基于核心素養導向的高中物理教學案例研究

魏艷

【摘要】本研究以人教版高中物理必修一“運動和力的關系”章節內容為基礎，通過例舉與“超重和失重”相關試題和解析的方式，以核心素養為導向優化物理隨堂習題設計，旨在發揮物理習題對于培養學生核心素養所存在的載體作用.

【關鍵詞】高中物理；核心素養；解題教學

普通高中物理課程標準將學科核心素養概括為四個維度，“超重和失重”知識的學習和掌握是學生對牛頓定律應用的進一步升華，為發展學生的核心素養，本文將物理觀念、科學思維以及科學探究三個維度素養作為切入點分別甄選了具備教學應用價值的習題做案例分析，具體見下述內容.

1 物理觀念素養

物理觀念素養指向了學生能夠從物理學的視角去認知物理學科知識，是教材中物理概念、物理規律等在學生頭腦中的升華，學生若具備良好的物理觀念素養應能夠從物理學的角度去解釋現象與解決問題.

例1 重慶市巴南一段公路呈波浪形，在該段公路中公路的坡底與坡頂存在一定的高度差，如果將該段公路視為一個由半徑相同的凹凸路面彼此連接而成，如下圖1所示.那么當貨車（重力記為G）在平行于公路中心標線的情況下行駛，貨車經過了該段公路的最高點M與最低點N，那么該貨車對地面的壓力則依次為F，F，判斷下列選項正確的是（ ）

（A）F>G. （B）F<G.

（C）F>F. （D）F<F.

解 當貨車在凸形路面行駛時經過M點，加速度的方向為豎直向下，那么此時該貨車將處于失重的狀態，所以F<G，當貨車在凹形路面行駛時經過N點，加速度的方向為豎直向上，那么此時該貨車將處于超重的狀態，所以F>G，由此可知F>F，故選項（C）正確.

評析 本題將圓周運動與超重和失重相結合，學生在解題的過程中需要從物理學的視角去解釋貨車行駛途徑不同路況下的狀態，即超重或失重，同時學生需要立足于加速度的方向判斷貨車的超重與失重.由上述解題分析可知，學生需要從物理學的角度分析貨車行駛的實際問題，并將本節課程中的基礎知識在腦中升華后用于判定各個選項.所以，教師可以將該題作為培養學生物理觀念素養的載體，學生解題的過程即學生物理觀念素養形成的過程.

2 科學思維素養

科學思維素養指向學生從物理學視角對事物本質、事物內在規律以及事物相互關系的認知；學生基于事實利用物理模型去概括分析問題、解決實際問題的思路，在面對不同的觀點時學生能夠基于事實證據對其進行質疑和評判.

例2 在一電梯樓中，一個掛有小球的輕質彈簧懸于電梯的上部，已知該電梯內部的乘客重量共計50kg.隨著電梯的運行一乘客發現彈簧伸長的長度始終為電梯靜止時彈簧長度的四分之三，已知重力加速度g=10m/s，判斷下列選項正確的是（ ）

（A）電梯可能加速下降在該情況下加速度為5m/s.

（B）電梯可能減速上升在該情況下加速度為2.5m/s.

（C）乘客處于超重的狀態.

（D）乘客對電梯地板的壓力為625N.

解 當電梯處于靜止不動的狀態懸掛于彈簧上的小球受力為平衡情況，則有mg=kx，根據題意可知當電梯處于運行的狀態彈簧的伸長的長度小于電梯靜止時彈簧的長度，這一事實說明了電梯的運行并未使彈簧的彈力變大，反而縮小了彈簧的彈力，那么根據牛頓第二定律則有“mg×?kx=ma”，即14mg=ma，a=2.5m/s，因為加速度的方向向下，所以電梯的運行狀態存在兩種可能性，一為加速下降，二為減速上升，而在這兩種狀態下乘客均處于一個失重的狀態，所以給出的選項中（A）（C）錯誤，再將電梯內的乘客作為研究對象根據牛頓第二定律則有m′g－F=m′a，F=m′g－m′a，根據牛頓第三定律分析電梯內乘客對電梯地板所存在的壓力，則有F′=m′g=m′a=500N－125N=375N，對比選項可知（D）錯誤，故選項（B）正確.

評析 本題中，解題的關鍵是對彈簧下小球受力的分析，在分析的過程中學生需要運用牛頓第二定律與第三定律，判斷小球加速度的方向與電梯及乘客超重失重的情況.牛頓第二、第三定律屬物理模型，在本題中學生需要運用兩個物理模型對實際問題進行概括分析，并判定各個選項的正確性，所以教師可以將該題作為培養學生科學思維素養的載體，學生解題的過程即學生科學思維素養形成的過程.

3 科學探究素養

科學探究素養指向了學生提出物理問題、設計物理實驗、基于證據得出結論并作出解釋等的能力.

例3 游樂園中的太空梭可以使人體體驗超重和失重，現使升降主機將座艙送至距離地面78m的高處后自由下落，下落過程中直至距離地面30m時升降主機開始制動，均勻減速至地面剛好停止，在游玩的過程中小紅同學將一個書包平放于兩腿之上，已知該書包的質量為10kg（不計空氣阻力，g=10m/s）.

（1）當座艙靜止時證明書包重力G與其對小紅同學兩腿壓力F相等；

（2）當座艙下落至距離地面50m處時，求小紅同學對書包作用力大小F；

（3）求升降主機制動處于勻減速階段時加速度a的大小.

解 （1）設小紅兩腿對書包的支撐力為N，因座艙靜止，所以書包處于靜止的狀態，則N=G，根據牛頓第三定律N=F，則有G=F；

（2）此時書包處于完全失重的狀態，則F=0；

（3）勻減速階段座艙自由下落的高度為H－h=78－30=48m，當座艙制動時已獲得速度v，由運動學公式：v=2gH－h①，座艙制動過程中的運動狀態屬勻速直線運動，加速度大小為a，則有v=2ah②，聯立公式①與②，a=16m/s，方向豎直向上，所以升降主機制動處于勻減速階段時加速度為16m/s.

評析 在本題中，學生需要根據題意搜集證據，并利用證據分析實際問題而后推出結論，如第（1）小問中“小紅同學雙腿對書包的支撐力與書包的重力屬于平衡力”為證據，由該證據可推出N=G，根據牛頓第三定律可證明G=F.再如第（2）小問中，學生根據題意可搜集到的證據為“當座艙下落至距離地面50m處時仍處于自由下落的狀態”，而基于這一證據可以獲知此時的座艙處于完全失重的狀態，繼而可求得F=0.所以，教師可以將該題作為培養學生科學探究素養的載體，學生解題的過程即學生科學探究素養形成的過程.

4 結語

綜上所述，研究從物理觀念、科學思維以及科學探究三個維度分析了核心素養導向下的高中物理教學案例.通過本文上述的理論研究得以明確教師可以將物理習題作為基礎，通過分析例題解題過程與某一維度核心素養之間的相關性，并設置具備核心素養培養功能的物體習題達成學生核心素養培養的教學目標.

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