核心素養視角下物理課堂教學有效性的思考

韓媚,何章明

（湖南工業大學理學院，湖南株洲 412007)

一、高中物理學科核心素養的主要內涵

物理學科核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生科學素養的重要構成。高中物理課程要培養的核心素養有四方面，主要是物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。[1-3]

失重和超重是高中物理教學大綱中極為重要的內容。本節是在學生掌握牛頓運動定律及其應用的基礎上，進一步研究牛頓運動定律在現實生活中的應用.它是牛頓運動定律應用的典型例子，是高考重點關注的內容。本文將以失重和超重教學設計為例，闡述基于物理核心素養如何提高課堂教學的有效性。如表1所示，我們根據物理學科的核心素養來確定本節課堂教學設計的教學目標。

二、體現物理核心素養，提高課堂教學有效性

（一）創造實際情境，提出問題，建構物理觀念

在課堂教學中，引導學生從實際生活情境中感知、分析和總結物理知識，構建物理概念。在接下來的文章中，詳細闡述了如何通過課堂教學，讓學生形成“失重和超重”的概念，體現運動和互動的概念。

教學活動1：創設情景，提出問題：坐電梯時的體驗：電梯開始上升有“下墜”加重感，電梯開始下降有“上飄”減輕感，難道體重會發生變化嗎？

教學活動2：回顧重力測量的兩種方式。

1.測量物體質量，再乘以所測量的重力加速度得到重力G=mg（實重）。

2.利用物體處于平衡狀態來測量重力（如圖1、圖2所示）。

圖1

這里給出視重的概念：測量顯示的讀數（視重）是指物體對臺秤的壓力或對彈簧測力計的拉力。引導學生根據實驗和以往的知識儲備初步得到：平衡時，實重等于視重.接著教師提出問題：假設臺秤或測力計上的物體處于非平衡狀態呢？實重和視重是否還相等？引發學生思考。

教學活動3：觀察和思考，體驗和探索。

1.用細線掛著一個鉤碼，分別處于平衡狀態和快速往上提狀態，觀察現象。用彈簧測力計拉重錘做變速運動，觀察指針示數的變化，發現：

（1）靜止時，細繩沒有斷，當快速往上提時，細繩斷裂。引導學生得出：平衡時拉力等于重力，而細繩斷裂是由于向上的拉力大于繩子能承受的力。

（2）彈簧測力計向上運動到靜止：示數變大，變小再到不變。彈簧測力計向下運動到靜止：示數變小，變大再到不變。現象直觀明了，讓學生了解到：作用在物體上的力發生變化的原因是物體運動狀態（速度大小）的改變。

2.讓一學生站在體重計上做下列運動，觀察體重計的示數變化。

A：在體重計上靜止不動；B：在體重計上迅速蹲下；C：在體重計上迅速站起。

然后可觀察到，

靜止：視重=實重；

迅速蹲下：先視重＜實重，后視重＞實重；

迅速站起：先視重＞實重，后視重＜實重。

把其中觀察到的現象取名——失重和超重，初步形成物理概念.并引導學生認識到：物體運動狀態（速度大小或速度方向）的改變將使作用在物體上的力發生變化，從而反映出運動與相互作用的觀念。

（二）設計實驗，科學探究物理規律

在獲得物理概念之后，馬上在這個基礎上提出新的問題：產生這一現象的原因是什么？或者說產生的條件是什么？實質是什么？因此，我們利用力傳感器，觀察在磅秤上再現人體快速下蹲和快速站立的過程，分析人的運動情況（如表2所示），探索失重和超重的現象。利用計算機作出F-t圖像，記錄傳感器地力隨時間變化的曲線，通過電腦投屏的方式，讓學生同步觀察曲線的變化過程（如圖3和圖4所示），增強體驗感.

圖3 下蹲

圖4 起立

表2 力傳感器上人運動情況分析

讓學生從屏幕上看出：當物體有向上的加速度時，物體出現超重現象；當物體有向下的加速度時，物體呈現失重狀態；從而引導學生對科學探究過程和結果進行交流，經過理論分析和實驗驗證，得到失重和超重現象產生的條件是有加速度，與速度方向無關。

（三）加強實例應用，培養科學態度與責任

為加強鞏固從實驗探究得到的知識，我們設計了幾個典型應用，用牛頓第二定律探究生活中的失重和超重現象，從不同的角度解決動力學問題，培養質疑和創新意識。

教學活動4：播放提前錄制好的電梯運行視頻，讓學生觀察放在臺秤上的物體在隨電梯運行時，臺秤示數的變化.

