核心素養導向下的高中物理課堂教學實踐——以“超重和失重”教學為例

(1. 江蘇省南菁高級中學，江蘇 江陰 214437；2. 江蘇省江陰高級中學，江蘇 江陰 214400)

核心素養導向下的高中物理課堂教學實踐——以“超重和失重”教學為例

章強1龐惠華2

(1. 江蘇省南菁高級中學，江蘇 江陰 214437；2. 江蘇省江陰高級中學，江蘇 江陰 214400)

高中物理教學不僅需要幫助學生建立物理知識體系和提升物理解題能力，更應注重提升學生的物理核心素養，課堂教學則是完成這一課程目標的最主要陣地。在高中物理課堂教學設計中，教師應該不斷滲透正確的物理觀念、培養嚴謹的科學思維、提升科學探究能力、強化科學態度和責任意識。本課例設計基于核心素養的基本準則，通過解讀教材、創設情境、自主設計和對比留疑來達成本節課的教學目標。

核心素養；課堂教學；超重；失重

隨著新課程改革的深入，高中物理課程目標和體系都逐步發生了變化。課程體系從以學科知識為中心向提高學生終身學習能力的核心素養為主體轉變。在課堂教學中不斷滲透核心素養的培養，是教師幫助學生實現終身發展、全面發展的最佳途徑。本文以人教版高中物理必修1教材中“超重和失重”為例，就如何在課堂教學中提升學生的物理核心素養進行探討。

1 解讀教材，在物理觀念的建立過程中滲透核心素養

從教材的角度來看，無論是在知識體現形式還是課時安排上，“超重和失重”這節課在新舊教材中有著很大的改變。在知識體現形式上，舊教材是以知識內容呈現，而新教材則以例題的形式呈現；在課時安排上，這部分內容在舊教材中是獨立的一節，而在新教材中是作為第七節“牛頓運動定律應用”的第二部分呈現的。筆者結合教學實際情況，在本節課的設計過程中仍然把超重和失重作為獨立的一節來設計，這也體現了新課程所倡導的“用教材教而不是教教材”的教材觀。

從知識角度來看，本節課涉及的物理概念有“視重”“實重”“超重”“失重”，這些概念易與日常生活用語混淆，是易錯概念。而物理核心素養第一點就是幫助學生建立物理觀念，從物理學視角形成關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，并達到物理概念在頭腦中的提煉和升華。為了讓學生能夠自主建構這些概念并加以理解，筆者設計了如下互動過程。

師：請利用桌上的實驗器材，測出鉤碼的重力，展示你的設計。

生：用彈簧測力計豎直吊起鉤碼，靜止時彈簧測力計的讀數就等于鉤碼所受重力的大小。

師：測量時利用的物理原理是什么？

生：二力平衡、牛頓第三定律。

師：鉤碼所受重力就是實重，鉤碼所受重力與什么因素有關？

生：由物體的質量、當地的重力加速度決定。

師：在實驗室中我們可以認為鉤碼所受重力是定值，視重是測量工具的讀數，即物體對懸掛物的拉力或者對支持物的壓力大小。那么在靜止或者勻速運動時視重等于實重，在豎直方向加速運動或者減速運動時，視重和實重又是什么關系呢？請大家分組體驗，然后展示你們觀察的現象。

生：在加速和減速運動中視重有時大于實重，有時小于實重。

師：視重大于實重的現象就叫超重，而視重小于實重的現象就叫失重。

至此，本課的基本概念“視重”“實重”“超重”“失重”就通過學生的體驗和教師的引導全部得出了。

學生在體驗中建立物理概念，能進一步深化對概念的理解，從而達到能夠從物理學視角去重新審視身邊的實例。比如學生在本課中能認識到視重是測量工具的讀數，而讀數出現的原因是因為測量工具和測量物體之間的相互作用(此時加深對牛頓第三定律的理解)。教師在課堂中經常使用此方法引導思路，可幫助學生分析物理現象、建立物理概念，也為進一步培養學生嚴謹的科學思維，提升核心素養做好鋪墊。

2 創設情景，在物理思維的培養過程中體會核心素養

物理是“萬物之理”，但是很多物理知識對我們的學生而言卻是陌生的，巧妙利用物理情景對激發學生學習動力和創造力有很大的幫助。

2.1 簡化模型，親身體驗

在“超重和失重”這一節，教材以人在升降機中的真實情景為例，向學生示范了如何利用牛頓運動定律，去分析人對升降機地板的壓力變化情況。通過這一情景使學生了解超重和失重，掌握超重和失重的條件，但是教師在課堂中不可能將這一真實的物理情境展現給學生，所以在本課例設計中將“在升降機中用臺秤測體重”轉化為“用彈簧測力計測鉤碼重力”，將生活中的事例搬進教室，設計方案將研究對象“人”改變成“鉤碼”，用“彈簧測力計”替代“臺秤”，從分析人對升降機中臺秤的壓力變成分析鉤碼對彈簧測力計的拉力。學生體會了類似于教材設計、又可以在課堂中親身體驗的物理情景，印象深刻，強化了物理模型。

