凸出核心概念 建構(gòu)知能力識網(wǎng)絡(luò)

摘 要：以核心概念為中心的單元教學(xué)設(shè)計是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。學(xué)生在理解核心概念、應(yīng)用核心概念解決問題的過程中，能夠形成正確的物理觀念、良好的科學(xué)思維，從而提升自身的核心素養(yǎng)。文章以“圓周運動”教學(xué)為例，從提煉單元核心概念、強化基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、豐富真實情境應(yīng)用三個方面入手建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，以期促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心概念；知識網(wǎng)絡(luò)；核心素養(yǎng)；圓周運動

在物理課程中，教材的編寫、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、課堂活動的組織、探究實驗的設(shè)計、配套習(xí)題的選取、學(xué)習(xí)情況的評價等都是圍繞物理核心概念展開的。物理教材基于物理學(xué)科大概念來編寫，而分解開的一個個章節(jié)則是基于章節(jié)的核心概念。基于核心概念的單元知識網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)過程體現(xiàn)了物理教學(xué)的常規(guī)思路，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。單元知識網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包含學(xué)生學(xué)習(xí)的全部內(nèi)容，并且經(jīng)歷一個不斷完善、不斷深化的建構(gòu)過程。^［1］本文以“圓周運動”教學(xué)為例探討基于單元核心概念建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)的方法。

1 提煉單元核心概念 理順邏輯關(guān)系

成體系知識學(xué)習(xí)的一般過程包括基本概念的學(xué)習(xí)、核心概念的學(xué)習(xí)以及核心概念的應(yīng)用。提煉核心概念是建構(gòu)單元知識網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。核心概念的提取要求教師研究《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）、研讀教材、聯(lián)系相關(guān)知識在生產(chǎn)生活中的實際應(yīng)用等，做到心中有數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中圍繞核心概念進行知識網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)。

“圓周運動”一章的學(xué)習(xí)是學(xué)生對運動與相互作用的理解逐步深入的過程。《課程標準》中主要能力要求是“能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力。”^［2］

教材編寫的主要結(jié)構(gòu)是“圓周運動的描述→圓周運動的受力分析→圓周運動在實際生活中的應(yīng)用。”從素養(yǎng)目標、《課程標準》要求、教材編寫、生活中的實際應(yīng)用以及常見的考題等來看，應(yīng)確立“指向圓心的合外力提供向心力”作為本單元的核心概念。圍繞核心概念確定教學(xué)思路，理順知識間的邏輯關(guān)系，為引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)良好知識網(wǎng)絡(luò)做好充足準備。具體的邏輯關(guān)系如圖1所示。

2 強化基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí) 構(gòu)建知識體系

單一知識的零散學(xué)習(xí)和獲取并不具備發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的功能，只有在一定的知識體系環(huán)境下，才能對事物有一定深度的認識，單元知識體系的建構(gòu)是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的最低要求。強化基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，建構(gòu)良好的單元知識體系，可以讓教師

知道要教什么，做到“胸有成竹”；讓學(xué)生知道要學(xué)什么，做到“清晰明了”。“圓周運動”一章的基礎(chǔ)知識有六個重要物理量，兩類常見轉(zhuǎn)動，一個核心概念，三種重要模型。

2.1 六個重要物理量

解釋物理現(xiàn)象需要一套完整的概念體系，概念體系的學(xué)習(xí)是建構(gòu)物理知識體系的基礎(chǔ)，需要基于學(xué)生已有的概念體系及建構(gòu)概念的方法，合理地應(yīng)用理論推導(dǎo)及探究實驗等手段習(xí)得概念的內(nèi)涵。在這個過程中，我們需要明確界定每個概念的物理意義、數(shù)學(xué)表達式、標矢性、相互關(guān)系等。描述勻速圓周運動的六個重要物理量分別為線速度、角速度、周期、頻率、向心加速度、向心力^［3］，具體內(nèi)容如表1所示。

2.2 兩類常見轉(zhuǎn)動

轉(zhuǎn)動問題是學(xué)生在學(xué)習(xí)圓周運動時能夠解決的主要問題之一，通過解決轉(zhuǎn)動問題使學(xué)生深入理解描述圓周運動的物理量間的關(guān)系。轉(zhuǎn)動的主要類型可分為同軸轉(zhuǎn)動和傳動轉(zhuǎn)動，同軸轉(zhuǎn)動各個點角速度相等，傳動轉(zhuǎn)動外邊緣各個點線速度大小相等。具體的特征如表2所示。