既然已經探究出了產生失重和超重的條件，那就可以解釋人坐電梯為何會有上漂或下墜感，用理論解釋課程開頭創設的情景，真正做到學以致用，引導學生對物體的運動情況和受力情況進行分析（如圖5所示）。

圖5

這里正確引導學生按照下面邏輯思考：確定研究對象→進行受力分析→規定正方向→列式求解→結合牛頓第三定律對結果進行分析與討論。

電梯加速上升：F-mg=ma F′=F=ma+mg

電梯減速上升：mg-F=maF′=F=mg-ma

電梯加速下降：mg-F=maF′=F=mg-ma電梯減速下降：F-mg=ma F′=F=ma+mg

教學活動5：構建彈簧振動模型，還原生活實例——蹦極（如圖6所示）。運用牛頓第二定律解釋蹦極運動中體現的超重和失重現象，利用這個模型把本節課的重難點（產生失重和超重現象的原因和條件）鞏固加強.這里體現了物理源于生活，從生活到物理，從物理到社會的教育育人理念，進一步培養學生分析和解決實際問題的能力。

圖6

教學活動6：認識完全失重現象。

1.課堂小實驗：在礦泉水瓶的瓶口處開一個小孔和靠近底部開兩個小孔，裝滿水擰緊瓶蓋，這時，由于水的重力作用，會使水從靠近底部的小孔射出。接著將這個裝水的瓶向各個方向拋出，讓學生觀察水是否會從底部小孔射出。結果是：水不會從小孔射出來。

引導學生討論得出物體做自由落體運動，即加速度a=g時，物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）等于零，從理論和實驗兩個角度給出完全失重現象的概念。

2.完全失重環境下的太空授課及質量的測量。

播放“神舟十號”宇航員王亞平在太空授課的動畫視頻，介紹宇航員在完全失重的情況下完成懸空打坐、小球做單擺運動和液體表面張力三個小實驗，讓學生對完全失重有個更加直觀的感受，可以反問學生：為什么在完全失重的環境下所有靠重力效應工作的儀器都失效？引導他們自己獲取答案。并介紹宇航員在為人類進軍宇宙和探索宇宙中所作的重大貢獻，重點介紹我國在航天航空方面取得的成就和發展，激起愛國情懷，點燃航天夢。同時，在“自覺觀察自然和社會規律，努力探索和發現事物運行和發展規律”中滲透著航天員的科學精神，在“自覺維護、追求和關注人的尊嚴、價值和命運”中滲透著人文精神。

回應課程開始對物體質量的測量，讓學生思考：在完全失重的情況下，如何測得人的質量？

播放太空授課視頻（鏈接中國首次太空授課全程回顧 測航天員質量.mp4）：給介紹學生在失重的情況下如何應用牛頓第二定律測量物體的質量，并簡單介紹一下牛頓第二定律的適用范圍。

（四）科學推理，科學論證，提升科學思維

在對本節課進行的教學討論過程中，主要考慮從以下的三點著手來幫助拔高學生們的科學思維。

1.超重、失重現象的歸納、概括和推理論證過程

通過列舉日常生活中不同場景的例子和創設的場景，一方面引出“失重和超重”現象，另一方面，讓學生知道“失重和超重”現象是日常生活中常見的現象。我們還知道，當物體相對靜止時，物體對支持物的壓力（或對懸掛物體的張力）等于物體的重力（事實）。當物體運動時，物體的重力不變（事實），但對支持物的壓力（或對懸掛物體的張力）發生了變化（現象）。根據以上事實和現象，我們可以推導出：引起壓力或張力變化的原因是物體的速度（結論）。

2.“失重和超重”現象的本質的分析、條件的探究設計

速度是引起失重和超重的原因，具體是因為速度方向還是速度大小呢？我們設計了探究實驗：重現人在體重計上快速下蹲和快速起立過程，并利用計算機作出F-t圖像，記錄傳感器的力隨時間變化的曲線，引導學生對實驗結果進行分析。

當人快速下蹲時，出現先視重小于重力，后視重大于重力，即出現了先失重后超重的現象；當人快速起立時，出現先視重大于重力，后視重小于重力，即出現了先超重后失重的現象。至此就可以推出：速度方向不是引起失重和超重的原因，速度大小的變化才是導致失重和超重的原因，得到失重和超重現象的條件和實質是：有加速度。

3.失重和超重、視重、與重力的辨析

學生學習這一節內容，大部分學生誤以為發生失重和超重現象是因為物體的重力產生了變化，而完全失重現象則是物體沒有受到重力，重力為零。所以在設計實驗探究的過程中，F-t圖像記錄傳感器的力隨時間變化的曲線可以直觀說明物體重力沒有變，變的是視重。完全失重則是物體受到的壓力或者拉力為零的特殊情況，而重力并沒有變化。這里糾正學生的思維誤區。

三、結束語

綜上所述，本次教學活動的創新點是在開展前先分析了學生學情，知道學生雖然學了牛頓第二定律，但對“從親身感受的現象當中—提出探究的物理問題—分析現象背后的物理本質—設計實驗進行驗證”的研究思路和方法還不熟。所以，首先，創設學習情境，通過引導學生對生活實例的切身觀察和感受，提出幾個與學生感興趣的知識密切相關的問題，構建物理學概念。其次，引導學生在科學實驗探究的基礎上探索新知識，進行理論分析和實驗驗證，從而提高思維判斷能力，得到實驗結論。最后，運用這一知識點，發揮學生的自主性，解決生活中的問題，回應引入環節的驅動問題，滲透愛國情懷和人文精神，將物理核心素質的培養付諸實踐。