2.2 創新操作，可視度高

圖1

在實驗操作中，用手帶動鉤碼上升、再停止，由于手會出現抖動，造成可視度低，同組的合作者很難看出讀數的變化，關于加速上升和減速上升的拉力大小會出現偏差。本課例中對實驗操作改進如下：如圖1所示，將手臂彎曲平放胸前，讓彈簧測力計和鉤碼整體跟隨人下蹲和起立。這樣的設計規避了操作時彈簧抖動帶來的讀數偏差，同時在筆者在實驗室反復試驗，發現用量程為5N彈簧測力計時，人在下蹲和起立的過程使用鉤碼(質量為300g)能比較清晰地觀察到示數的變化，如果使用鉤碼(質量為200g)，觀察現象不明顯；如果使用兩個鉤碼(質量為400g)，在實驗中容易超量程。

核心素養對科學思維的要求主要包括：模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等。本課例中充分利用實驗室已有實驗器材，進行器材篩選和操作改進，將模型簡化，提高了可視度，將學生的積極主動性發揮出來。

3 自主設計，在科學探究的過程中提升核心素養

物理實驗作為物理教學中的重要的環節，對于提升學生動手能力，發展學生思維能力，提高學生創新能力等方面都有很大的幫助。通過物理實驗，學生的核心素養能夠得到全面提升。

在本課例中，通過以下的課堂設計，學生能通過自身活動對超重和失重現象有深刻的印象，同時對其本質能有深刻的認識。

設計學生活動的起因為：學生用彈簧測力計觀察鉤碼在跟隨人下蹲的過程，能夠回答出視重是先減小后變大再變小，但是這只是粗測。能否精確地得到視重隨時間的變化關系？借助DIS的力傳感器可以讓學生更直觀、精確地看到視重的變化，活動設計如下。

師：下蹲時，彈簧測力計的示數如何變化？

生：示數先變小、后變大、再變小。

師：能更詳細說說彈簧測力計示數的變化情況嗎？

生：靜止時彈簧測力計示數為3N，下蹲時先變得比3N小，后來變得比3N大，

師：有沒有什么辦法能定量記錄力的大小？

生：可使用力傳感器。

師：請兩位同學來合作完成剛才的操作，我們通過傳感器觀察人在下蹲過程中視重隨時間的變化。

學生進行實驗，得到下蹲時視重隨時間變化的圖像如圖2所示，接下來分析此過程人的運動情況和受力情況。

圖3

師：人在下蹲過程中做什么運動？

生：先向下加速，再向下減速。

師：寫出向下加速和向下減速過程的牛頓第二定律表達式。

生：向下加速時：mg-F=ma，向下減速時：F-mg=ma。

師：在起立過程中，人的運動情況和受力情況又是怎樣？

生：起立過程分為向上加速和向上減速兩過程，向上加速時：F-mg=ma，向上減速時：mg-F=ma。

師：我們再來用DIS實驗系統驗證一下。

學生再做實驗，得到下蹲和起立時視重隨時間變化的圖像如圖2、3所示。隨后通過兩個過程的分析讓學生總結超重和失重的產生原因。

本課的另一個知識點在于對完全失重現象的理解，筆者設計如下兩個演示實驗，來讓學生體驗完全失重狀態物體的特征。

演示實驗1：在氣球中裝入適量的水，球在靜止時呈水滴形，在自由落體運動中處于完全失重狀態，水滴形的水球變成了球形(如圖4)。

圖4

圖5

演示實驗2：礦泉水瓶底端側部開一小孔，當礦泉水瓶靜止時，水流在空中形成拋物線，當自由下落時礦泉水瓶和水都處于完全失重狀態，讓學生在礦泉水瓶邊上等候卻不會被水淋到，如圖5所示。

兩個實驗的取材都是生活中常見的物品，但是卻能清晰展現物理情景，強化學生對物理現象的理解，同時能有效調動學生的積極性。筆者認識到：在課堂教學中，如果能借助身邊的器材，做一些讓學生能積極參與、又難忘的實驗，一定能獲得更好的教學效果，讓學生的創造能力在潛移默化中得到提高。

物理學科核心素養中對科學探究的要求包括：提出物理問題，形成猜想和假設，獲取和處理信息，基于證據得出結論并做出解釋，以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估和反思。通過本課例實驗的探究和體驗，學生能從超重和失重的現象中，清楚地了解超重和失重的現象，深刻地理解它的動力學本質，提升了學生的核心素養。

4 對比留疑，在科學態度和責任的形成過程中感悟核心素養

物理學科核心素養對科學態度和責任方面提出的要求是：在認識科學本質、理解科學·技術·社會·環境(STSE)的關系基礎上逐漸形成的對科學和技術應有的正確態度以及責任感。如圖6所示，在航天飛船中，宇航員劉洋和水球是處于完全失重狀態，水球呈現的是球形；在我們實驗室演示水球自由下落時，水球也處于完全失重狀態，所以水球也呈現球形，兩者實驗現象是相同的，但是具體原因卻是有區別的，前者還需要我們在必修二第六章“萬有引力”中繼續學習。在本課例中，我們可以引入劉洋的水球實驗視頻，直接指出兩者存在區別，同時不妨留有一定的疑問，鼓勵學生課后積極嘗試探索，研究兩者的差異。

圖6

在本課例設計中，超重和失重概念的建立滲透了對學生物理觀念的培養，超重和失重的動力學特點的得出注重了科學思維的培養，在演示DIS數字化實驗和分組實驗中都強化了學生的實驗探究的思想，在物理學現象的分析中讓學生感悟科學態度和責任。我們不可能在一節課中就提升學生的所有素養，但如果能基于核心素養的導向去設計每一節課，高中學生的物理核心素養一定會有很大的提升。