素养。

    关键词：核心素养;教学设计;教材编排

    一、设计意图

    “力的合成”是人教版高中物理必修1第三章第四节的内容。本节课前，学生学习了速度、加速度、位移等矢量，又学习了常见的三种力，即重力、弹力、摩擦力，“力的合成”是学生第一次接触矢量合成，这对高一学生有一定的挑战性。如何使学生在共线力合成的基础上理解存在夹角的两个力的合成法则是本节课需要解决的难题。

    二、教学目标

    知识目标：理解合力、分力、共点力的概念，掌握并能熟练应用平行四边形法则。

    能力目标：自主进行实验探究，能够利用力的图示表示出实验结果，能够利用多组实验总结得出力的合成所遵循的运算法则。

    态度目标：通过实验探究培养学生实事求是的科学态度，激发学生学习兴趣，以生活实例培养学生从生活中发现物理问题、解决物理问题的能力。

    三、教学重难点

    教学重点：理解合力、分力的概念，掌握平行四边形法则。

    教学难点：平行四边形法则的理解。

    四、教学过程

    本节课包括两个内容， 人教版教材编排顺序先是“力的合成”，再是“共点力”，但实际上只有作用在同一个物体上的几个力才能合成，也就是说“力的合成”是以“共点力”为基础的。所以，在教学中，我们可以对教材内容顺序进行调整，在讲“力的合成”之前，先讲“共点力”的概念，再以“等效替代”的思想为“力的合成”的切入点，引出“合力”“分力”的概念，由此展开本节课的内容。

    1.创设情境，引入新课

    【教师活动】创设情境：由生活經验，一桶水一个人可以提，也可以两个人一起抬，也就是说，两个人对水桶的作用与一个人对桶的作用效果是相同的，一个力的作用效果可以用两个力代替，这种等效替代的关系就是我们这节课要学的合力与分力的关系。其中，一个力就叫作这两个力的合力，两个力就叫作这一个力的分力。

    【提出问题】两个人合作提水比一个人更省力，反问学生，两个人合作提水一定更省力吗？

    【学生活动】教师反问引起学生怀疑，有的学生可能会反应过来不一定更省力，但大多数学生认为两人合作抬水比一人提水更省力。

    【教师活动】用弹簧测力计模拟这一情景，先用一个弹簧测力计提起重物，找一个学生读出弹簧测力计的示数，再用两个弹簧测力计提起重物（直接使得两个测力计成较大夹角），分别读出此时两个弹簧测力计的示数。比较两次提起重物时测力计的示数，发现两个弹簧测力计提起重物时，示数均大于一个弹簧测力计提起重物的示数。说明：两个人合作提水有可能比一个人提水更费力。（引发学生的认知冲突）

    【教师活动】逐渐减小两个弹簧测力计之间的夹角，观察此时弹簧测力计的示数，并与前两次做比较。

    【学生活动】读出此时两个弹簧测力计的示数均小于前两次提起重物时弹簧测力计的示数。说明：两个人提水有可能比一个人提水更省力。

    【教师总结】也就是说，合力的大小可能大于分力，也有可能小于分力，引出本节课的重难点，即探究合力与分力之间的关系。

    2.自主实验，探究规律

    请学生以小组为单位，根据所提供的实验器材设计实验，进行实验探究。

    【实验器材】木板一块、弹簧秤两个、细绳若干条、橡皮筋一条、钩码若干、白纸、铅笔、直尺、量角器、磁铁等。

    【学生活动】设计实验：

    （1）在图板上固定好一张白纸，将橡皮筋的一端固定在A处，过A画一条标记线AB。

    （2）用两个测力计钩住橡皮筋下端的线圈，对称地把橡皮筋下端拉到O，标好O点位置（注意：橡皮筋要与标线重合），记下夹角θ和拉力 F1、F2的大小。

    （3）改用一个弹簧测力计把橡皮筋下端同样拉至O点，记下拉力F的大小。

    （实验过程两个分力夹角的取值可从特殊（如120°、90°）到一般，取特殊角便于分析和得出合力与分力的关系，由特殊到一般也符合我们学习的规律。）

    【教师活动】引导学生将实验结果记录在纸上，取其中三次实验结果进行分析总结。分析如下：三次实验结果，分别是菱形、矩形、平行四边形，用力的图示表示出合力与分力，观察力的图示，如图1所示。

