基于CPS模型的“超重和失重”教學案例分析

沈祖榮

(江蘇省木瀆高級中學，江蘇 蘇州 215101)

高中物理學科核心素養包括物理觀念、科學探究、科學思維及科學態度與責任等，創新能力和創造性思維是其重要內容。CPS模型關注學生創新能力和創造性思維的培養，筆者“以超重和失重”教學為例，介紹CPS模型及其應用。

1 CPS教學模型簡介

美國學者帕恩斯(Parnes)提出了CPS模型(CPS是Creative Problem Solving的英文縮寫，意為創造性問題解決)，它以問題解決過程為基礎，強調發散思維與聚斂思維的結合。該模型首先以發散思維為先導，提出多種多樣的問題解決方法，然后再聚斂思維，形成最佳、最合適的解決方案，最后進入執行或下一階段的準備，從而提升問題解決者的創造力及解決問題的能力，美國的特芬格教授將CPS教學分為四成分、八階段(表1)。

表1

2 “超重和失重”教學案例分析

課程標準對超重和失重的要求是：通過實驗認識超重和失重現象。為了認識超重和失重現象，應以實驗為基本方法。筆者以“超重和失重”的教學為例，基于CPS模型，設計教學過程，培養學生的物理學科核心素養。

2.1 尋找時機

教師播放視頻：在豎直升降的電梯里，學生站在體重計上，當電梯升降時觀察體重計示數的變化。

師：為什么體重計示數會時大時小？

生：可能與該生站不穩有關，可能與電梯的不穩有關……

2.2 尋找資料

師：學生身體狀況沒有問題、電梯的安全質量也沒問題，多次實驗，體重計示數均會時大時小，可考慮是一個物理現象，請同學查閱資料，探索成因。

生：把電梯里的學生抽象成一個質量為m的物體，物體放在桌面上，物體對桌面的壓力即為體重計的示數(稱為視重，注意質量單位與力單位的換算)。當物體向上加速、向下減速、勻速或靜止時，視重會不同，從而導致體重計示數會時大時小。

師：分析正確，體重計示數時大時小的現象，在物理上稱之為超重或失重現象。

2.3 生成問題

師：體重計示數會時大時小，是隨機出現的，還是有規律性？

生：有規律性，電梯加速上升時示數變大，勻速運動時示數不變，加速下降時示數變小。

2.4 生成想法

師：那為什么會出現上述現象？

生：因為物體的運動狀態變化的情況不同。

圖1

2.5 尋求方法

師：如何解釋上述現象呢？

生：可對物體受力分析，運用牛頓第二定律。

教師引導學生畫出物體的受力分析圖(圖1)。

師：當物體靜止或勻速運動時，視重如何？

生：因為物體處于平衡狀態，a=0，所以FN=G=mg。

師：當物體加速上升時，視重如何？

生：當物體加速上升時，物體具有向上的加速度，FN-mg=ma，則FN=mg+ma，視重FN大于物體所受重力mg。

師：在物理學中，把視重FN大于物體所受重力mg的現象叫作超重現象。

運用同樣的思路可講授失重、完全失重現象。

2.6 尋求接受

教師運用學生能夠接受的方式，對教學內容進行總結(表2)，請學生歸納出結論。

表2

學生得出結論：物體的加速度向上，出現超重現象；物體的加速度向下，出現失重現象；做自由落體運動(或在宇宙飛船等中)的物體處于完全失重狀態。

師：一同學站在豎直升降電梯里的體重計上，當電梯升降時，體重計示數發生了變化，如何解決該問題？

生：通過受力分析，針對每一個運動狀態，用牛頓第二定律列方程、解方程，即可作出明晰解釋。

師：以上我們通過觀察現象、尋求方法、利用規律、解釋現象，學到了新知識。

2.7 評估課題

學生在觀察視頻后，通過理論分析，初步認識了超重與失重現象，

為了能夠證明結論的可靠性，將理論與實驗結合起來，設計實驗來進行檢驗。

2.8 設計過程

教師準備好體重計，請一位同學在體重計上從直立到蹲下，并請三名學生代表觀測體重計的示數，向全班同學匯報觀測結果。

生：體重計示數不變、變小、變大、最后不變。

師：結合該生的運動狀態及其變化，請同學們討論、并解釋這一現象。

生：該生下蹲的過程有向下加速和向下減速兩個過程。當該生向下加速時，加速度向下，出現失重現象；當該生向下減速時，加速度向上，出現超重現象。結合具體過程即可解釋這一現象。

3 結語

本教學設計基于CPS模型，首先創設問題情景，引出成分一(尋找時機、尋找資料、生成問題)；學生心中產生問題，自然會生成各種各樣的想法，然后自然引出成分二(生成想法)；有的想法對解決問題可行，有的想法不可行，通過學生討論，引發“頭腦風暴”，變發散思維為聚斂思維，在師生的共同參與下，找到解決問題的方法并尋求全體同學接受，自然引出成分三(尋求方法、尋求接受)，最后為問題解決的成分四(評估課題、設計過程)。

通過教學實踐，不僅順利完成了“超重和失重”的教學任務，還培養了學生發現問題、尋找方法并采用合適的方法解決問題的能力，培養了學生的發散思維、聚斂思維能力，提高了學生的核心素養。