基于CPS模型的“超重和失重”教學(xué)案例分析

沈祖榮

(江蘇省木瀆高級(jí)中學(xué)，江蘇 蘇州 215101)

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等，創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性思維是其重要內(nèi)容。CPS模型關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，筆者“以超重和失重”教學(xué)為例，介紹CPS模型及其應(yīng)用。

1 CPS教學(xué)模型簡介

美國學(xué)者帕恩斯(Parnes)提出了CPS模型(CPS是Creative Problem Solving的英文縮寫，意為創(chuàng)造性問題解決)，它以問題解決過程為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)發(fā)散思維與聚斂思維的結(jié)合。該模型首先以發(fā)散思維為先導(dǎo)，提出多種多樣的問題解決方法，然后再聚斂思維，形成最佳、最合適的解決方案，最后進(jìn)入執(zhí)行或下一階段的準(zhǔn)備，從而提升問題解決者的創(chuàng)造力及解決問題的能力，美國的特芬格教授將CPS教學(xué)分為四成分、八階段(表1)。

表1

2 “超重和失重”教學(xué)案例分析

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超重和失重的要求是：通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象。為了認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象，應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為基本方法。筆者以“超重和失重”的教學(xué)為例，基于CPS模型，設(shè)計(jì)教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.1 尋找時(shí)機(jī)

教師播放視頻：在豎直升降的電梯里，學(xué)生站在體重計(jì)上，當(dāng)電梯升降時(shí)觀察體重計(jì)示數(shù)的變化。

師：為什么體重計(jì)示數(shù)會(huì)時(shí)大時(shí)?。?/p>

生：可能與該生站不穩(wěn)有關(guān)，可能與電梯的不穩(wěn)有關(guān)……

2.2 尋找資料

師：學(xué)生身體狀況沒有問題、電梯的安全質(zhì)量也沒問題，多次實(shí)驗(yàn)，體重計(jì)示數(shù)均會(huì)時(shí)大時(shí)小，可考慮是一個(gè)物理現(xiàn)象，請(qǐng)同學(xué)查閱資料，探索成因。

生：把電梯里的學(xué)生抽象成一個(gè)質(zhì)量為m的物體，物體放在桌面上，物體對(duì)桌面的壓力即為體重計(jì)的示數(shù)(稱為視重，注意質(zhì)量單位與力單位的換算)。當(dāng)物體向上加速、向下減速、勻速或靜止時(shí)，視重會(huì)不同，從而導(dǎo)致體重計(jì)示數(shù)會(huì)時(shí)大時(shí)小。

師：分析正確，體重計(jì)示數(shù)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，在物理上稱之為超重或失重現(xiàn)象。

2.3 生成問題

師：體重計(jì)示數(shù)會(huì)時(shí)大時(shí)小，是隨機(jī)出現(xiàn)的，還是有規(guī)律性？

生：有規(guī)律性，電梯加速上升時(shí)示數(shù)變大，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)示數(shù)不變，加速下降時(shí)示數(shù)變小。

2.4 生成想法

師：那為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象？

生：因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的情況不同。

圖1

2.5 尋求方法

師：如何解釋上述現(xiàn)象呢？

生：可對(duì)物體受力分析，運(yùn)用牛頓第二定律。

教師引導(dǎo)學(xué)生畫出物體的受力分析圖(圖1)。

師：當(dāng)物體靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，視重如何？

生：因?yàn)槲矬w處于平衡狀態(tài)，a=0，所以FN=G=mg。

師：當(dāng)物體加速上升時(shí)，視重如何？

生：當(dāng)物體加速上升時(shí)，物體具有向上的加速度，F(xiàn)N-mg=ma，則FN=mg+ma，視重FN大于物體所受重力mg。

師：在物理學(xué)中，把視重FN大于物體所受重力mg的現(xiàn)象叫作超重現(xiàn)象。

運(yùn)用同樣的思路可講授失重、完全失重現(xiàn)象。

2.6 尋求接受

教師運(yùn)用學(xué)生能夠接受的方式，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)(表2)，請(qǐng)學(xué)生歸納出結(jié)論。

表2

學(xué)生得出結(jié)論：物體的加速度向上，出現(xiàn)超重現(xiàn)象；物體的加速度向下，出現(xiàn)失重現(xiàn)象；做自由落體運(yùn)動(dòng)(或在宇宙飛船等中)的物體處于完全失重狀態(tài)。

師：一同學(xué)站在豎直升降電梯里的體重計(jì)上，當(dāng)電梯升降時(shí)，體重計(jì)示數(shù)發(fā)生了變化，如何解決該問題？

生：通過受力分析，針對(duì)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用牛頓第二定律列方程、解方程，即可作出明晰解釋。

師：以上我們通過觀察現(xiàn)象、尋求方法、利用規(guī)律、解釋現(xiàn)象，學(xué)到了新知識(shí)。

2.7 評(píng)估課題

學(xué)生在觀察視頻后，通過理論分析，初步認(rèn)識(shí)了超重與失重現(xiàn)象，

為了能夠證明結(jié)論的可靠性，將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.8 設(shè)計(jì)過程

教師準(zhǔn)備好體重計(jì)，請(qǐng)一位同學(xué)在體重計(jì)上從直立到蹲下，并請(qǐng)三名學(xué)生代表觀測體重計(jì)的示數(shù)，向全班同學(xué)匯報(bào)觀測結(jié)果。

生：體重計(jì)示數(shù)不變、變小、變大、最后不變。

師：結(jié)合該生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化，請(qǐng)同學(xué)們討論、并解釋這一現(xiàn)象。

生：該生下蹲的過程有向下加速和向下減速兩個(gè)過程。當(dāng)該生向下加速時(shí)，加速度向下，出現(xiàn)失重現(xiàn)象；當(dāng)該生向下減速時(shí)，加速度向上，出現(xiàn)超重現(xiàn)象。結(jié)合具體過程即可解釋這一現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本教學(xué)設(shè)計(jì)基于CPS模型，首先創(chuàng)設(shè)問題情景，引出成分一(尋找時(shí)機(jī)、尋找資料、生成問題)；學(xué)生心中產(chǎn)生問題，自然會(huì)生成各種各樣的想法，然后自然引出成分二(生成想法)；有的想法對(duì)解決問題可行，有的想法不可行，通過學(xué)生討論，引發(fā)“頭腦風(fēng)暴”，變發(fā)散思維為聚斂思維，在師生的共同參與下，找到解決問題的方法并尋求全體同學(xué)接受，自然引出成分三(尋求方法、尋求接受)，最后為問題解決的成分四(評(píng)估課題、設(shè)計(jì)過程)。

通過教學(xué)實(shí)踐，不僅順利完成了“超重和失重”的教學(xué)任務(wù)，還培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、尋找方法并采用合適的方法解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維、聚斂思維能力，提高了學(xué)生的核心素養(yǎng)。