培養核心素養視角下“力的合成”的教學設計和實施

葉晟波

(慈溪中學 浙江 慈溪 315300)

物理教育的目標應該是人的物理知識、能力、智慧、科學態度、社會責任感等素養的全面成長.物理教師要達到物理學科的育人效果，應聚焦核心素養，將物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面自始至終貫穿在每一節物理課中.值得提倡的教學設計可以情境引問題，以問題導探究，以探究促真知，轉識成智，從而使高中物理教學過程成為學生物理核心素養的形成過程，最后向現實生活回歸，成為能解決問題，推動社會發展的個體.下面以“力的合成”的教學設計和實施為例，著眼4個方面將物理核心素養的培養貫穿于教學活動的全過程.

1 基于物理核心素養確定教學的目標和內容

物理核心素養的培養要以了解學生已有知識、概念、規律的掌握情況為前提，中學課堂“科學探究”不等同于科學家的科研工作，科研工作是挑戰未知，中學課堂是“探究”已知，所以教師需要對學生學情進行了解.在“力的合成”這節新課前學生已經掌握以下4個方面的知識.

(1)已經了解力的概念和幾種常見力，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力，等效重力的作用點稱為重心，等效替代思想使我們研究問題簡單化，這為合力與分力是在作用效果上等價的思想做好鋪墊.

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

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

(4)前幾章的學習已經對矢量有了初步的了解，如位移、速度和加速度矢量，這節課主要研究矢量的合成方法.

根據以上的學情結合教材分析，本節課將通過實驗探究得出力的合成的法則，并進一步認識矢量和標量，為用共點力的平衡條件分析生產生活的問題打下基礎.

2 在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設

創設情境是優化教學設計的關鍵，在情境中聚焦問題，隨著問題的解決，從而使新的問題、新的觀念進入學生的視野，在“力的合成”中教師可以在新課引入和物理規律的探究中創設情境.

2.1 新課引入中創設情境

課題引入作為一堂課的開端，對于新課的展開以及整堂課的結構完整性具有重要的意義和價值.有效地調動學生的探究熱情，是課題引入的關鍵，所以在新課引入環節，如何做到切合實際生活，使課堂引入實驗具有良好的操作性、觀察性，對培養學生的物理核心素養具有關鍵作用.

2.1.1 通過教師演示實驗引入新課

教師演示實驗一和實驗二分別如圖1和圖2所示.實驗一中，一根繩子對鉤碼的拉力F使鉤碼處于靜止狀態，兩根繩子對鉤碼的拉力F1和F2也使鉤碼處于靜止狀態，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 實驗一:繩子拉鉤碼

圖2 實驗二:手拉橡皮條

實驗二中，用兩根繩子的拉力F1和F2將橡皮條拉伸到O點，用一根繩子的拉力F將橡皮條拉伸到相同的O點，從力的作用效果上看力F可以等效替代F1和F2.從實驗一和二得到，兩個力或者幾個力與一個力作用效果相同，這個力稱為合力，兩個力或者幾個力稱為分力.

教師通過演示實驗簡單明了地提出了合力與分力的關系，學生在觀察的基礎上體會了“等效”的物理思想.

2.1.2 設置懸念引入新課

新高一年級開學，在墻角懸掛班級吉祥物如圖3所示，安裝的時候關于繩子的選擇，學生們展開討論，有的學生認為OA繩應該更結實點，有的學生認為OB繩應該更結實點，有的學生認為OA繩和OB繩的受力沒有區別，用一樣的繩就可以，你同意誰的觀點？讓學生猜測可能的情況，再用實驗去檢驗自己的猜測.器材是鉤碼和相同的兩根繩子OA和OB，打結后在結點懸掛鉤碼，逐步增加鉤碼的數量觀察實驗現象.這種通過生活中的現象激發學生求知興趣，通過有懸念的實驗演示調動學生探究的欲望.

圖3 懸掛繩子的選擇

2.1.3 通過學生體驗過程引入新課

實驗器材是一個20 kg的杠鈴，一條10 m長的繩子.第一次讓一個女生把杠鈴提起如圖4所示，女生提起比較輕松.第二次讓班里兩個力氣比較大的男生，各拉繩子的一端，距離稍微遠點，用力把杠鈴提起.第三次讓兩個男生間隔盡可能遠點如圖5所示，再次拉繩，繩子接近一條直線，學生們非常吃力的想把杠鈴提起，最后沒提起.

圖4 女生提杠鈴

圖5 兩個男生提杠鈴

情境中女生一人提杠鈴的力F和兩個男生提杠鈴的力F1和F2作用效果都是使杠鈴處于靜止狀態，這樣創設的目的有3個.一是想引導學生在此情境中區分合力和分力的概念；二是女生輕松，兩男生用力，說明男生提杠鈴的力F1和F2的力比較大，合力與分力在大小上可能不是簡單的加減；三是兩個男生間隔越遠，兩拉力夾角越大越吃力，當距離很遠，繩子接近一條直線的時候即使是這么大力氣的男生竟然沒提起杠鈴，這說明在合力不變的情況下，分力跟夾角有關系. 學生的3個體驗層層遞進，在觀察和體驗后有所發現，有所聯想，萌發新的科學問題，教師就可以引導學生去解決新的問題.

筆者嘗試了以上3種引入新課的方法，教師演示實驗引入新課直接明了，恰到好處的設疑和讓學生參與體驗這兩種導入都可以使學生積極參與學科活動.3種引入新課的方法都創造了良好的教學情境，與教學內容水乳交融，幫助學生啟迪思維，是學生知識建構、發展能力的興奮劑和催化劑，針對不同的學生可以選擇不同的導入方式，從而可以順理成章地設計實驗探合力與分力大小和方向的關系.

