基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中物理概念轉(zhuǎn)變教學(xué)

摘要：高考評(píng)價(jià)體系首次明確提出“一體四層四翼”，把學(xué)科素養(yǎng)納入考查目標(biāo)，對(duì)應(yīng)修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)將學(xué)科核心素養(yǎng)提到重要位置。以魯科版高中物理必修2《向心力與向心加速度》教學(xué)設(shè)計(jì)為例，淺談在高中物理概念教學(xué)中如何轉(zhuǎn)變?cè)薪虒W(xué)方式，有效提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；學(xué)科素養(yǎng)；概念教學(xué)

新高考評(píng)價(jià)體系中提出了四層考查目標(biāo)“必備知識(shí)、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)、核心價(jià)值”。為了與新高考方案對(duì)接，2017年版高中普通物理課程標(biāo)準(zhǔn)把培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)納入標(biāo)準(zhǔn)，從原有的“三維課程目標(biāo)”往“學(xué)科核心素養(yǎng)”過渡。新課程標(biāo)準(zhǔn)中把物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為四個(gè)維度：物理觀念與應(yīng)用、科學(xué)思維與創(chuàng)新、科學(xué)探究與交流、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求物理教學(xué)要更重視物理概念的教學(xué)，形成正確的物理觀念，能用經(jīng)典的物理觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀等物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題，初步形成現(xiàn)代物理的物理觀念。

一、 細(xì)化課標(biāo)要求，建構(gòu)物理核心觀念

物理核心觀念包括：物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀和能量觀等。

運(yùn)動(dòng)觀上：勻速圓周運(yùn)動(dòng)是線速度大小不變、角速度不變、周期不變的圓周運(yùn)動(dòng)，線速度方向時(shí)刻在改變。由矢量特點(diǎn)可知，勻速圓周運(yùn)動(dòng)線速度的方向時(shí)刻在發(fā)生變化，故勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度時(shí)刻在改變，勻速圓周運(yùn)動(dòng)有加速度。勻變速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度方向時(shí)刻指向圓心，方向時(shí)刻在變，因此勻速圓周運(yùn)動(dòng)是非勻變速曲線運(yùn)動(dòng)。

相互作用觀上：向心力是以效果命名的，而非又一性質(zhì)力。向心力可以由重力、彈力、摩擦力、電場(chǎng)力等力提供，也可以由它們的分力或合力提供。

能量觀上：物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，向心力不做功，物體動(dòng)能不變。若物體做非勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則合外力指向圓心部分的分力提供向心力，僅改變速度的方向，沿切線方向的分力改變速度的大小，若合外力與速度成銳角，對(duì)物體做正功，動(dòng)能增加，反之，做負(fù)功，動(dòng)能減少。

二、 對(duì)比教材編排，建構(gòu)物理科學(xué)思維

科學(xué)思維與創(chuàng)新包括：模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

學(xué)情上，學(xué)生已學(xué)過拋體運(yùn)動(dòng)，對(duì)變速運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)有一定了解。同時(shí)也對(duì)描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的快慢的物理量：線速度、角速度、周期有了一定的了解。但對(duì)向心力與向心加速度的概念，學(xué)生還是普遍感到比較難理解，難以建立正確的新概念。

2011年7月出版的魯科版物理必修2教材中先給出向心力的概念，再得出向心加速度的概念。如果完全按照魯科版教材編寫思路實(shí)施教學(xué)，較難建構(gòu)正確的物理模型，探究向心力的大小與哪些因素有關(guān)時(shí)，如果沒有足夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理，學(xué)生很難理解為什么是只和質(zhì)量、角速度和半徑這三個(gè)物理量有關(guān)。對(duì)比教材發(fā)現(xiàn)人教版對(duì)本節(jié)課內(nèi)容處理順序正好相反。先構(gòu)建模型，由加速度的定義式，通過滲透微元、極限思想等方法科學(xué)推導(dǎo)得出向心加速度的表達(dá)式，再根據(jù)牛頓第二定律得出向心力的表達(dá)式，最后通過控制變量法定性驗(yàn)證影響向心力大小的影響因素，學(xué)生更能理解向心力是以效果命名的，且在對(duì)向心力大小的影響因素的實(shí)驗(yàn)中不用再假探究，而是真驗(yàn)證。

三、 創(chuàng)設(shè)問題情境，建構(gòu)科學(xué)探究模式

科學(xué)探究主要包括：問題、證據(jù)、解釋和交流等。

（一） 游戲引入，提出問題

首先借助“用倒置的玻璃杯搬運(yùn)乒乓球”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問題情境，引入新課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，又呼應(yīng)之后教學(xué)，為向心力概念建立和向心力來源創(chuàng)設(shè)情境。

（二） 尋找證據(jù)，建構(gòu)概念

向心力概念的建立是一個(gè)重點(diǎn)，向心力的來源則是難點(diǎn)。學(xué)生不易理解，因此創(chuàng)設(shè)問題情境，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極思維。

