基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中物理情境教學(xué)課堂實(shí)踐

李崢 胡治宏 陳政豪 江緒華

摘? ?要：文章從“生活實(shí)例類比”“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證”“現(xiàn)象情境創(chuàng)設(shè)”三個(gè)維度入手，結(jié)合“向心加速度”教學(xué)片斷，對(duì)如何利用情境教學(xué)促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：情境創(chuàng)設(shè);核心素養(yǎng);向心加速度;序列性問(wèn)題

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）10-0072-4

1? ? 情境教學(xué)的提出

情境教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中，教師依據(jù)教學(xué)目的，有針對(duì)性地引入或創(chuàng)設(shè)真實(shí)、生動(dòng)、具體、形象和適宜的場(chǎng)景或氛圍，使學(xué)習(xí)者直觀感受到知識(shí)的原始形式，以引起學(xué)生積極的態(tài)度體驗(yàn)、行為體驗(yàn)，從而激活學(xué)生的思維，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)視野，激發(fā)學(xué)生思考的積極性，進(jìn)而幫助學(xué)生理解并掌握知識(shí)，提高分析和解決問(wèn)題的能力?！拔锢砀拍畹慕⑿枰?jiǎng)?chuàng)設(shè)經(jīng)驗(yàn)情境”“物理規(guī)律的探究需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境”“應(yīng)用物理知識(shí)解決具體問(wèn)題應(yīng)結(jié)合具體的實(shí)際情境”，在教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中也明確提出“在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中也重視情境的創(chuàng)設(shè)”，而“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用”[1]。

創(chuàng)設(shè)生活情境、運(yùn)用多媒體技術(shù)、結(jié)合物理學(xué)史以及利用物理實(shí)驗(yàn)是情境教學(xué)的常見(jiàn)途徑和方式。本文以“向心加速度”教學(xué)片斷為例，闡述如何利用情境創(chuàng)設(shè)開(kāi)展實(shí)際教學(xué)，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

2? ? 向心加速度相關(guān)的情境教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? ? 生活實(shí)例類比

教材欄目呈現(xiàn)了以下問(wèn)題：“天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室在軌飛行時(shí)，可認(rèn)為它繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。盡管線速度大小不變，但方向卻時(shí)刻變化，因此，它運(yùn)動(dòng)的加速度一定不為0。那么，該如何確定它在軌飛行時(shí)加速度的方向和大小呢？”[2]

從課標(biāo)要求看，本節(jié)內(nèi)容主要是讓學(xué)生知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心加速度的大小和方向。教材設(shè)計(jì)的問(wèn)題緊扣這一教學(xué)目標(biāo)，并結(jié)合了我國(guó)最新的航天發(fā)展成就，能夠有效地增強(qiáng)學(xué)生對(duì)祖國(guó)科技的自信，有利于培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和愛(ài)國(guó)情懷。同時(shí)，該問(wèn)題契合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，通過(guò)曲線運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步了解了曲線運(yùn)動(dòng)速度的矢量性，知道加速度是速度改變的原因。通過(guò)確定天宮二號(hào)在軌飛行加速度方向和大小的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，能夠讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)科學(xué)思維。

但從實(shí)際教學(xué)看，學(xué)生普遍對(duì)天宮二號(hào)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況比較陌生，很難建構(gòu)具體的物理模型。筆者結(jié)合生活實(shí)際，利用如圖1所示的激光高速特技車進(jìn)行了類比。

打開(kāi)開(kāi)關(guān)，讓激光小車在塑料透明球盒中做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的基本要素提出以下序列性問(wèn)題：（1）特技小車做什么運(yùn)動(dòng)（模型建構(gòu)）？（2）特技小車速度是否改變，為什么（邏輯推理）？（3）請(qǐng)分析特技小車的受力情況（分析與綜合）。（4）簡(jiǎn)述特技小車加速度的特點(diǎn)（抽象與概括）。（5）請(qǐng)類比、歸納特技小車與天宮二號(hào)在軌飛行時(shí)具有哪些力與運(yùn)動(dòng)方面共同的特征（比較與分類）？

學(xué)生觀察并思考、交流與討論，教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注主要因素、忽略次要因素，如小車的運(yùn)動(dòng)可以近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng);小車雖然受到了重力、球盒的彈力以及摩擦力，但根據(jù)小車的運(yùn)動(dòng)情況，其主要決定因素在于彈力等。通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，不斷滲透類比思想，將特技小車和天宮二號(hào)在軌飛行時(shí)力與運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征和共同屬性進(jìn)行抽象和概括。