2.3 一個核心概念

圓周運動的核心問題是圍繞著向心力的來源展開討論的，核心概念是“指向圓心的合外力提供圓周運動的向心力”。實質(zhì)是對力和運動關(guān)系的再討論，是牛頓運動定律的深入應(yīng)用。主要討論的問題是“供需關(guān)系”，即提供的力與需要的向心力相對應(yīng)，才能讓物體持續(xù)做圓周運動。對勻速圓周運動而言，合外力提供向心力。

若提供的合外力大于需要的向心力（F合gt;Fn），物體做近心運動；

若提供的合外力等于需要的向心力（F合＝Fn），物體做圓周運動；若提供的合外力小于需要的向心力（F合lt;Fn），物體做離心運動；若提供的合外力為零（F合＝0），則物體沿切線方向做勻速直線運動。運動情況如圖2所示。

2.4 三種重要模型

中學(xué)階段能夠解釋的圓周運動問題多數(shù)是對上述核心概念的應(yīng)用，而在眾多應(yīng)用中有三種模型是學(xué)生必須掌握的，分別為“mgtanθ”模型、圓盤模型、豎直面內(nèi)的圓周運動模型。

2.4.1 模型一：“mgtanθ”模型

“mgtanθ”模型是指物體僅在重力和一個彈力的作用下沿水平方向運動，合力為mgtanθ，此時物體的加速度為gtanθ，其中θ為彈力和重力的夾角，如圖3（a）所示。由于彈力在豎直方向的分力始終等于重力，如圖3（b）所示，故彈力的大小為mgcosθ，且始終不變。若物體在水平方向再受一個力F其他，彈力F不變，物體受到的合外力為F其他和mgtanθ的矢量和。“mgtanθ”模型主要應(yīng)用于圓錐擺、轉(zhuǎn)彎問題、飛車走壁等問題。

2.4.2 模型二：圓盤模型

圓盤模型是指物塊置于轉(zhuǎn)動的水平圓盤上，重力和支持力平衡，圍繞著靜摩擦力及其他力的合力提供向心力的相關(guān)模型問題。主要涉及的問題是尋找物體發(fā)生側(cè)滑的臨界條件，具體討論如表3所示。

臨界條件F為零時，汽車沿切線飛出F最大時，汽車的速度達到最大值最高點：mg＝mv²mRv₁gt;0，物體可持續(xù)做圓周運動

v₁＝gR，F(xiàn)₁＝0

v₁lt;gR，F(xiàn)₁為支持力

v₁gt;gR，F(xiàn)₁為拉力

2.4.3 模型三：豎直面內(nèi)的圓周運動模型

豎直面內(nèi)的圓周運動模型主要是指有重力參與的非勻變速圓周運動，特別是圍繞核心思想對物體在最高或最低點所受彈力討論的模型問題。主要討論的模型可分為拱形橋模型、輕繩模型、輕桿模型。具體討論如表4所示。

3 豐富真實情境應(yīng)用 提升核心素養(yǎng)

由于物理課程的難度，學(xué)生很難在單一情境中形成正確的認識，只有在豐富的情境中才能深刻地體會物理概念及規(guī)律，從而有效地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。教學(xué)中應(yīng)以理解和應(yīng)用核心概念及基本知識體系為目的，創(chuàng)設(shè)豐富的真實情境，學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決不同情境中的問題，從而發(fā)展思維、增長智慧，逐步建構(gòu)完善的知識網(wǎng)絡(luò)。

例如“mgtanθ”模型在生產(chǎn)生活中有大量的應(yīng)用（見表5），教學(xué)中不能只盯著課本上介紹的火車轉(zhuǎn)彎問題，應(yīng)適當?shù)丶尤腼w機轉(zhuǎn)彎、飛車走壁、圓錐擺等真實生活情境中的應(yīng)用，更好地實現(xiàn)知識的遷移應(yīng)用。

4 結(jié)語

核心概念是學(xué)生必須掌握的內(nèi)容，只有將核心概念置于單元知識體系中才對發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)具有意義。教學(xué)的全過程應(yīng)該緊緊地圍繞以核心概念為中心的知識體系展開，所有的教學(xué)行為都應(yīng)為使學(xué)生建構(gòu)完善的知識網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過提煉核心概念使學(xué)生理順知識間的邏輯關(guān)系，通過強化基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)使學(xué)生構(gòu)建良好的知識體系，通過豐富的真實情境應(yīng)用使學(xué)生充分地理解知識，建構(gòu)適于自己的知識網(wǎng)絡(luò)，可有效推動學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻

［1］劉杭州，宋書婷，郭曉雪，等.建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展核心素養(yǎng)——以“電磁感應(yīng)”教學(xué)為例［J］.物理教學(xué)，2022，44（10）：5-8，4．

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：15．

［3］王棟.描述圓周運動的物理量和物理規(guī)律解讀［J］.中學(xué)生數(shù)理化（高一使用），2022（2）：33-34．