實(shí)驗(yàn)1：小球在一個(gè)可拆卸的環(huán)形軌道內(nèi)壁做圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軌道打開一個(gè)缺口，小球不做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，小球切著軌道缺口沿直線運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行受力分析，得出小球做圓周運(yùn)動(dòng)的原因是受到環(huán)形軌道內(nèi)壁彈力F的作用。同時(shí)說明小球壓迫擋板，小球有背離圓心向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。這是做圓周運(yùn)動(dòng)的物體的共同特點(diǎn)，也為下面分析實(shí)驗(yàn)2靜摩擦力使書本做圓周運(yùn)動(dòng)做了知識(shí)準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)2：讓學(xué)生站起，用手水平托起物理課本，伸直托書的手臂，讓手臂以身體為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，感受書本與手之間的作用力。書本做圓周運(yùn)動(dòng)的原因是受到靜摩擦力f的作用，靜摩擦力f的方向指向身體。

實(shí)驗(yàn)3：乒乓球在倒置的玻璃杯中快速轉(zhuǎn)動(dòng)。重力和支持力的合力使乒乓球做圓周運(yùn)動(dòng)，合力的方向指向圓心。呼應(yīng)課堂導(dǎo)入游戲中的疑問，再次激發(fā)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)欲望。

將三個(gè)模型列表歸納，可發(fā)現(xiàn)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體都要受到一個(gè)指向圓心的力，進(jìn)而歸納得出向心力的定義及勻速圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

（三） 科學(xué)解釋，得出概念

應(yīng)用微元思想、極限思想通過加速度的定義式a=ΔvΔt來推導(dǎo)向心加速度的大小。建立模型：一個(gè)物體順時(shí)針做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，線速度為v，半徑為R，0時(shí)刻物體處于A點(diǎn)，經(jīng)過時(shí)間Δt，物體第一次到達(dá)B點(diǎn)，如圖1所示。

如圖2所示，將A點(diǎn)速度平移至B點(diǎn)，連接AB，速度矢量三角形與幾何三角形OAB相似，由相似三角形的特點(diǎn)知：Δvv=ABR，即Δv=ABRv。由a=ΔvΔt得，a=AB·vR·Δt，當(dāng)時(shí)間Δt→0時(shí)，如圖3所示，弦長AB的大小趨近于弧長S的大小，即a=AB·vR·Δt=vR·SΔt=vR·v=v2R。故得出向心加速度a的表達(dá)式：a=v2R=ω2R，方向：不斷變化，始終與速度方向垂直，即時(shí)刻指向圓心。

通過上述的理論推導(dǎo)，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)矢量運(yùn)算的理解，同時(shí)滲透微元、極限的物理思想。

（四） 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，討論交流

由牛頓第二定律F=ma得向心力的大小：F=mv2R=mω2R。

通過實(shí)驗(yàn)，定性驗(yàn)證向心力大小的影響因素。借助向心力演示儀，通過控制變量法定性驗(yàn)證向心力的大小與物體的質(zhì)量、半徑、角速度（或線速度）的關(guān)系。

要研究它們的關(guān)系，首先要解決如何測(cè)出向心力的大小。教師先出示向心力演示器，然后通過提出問題，引導(dǎo)學(xué)生悟出在圓周運(yùn)動(dòng)中只有圓心處是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，更好認(rèn)識(shí)向心力演示儀的工作原理。為了更精確得出向心力大小，也借助力傳感器來代替彈簧秤。

實(shí)驗(yàn)原理明了后，教師引導(dǎo)學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)方法——控制變量法，從而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、步驟并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證得向心力的表達(dá)式：F=mrω2=mv2r。

這部分教學(xué)采用教師引導(dǎo)下科學(xué)探究的方式，解決了向心力大小與質(zhì)量、半徑和角速度的關(guān)系，來突出教材的重點(diǎn)。教師用“問題”的形式組織課堂，條理清晰，邏輯性強(qiáng)。通過有效的師生互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)分析處理能力。

四、 結(jié)合多手段教學(xué)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度責(zé)任

新課程理念更加關(guān)注學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)把科學(xué)態(tài)度與責(zé)任細(xì)分為：科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE的關(guān)系等。

課后布置小組任務(wù)：

1. 觀察火車在拐彎時(shí)，火車軌道的特點(diǎn)。

2. 嘗試解釋中國古代雜技“水流星”完成技巧。

3. 收集自然界中涉及向心力的現(xiàn)象。通過完成這個(gè)任務(wù)，幫助學(xué)生理解科學(xué)與社會(huì)、生活、環(huán)境的關(guān)系，感受物理研究的魅力及創(chuàng)造性。

通過提出問題結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，借助傳感器及多媒體幫助學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、科學(xué)精神。運(yùn)用微元法與極限思想導(dǎo)入向心加速度，由牛頓第二定律推導(dǎo)出向心力的公式，真實(shí)可靠，學(xué)生容易接受，要比教材上安排的順序更為符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中感受、體驗(yàn)、生成、同化、內(nèi)化，提升了學(xué)生在科學(xué)方法與應(yīng)用上的素養(yǎng)，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)態(tài)度。

物理概念教學(xué)的最終目的不僅要使學(xué)生掌握概念本身，而且在學(xué)習(xí)概念的過程中形成完整的概念體系，對(duì)該概念進(jìn)行發(fā)展及應(yīng)用，從而完善學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，建立正確的物質(zhì)觀，發(fā)展學(xué)生的思維能力，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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作者簡介：毛嚇梅，福建省漳州市，福建省漳州第一中學(xué)。