在利用相關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到向心加速度的表達(dá)式后，再結(jié)合科學(xué)探究相應(yīng)的要素提出序列性問(wèn)題：（1）確定激光高速特技車圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度需要測(cè)定哪些物理量（問(wèn)題）？（2）需要利用哪些器材？如何測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)（證據(jù)）？（3）請(qǐng)結(jié)合相關(guān)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析（解釋）。（4）能否利用上述方法測(cè)量天宮二號(hào)的向心加速度，談?wù)劸唧w的想法（交流）。

通過(guò)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)向心加速度的數(shù)值有較大差異，引導(dǎo)學(xué)生追本溯源，交流發(fā)現(xiàn)半徑的測(cè)定誤差較小，半徑基本為3.50 cm。但是，周期的測(cè)定卻集中在0.396 s～0.817 s之間，差異較大。引導(dǎo)學(xué)生回歸實(shí)驗(yàn)，從器材和操作進(jìn)行細(xì)致梳理，學(xué)生發(fā)現(xiàn)小車有兩個(gè)擋，選擇2擋小車的速度明顯變大，測(cè)定的周期自然變小。教師進(jìn)一步追問(wèn)：選擇同一擋，周期測(cè)定的誤差是否就很小呢？學(xué)生發(fā)現(xiàn)差異仍然很大，究其根本，主要是因?yàn)樵跍y(cè)定周期的過(guò)程中，小車轉(zhuǎn)速相對(duì)較快，測(cè)量時(shí)間和小車轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間不同步。而針對(duì)天宮二號(hào)向心加速度的測(cè)定，學(xué)生頭腦風(fēng)暴后，提出了用激光測(cè)距的方式測(cè)高度，再加上地球的半徑得到圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，再結(jié)合衛(wèi)星的周期就可以方便求解。

得出相關(guān)結(jié)論之后，教師還播放了“1分鐘回顧天宮二號(hào)一生”和“2020年中國(guó)衛(wèi)星發(fā)射”的短視頻，幫助學(xué)生了解我國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展情況，增強(qiáng)科技自信心。

設(shè)計(jì)意圖：（1）通過(guò)特技小車的實(shí)物運(yùn)動(dòng)展示，類比天宮二號(hào)進(jìn)行分析，能夠幫助學(xué)生經(jīng)歷“具體—抽象—具體”的知識(shí)遷移過(guò)程，利用演繹思維建立相關(guān)力與運(yùn)動(dòng)的模型。（2）針對(duì)核心素養(yǎng)的要素，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的序列性問(wèn)題，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生思維從低階向高階的進(jìn)階。（3）通過(guò)向心加速度的真實(shí)測(cè)量及誤差分析，能夠培養(yǎng)學(xué)生基于現(xiàn)實(shí)情境，應(yīng)用物理知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)。（4）利用天宮二號(hào)的相關(guān)視頻，讓學(xué)生了解我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，有助于增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生追求創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

依據(jù)“證據(jù)課堂”的相關(guān)理論，即通過(guò)“提問(wèn)有依猜想有據(jù)”來(lái)突出重視證據(jù)的意識(shí)，通過(guò)追問(wèn)依據(jù)喚醒學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生善于觀察現(xiàn)象并將其作為證據(jù)來(lái)進(jìn)行推測(cè);通過(guò)“設(shè)計(jì)有方改進(jìn)有法”來(lái)培養(yǎng)尋找證據(jù)的能力，通過(guò)追問(wèn)“你是怎么想到的”“你為什么這么想”來(lái)鼓勵(lì)創(chuàng)新;通過(guò)“評(píng)價(jià)有思交流有想”來(lái)提升解釋證據(jù)的能力，通過(guò)追問(wèn)“你的觀點(diǎn)是什么”“你的證據(jù)是什么”“你是怎么推理的”來(lái)實(shí)現(xiàn)科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維的提升[3]。筆者利用如圖2所示的向心力演示器，并結(jié)合科學(xué)探究要素提出以下序列性問(wèn)題：

（1）若用牛頓第二定律得到的加速度為a，用向心加速度表達(dá)式得到的加速度為a'，要比較a與a'，需要測(cè)定哪些物理量（問(wèn)題）？（2）如何利用“圓周運(yùn)動(dòng)演示儀”采集相關(guān)數(shù)據(jù)（證據(jù)）？（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及處理能得到怎樣的結(jié)論（解釋）。（4）總結(jié)交流向心加速度與向心力之間的關(guān)系（交流）。

