基于核心素養的生態課堂實踐

王益華

【摘要】從教學實踐出發，對人教版必修第二冊第六章第四節“生活中的圓周運動”中的“火車轉彎”專題做了一些探討和嘗試.對教材內容進行精加工、細處理、再拓展，彰顯了物理學科的核心素養，讓學生在掌握知識的同時提升思維品質.

【關鍵詞】核心素養；火車轉彎道；外軌超高

1 引言

“生活中的圓周運動”是一節規律應用課，是“曲線運動”全章內容的總結與提升.教材的編寫意圖很明顯，讓學生體會到“理”在“物”中，屬于應用所學理論知識解決現實問題的典型事例.然而，“火車轉彎”這一專題的實際教學效果并不理想，究其原因有三：其一，火車彎道這一真實情境不為學生關注，坐過火車且真正關注到火車車輪的獨特結構的學生少之甚少［1］；其二，教材給出的文字和圖片信息過于簡單，不利于學生開展有效自主學習；其三，教師自身對該內容的科學知識本質認識不夠，同時缺乏對教材內容的系統研究.

課堂教學的目的是通過教學活動把知識發生、發展的邏輯過程，轉化為學生的思維過程.為此，教師需要揭開教材嚴謹抽象的面紗，整合各種教學資源，把真實的物理現象和過程呈現給學生，豐富學生對概念和規律生成過程的體驗，形成主觀性理解和判斷，理解物理概念和規律的內涵與外延.2017版普通高中物理課程標準提出：“物理核心素養是學生在學習物理學科知識的過程中逐漸形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等4個要素構成.”其中的“物理觀念”表現水平有如下表述：具有物理觀念，能從物理學的視角描述和解釋自然現象，能應用物理知識解決實際問題［2］.那么“火車轉彎”如何呈現給學生，如何指導學生應用已有物理知識解決這一實際問題.教師只有在課堂設計過程中充分突出學生的主體地位，在學生的就近發展區組織、開展教學活動，才能引導學生建立正確的科學本質觀，把核心素養的培養落實到位.

2 引入

隨著城市化進程的加快，相比于火車彎道，汽車彎道更常見，更易讓學生在認知上產生共鳴.可以對轉彎過程中的汽車進行運動和受力分析，以建立力與加速度之間的聯系.圖1是蘇州繞城高速一處匝道的路面，設計明顯外側高于內側.

問題1 為什么路面需要有外高內低的設置？

問題2 若忽略次要因素，將這一轉彎過程簡化成圓弧路面上的勻速圓周運動，如何確定汽車向心加速度的方向？

問題3 引導學生進行運動和受力分析，找尋力和加速度之間的聯系.

（1.先畫出汽車圓周運動的軌跡圓，確定其圓心和半徑.2.沿半徑方向的合外力提供向心力，如圖2所示.）

問題4 表達式是怎樣的？汽車做勻速圓周運動的最大速度與什么因素有關？

（關系式如下：tanθ=manmg=v2Rg ）

點評 基于身邊易感知的真實情境，循循善誘，符合學生認知規律，學生更感興趣，課堂氛圍更好.

3 新課

相較于汽車，火車的運輸效能更大.但其質量巨大，需要特別的車輪和運行軌道，如圖3.介紹車輪獨特構造：“踏面”用于承重，“輪緣”用于引導火車運行.

教師 火車的彎道應如何設計？

學生 外軌高于內軌.

教師 現實中如何操作？

播放視頻 老師在鐵路彎道上現場調查，與技術員交流，按現實生活中數據計算彎道外軌需要墊高的高度［3］.其中涉及到的數學、物理知識有：

sinθ=hL ，? tanθ=v2Rg ，? sinθ=tanθ（當sinθ很小時），

最終得出火車轉彎速度v的表達式：v= hRgL（其中h為內外軌高度差，R為火車的彎道半徑，L為火車輪距）.

教師 如果火車經過彎道時實際運行速度與規定速度不相等會如何？

學生思考、討論.

教師總結 速度偏大，火車改變運行方向需要的向心力大，車輪踏面所受彈力沿水平方向的分力不足以提供向心力（俗稱“供不應求”），此時外側車輪輪緣與軌道發生擠壓，產生向內的彈力作為補充，容易損壞外側軌道；反之，速度偏小，火車需要的向心力小，踏面所受彈力沿水平方向的分力大于轉彎需要的向心力（俗稱“供大于求”），內側車輪輪緣與軌道發生擠壓，產生向外的彈力用于抵消，容易損壞內側軌道.