2.2 物理規律的探究需要創設情境

實驗器材：大重錘(2 kg)、兩根一樣的細線(每根拉力略大于20 N)

實驗1：教師用一根細線把重錘提起來如圖6(a)所示.

問題1：兩根相同的細線能否把重錘提起來呢？

實驗2：提起后如圖6(b)所示，把兩根細線夾角逐漸增大，當夾角超過120°線斷了.

圖6 重錘實驗

問題2：為什么兩根細線反而提不起呢？說明力的運算不是簡單的代數和.

問題3：那么力的運算符合什么規律呢？

通過幾個動作，幾個問題，短短幾秒鐘，建立了“物理知識和具體情境的關聯”，從情境中發現，力的運算不是簡單的代數和，如果是，那么細線就不會斷了，從而引導學生運用已知知識制定探究計劃，探究力的運算符合什么規律.

3 重視科學實驗探究能力的培養

物理學是以實驗為基礎的學科，物理課堂上優化教學設計，就應重視科學探究，尤其重視物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度方面有重大作用.

在“力的合成”教學中我們應選擇合適的實驗裝置進行實驗探究，以下列舉了幾種探究合力與分力大小和方向關系的實驗.

方案1：利用彈簧測力計探究合力與分力的關系

如圖7(a)，輕質小圓環掛在橡皮條的一端，另一端固定，橡皮條的長度為GE，在圖7(b)中小圓環連接兩個繩套，用手通過兩個彈簧測力計F1,F2共同拉動繩套，使小圓環處于O點，橡皮條伸長的長度為EO.撤去F1,F2，改用一個彈簧測力計F拉動繩套，如圖7(c)，使小圓環處于O點.力F單獨作用與F1,F2共同作用的效果一樣，都使小圓環保持靜止，由于兩次橡皮條伸長的長度相同，即橡皮條對小圓環的拉力相同，所以F等于F1,F2的合力.

圖7 利用彈簧測力計探究合力與分力的關系

該實驗方案的實驗裝置簡單，適合學生分組實驗，自主探究.學生可以把探究課題分成4個相對獨立的小問題，(1)用什么器材和方法來確定分力F1，F2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)實驗過程中需要記錄以及怎樣記錄哪些實驗數據？(4)怎樣以直觀簡潔的方式來表示分力F1,F2與合力F的大小與方向 ？根據課堂觀察，此實驗方案在觀察和體驗后學生會有所發現，觀察、收集和處理信息的能力相應提高，使學生在探究能力、科學思維、科學態度等方面有效提升.

方案2：懸掛鉤碼法研究力的合成

如圖8(a)，橡皮條GE在兩個力F1,F2共同作用下，沿直線伸長EO，圖8(b)中撤去F1,F2，用一個力F使橡皮條伸長相同的長度，則F1,F2對橡皮條的作用效果和F單獨作用的效果相同，所以F等于F1,F2的合力.該裝置的缺點是多次測量時調整不便，而且3個力的大小比較難保證鉤碼個數為整數且效果相同.

圖8 鉤碼拉橡皮條

方案3：利用傳感器研究力的合成實驗

如圖9所示，利用力傳感器和自制的力矩盤、鉤碼等器材獲得精確的實驗數據，并通過傳感器配套軟件得出實驗結論.該裝置充分利用了現代信息技術，實驗精度高，但是傳感器的數據系統本身是按照平行四邊形設計的，最終結果肯定符合平行四邊形，這與物理實驗精神是相悖的.

圖9 力傳感器

筆者讓高一年級不同班級的學生嘗試了以上3種探究方案，認為方案1讓學生親自實踐和體驗，更能在學科活動中培養學生的物理核心素養.

4 通過問題解決促進物理學科核心素養的達成

當今世界選拔人才的標準是能否解決問題，所學的科學結論也需要接受實踐的檢驗，那么我們的物理教學就要優化教學設計，從各方面培養學生解決問題的能力.教師可以在“力的合成”一節中，創設一些生成價值的情境，建構問題研究的模型，嘗試通過以下兩方面解決實際問題，從而發展學生的思維，增強實踐意識.

4.1 圍繞課前設疑 解決實際問題

圍繞課前設疑，引導學生思考課前兩個男生為什么沒提起杠鈴的原因；或者分析學生們討論安裝班級吉祥物時關于繩子選擇問題的理論依據.解決課前所創設的情境留下來的問題，體現了物理源于生活又應用于生活的學科特點.最后可以以“雙手斷銅絲”實驗結尾如圖10所示，延伸課堂，設置新問題，為力的分解承接過渡.

圖10 雙手斷銅絲

4.2 學生操作體驗 增強實踐意識

通過如圖11所示的學生小實驗，感受下桿的彈力方向，同時猜測繩索下移時，手部受到的力大小如何變化，引導學生利用所學知識思考手部受到的力大小變化的原因.在以上創造性解決實際問題的過程中增強了學生的實踐意識，最后體驗手部受到的力，驗證猜想并理論分析手部受到的力大小為什么這樣變化，拓展物理知識在實踐中的應用，促進物理學科核心素養的形成.

圖11 感受彈力

在培養學生物理學科核心素養的中學物理課堂里，教師可以提供具體的物理情境，以此啟發學生提出問題，制定符合課程目標的探究計劃進行物理規律的探究，最后指導學生自主、合作解決問題，實現最終的轉識成智.當然物理學科核心素養不可能在高中物理教學中就畢其功于一役，它隨著物理學的發展，也隨著學生們進入高等學校的學習會不斷發展.所以，教師要走上以培育核心素養為依據的物理教學設計的路徑上來，為學生們下一步的學習與發展留下足夠的空間.