    【学生活动】菱形和矩形都是特殊的平行四边形。所以三次实验结果表明：合力与分力可以分别用平行四边形的一组邻边和对角线表示。

    【教师活动】总结：通过以上实验，合力与分力之间满足平行四边形定则，即两个共点力的合力，可以用表示这两个分力的线段为邻边构成的平行四边形的对角线表示，这就叫作力的平行四边形定则。

    3.数物结合，定则量化

    【教师活动】通过实验得到了合力与分力之间遵循平行四边形定则，分力夹角为特殊角（90°或120°）时，很容易计算出合力的大小，当两个分力的夹角为任意值时，如何计算合力的大小？

    由图2易得F合=F12+F22=2F1F2Fcosθ，这其实就是数学上的余弦定理的形式c2=a2+b2+2abcosθ，也就是说，在已知二力大小及其夹角的情况下就可以求得合力的大小。

    综上，在已知两个分力的情况下，由平行四边形定则可以找到两个分力的合力，通过余弦定理可以计算出合力的大小。

    4.结合实际，应用规律

    【教师活动】播放利用千斤顶抬起汽车的视频，请学生观察并分析千斤顶可以帮助人以省力的方式抬起重物的原因。

    【学生活动】仔细观察，作出千斤顶工作时的力的示意图，表示合力与分力的关系，分析它省力的原因。

    5.思维迁移，升华主题

    力是矢量，“力的合成”是矢量求和的运算，通过上面的探究，我们已经得出力的合成遵循平行四边形定则。相对于以前学习的标量求和的简单运算，矢量的运算则需要考虑方向和夹角的问题。实际上，平行四边形定则不仅适用于力的合成，它也是所有矢量合成的定则。本节内容的学习也为我们学习速度、加速度、位移等矢量以及运动的合成打下基础。

    五、基于核心素养的提升的教学设计

    1.从核心概念到物理观念

    物理观念是学生理解自然现象本质的基础，是学生对物理概念和物理规律等在大脑的提炼和升华。在学习本节课之前，学生在初中时期学习过共线。力的合成，同向相加，反向相减。学生容易形成合力总是大于分力的前概念，所以在教学的引入环节用弹簧测力计模拟提水的生活情景，得出合力也有可能小于分力，使学生产生认知冲突，引发其学习探究的兴趣。结合生活实例，引发认知沖突，帮助学生实现感性认识到理性认识的飞跃，形成正确的物理观念。

    2.从实验探究到科学思维

    在探究力的合成规律时，用弹簧测力计等实验用具进行实验是经典又简单的探究方法，我们要注意的是，在用力的图示记录和表示每组实验结果时，尽可能做到准确，因为对记录结果的分析是得出规律的重要依据。实验误差较大有可能使实际结果偏离理论结果。另外，在分力夹角的取值上，除特殊角（120°、90°）外，鼓励学生自由选择夹角多进行几组实验。在分析记录的实验结果时，教师要引导学生从特殊角入手，观察分力与合力的关系，初步得出合力的大小可用以分力为邻边形成的平行四边形的对角线来表示，然后用非特殊角的几次实验的力的图示去验证，排除特殊角得出结果的偶然性，使结论具有普遍意义，归纳总结出平行四边形定则。

    教师在引导学生自主进行实验和对实验现象进行分析处理、归纳总结得出规律的过程中，可以锻炼学生的实验操作能力和对科学探究的过程和结果进行交流、反思的能力。

    3.从科学态度与责任到回归生活

    核心素养下的物理教学注重培养学生认识并理解科学、技术、社会、环境存在的相互关系。将理论规律应用于分析千斤顶力学实质，实现从课本回归到生活，拉近了物理与生活的距离，让学生明白物理知识从课本中来，但最终还是要回到生活中去，培养学生观察生活，关注科学技术的习惯。

    [参考文献]

    [1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

    [2]蒋天林.基于学生物理核心素养提升的教学实践——以“行星的运动”一课为例[J].物理教师，2017（1）： 7-15.

    作者简介：唐珊珊（1993— ），女，陕西商洛人，硕士在读，研究方向：课程与教学论（物理）;

    李卫东（1957— ），男，陕西米脂人，教授，硕士研究生导师，研究方向：物理教育教学。