介紹2013年7月西班牙客運火車發生脫軌事故，如圖4所示.引導學生分析形成事故的原因.

點評 循序漸進，突出物理知識的建構過程，符合教學邏輯.

4 鞏固

例 某同學設計了一種能自動轉彎的輪子.如圖5所示，兩等高的等距軌道a、b固定于水平桌面上，當裝有這種輪子的小車在軌道上運行到達彎道略微偏向軌道外側時，會順利實現轉彎而不會脫軌.圖6所示的輪子中，能實現這一功能的是（? ）

試題分析 由圖可知，軌道a為外側軌道，轉彎時應保證外側高于內側.其中（A）選項車輪向a軌側移，a軌上外側車輪抬升，b軌上內側車輪下降，形成“外高內低”.（B）選項結論與（A）相反.（C）（D）選項：內外車輪同升同降，不符合題意.故選（A）.

點評 立足教學實際，讓學生學有所用，體會到學習快樂，增強學習自信.

5 拓展

師者學高，核心素養的落實也體現在課堂知識的廣度和深度上，這源于教師日常知識的儲備和積累.

5.1 踏面、輪緣

實際上壓向鋼軌的“踏面”（和鋼軌頂部接觸的部分）也不是圓柱體.一般踏面斜度分為1：20和1：10兩段.前者是經常和鋼軌頂面接觸的部分，可以調整內外車輪的滾動直徑，便于通過曲線，也可以在直線上自動調中并使踏面磨耗比較均勻.后者只在曲線上才能與鋼軌頂面接觸.這樣設計的目的是保證火車在彎道時由于離心作用致使外軌側車輪輪緣緊貼鋼軌側面，內軌側車輪輪緣與鋼軌側面留有一個間隙，使火車很容易順利地通過曲線.為防止車輪脫軌，火車車輪踏面的內側制成凸緣，通俗地稱為“輪緣”.

5.2 外軌超高

外軌超高就是把內側鋼軌保持在原來的水平，而把外側鋼軌抬高一定的高度.曲線上的外軌超高一經設置，便成為一種固定設施.當行駛速度v與規定速度v0不一致的列車通過時，實際需要的外軌超高和實際設置的外軌超高就不適應.若前者大于后者，就稱為曲線上外軌“欠超高”，反之稱為“余超高”.為確保行車安全和旅客舒適，延長鋼軌的使用壽命，我國鐵路規定：一般情況下，欠超高Δh不得超過60～75mm，在困難情況下，不得超過90mm.按最大容許欠超高Δh的規定，通過超高為h曲線的最高允許行車速度：vmax= h+ΔhR11.8.

5.3 軌距加寬

軌距加寬是指將曲線外軌保持在原來的位置上，把內軌向曲線中心方向移動.曲線上，為使固定軸距較大的機車車輛能順利通過，避免車輪被卡住，并盡量減少輪軌摩耗及對軌道的破壞作用，可以通過“軌距加寬”讓車輛以“自由內接”（即車輛轉向架上的最前軸外輪與曲線外軌接觸，最后軸則位于曲線半徑的方向上）的方式順利通過.但軌距過大，車輪壓在鋼軌面上的寬度太小，有掉道的危險，而且行車也不平穩.根據計算：曲線上的最大容許軌距應為1450mm，即最大加寬15mm（直線地段的軌距為1435mm）.

點評 生態課堂的建設需要教師在教學設計中主動突破“是什么”的教學瓶頸，多引導學生思考“為什么”和“還有什么”.

6 教學建議

學生是知識的主動建構者，不是被動盛裝的容器.教育的目的也不是把籃子裝滿，而是將學生喚醒，把他心中的燈點亮.物理知識、思維、方法的習得只有通過學生實踐、親歷，才能內化于腦海.這要求日常教學中教師更應多從真實情境著手，多營造實驗氛圍，彰顯教學邏輯，突出知識的建構過程.讓學生養成見物講理，勇于探究的學習習慣.只有這樣的課堂才是“接地氣”的、生態的；才能真正培養學生的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.

參考文獻：

［1］楊亞芳.基于物理核心素養提升的教學設計——以“生活中的圓周運動”為例［J］.物理教學，2016（5）：11-15.

［2］田春鳳，郭玉英.教師對科學知識本質的認識及其教學影響——基于對一線教師的調查［J］.物理教師，2018（11）：2-4+9.

［3］童大塤.鐵路軌道基本知識［M］.3版北京：中國鐵道出版社，1997.