結(jié)合相關(guān)公式不難得出要比較a與a'，需要測(cè)定向心力F、小球質(zhì)量m、角速度ω、圓周運(yùn)動(dòng)半徑r。小球的質(zhì)量m可通過(guò)天平測(cè)量，圓周運(yùn)動(dòng)半徑可利用刻度尺進(jìn)行測(cè)量，而向心力F和角速度ω均可通過(guò)DIS儀器直接測(cè)量。結(jié)合相關(guān)儀器特點(diǎn)，還需要測(cè)定擋光桿的寬度以及擋光桿到圓心的距離，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得到某次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以直觀得到F∝ω2。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的要求，可以通過(guò)控制變量法，當(dāng)半徑一定、角速度一定時(shí)，得到相應(yīng)的a與a'的關(guān)系分別如表1、表2所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)的分析與處理，可以得到a與a'在誤差允許的范圍內(nèi)近似相等，但同時(shí)我們也注意到表1中第一組數(shù)據(jù)誤差較大，引導(dǎo)學(xué)生分析得到當(dāng)角速度ω較小時(shí)，相應(yīng)的向心力F較小，導(dǎo)致兩種計(jì)算結(jié)果下相對(duì)誤差較大，從改善實(shí)驗(yàn)效果的角度應(yīng)該適當(dāng)增大角速度的結(jié)論。

通過(guò)引導(dǎo)和比較，學(xué)生交流討論對(duì)向心力和向心加速度的大小、方向的認(rèn)識(shí)理解，進(jìn)一步建立力和運(yùn)動(dòng)觀念。

設(shè)計(jì)意圖：（1）通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從不同的角度對(duì)向心加速度的表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生尋找和解釋證據(jù)，以及從不同角度分析論證問(wèn)題的能力。（2）利用DIS實(shí)驗(yàn)，將信息技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)探究過(guò)程，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。（3）利用源于真實(shí)情境的真實(shí)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行解釋，對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行概括的能力。

2.3? ? 現(xiàn)象情境創(chuàng)設(shè)

教材中設(shè)計(jì)了如下例題：如圖4所示，在長(zhǎng)為l的細(xì)繩下端拴一個(gè)質(zhì)量為m的小球，捏住繩子的上端，使小球在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，細(xì)繩就沿圓錐面旋轉(zhuǎn)，這樣就成了一個(gè)圓錐擺。當(dāng)繩子跟豎直方向的夾角為θ時(shí)，小球運(yùn)動(dòng)的向心加速度an的大小為多少？通過(guò)計(jì)算說(shuō)明：要增大夾角θ應(yīng)該增大小球運(yùn)動(dòng)的角速度ω[2]。

利用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)、簡(jiǎn)易木質(zhì)支架、細(xì)線和鉤碼制作如圖5所示的圓錐擺演示裝置。為方便觀察，調(diào)節(jié)懸點(diǎn)到中心軸的距離為1 cm，并利用木質(zhì)支架固定，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察不同轉(zhuǎn)速下鉤碼的運(yùn)動(dòng)情況。

從零開(kāi)始逐漸增大電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)其轉(zhuǎn)速小于某一臨界值時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)鉤碼會(huì)處于轉(zhuǎn)軸的下方而不被甩開(kāi)，不能形成穩(wěn)定的圓錐擺。利用手機(jī)慢拍功能拍攝并截圖（圖6），分析該現(xiàn)象情境，可知當(dāng)轉(zhuǎn)速不夠大時(shí)，轉(zhuǎn)軸不完全豎直和電動(dòng)機(jī)固定不穩(wěn)固等原因會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，在細(xì)繩上會(huì)產(chǎn)生波并經(jīng)鉤碼反射疊加形成了駐波[4]。而在逐漸增加轉(zhuǎn)速直到形成穩(wěn)定圓錐擺的過(guò)程中，由于慣性，還會(huì)出現(xiàn)如圖7所示的情況，即鉤碼的轉(zhuǎn)動(dòng)略微滯后于懸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考，結(jié)合科學(xué)思維要素提出以下序列性問(wèn)題：（1）能否從數(shù)學(xué)推導(dǎo)的角度對(duì)現(xiàn)象作出解釋（科學(xué)推理）？（2）請(qǐng)根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和推導(dǎo)結(jié)果概括圓錐擺模型的特征（模型建構(gòu)）。

設(shè)計(jì)意圖：（1）利用真實(shí)情境，讓學(xué)生理解圓錐擺的形成條件，建構(gòu)圓錐擺模型。（2）通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力和利用數(shù)學(xué)方法解決物理問(wèn)題的能力。（3）利用手機(jī)慢拍截圖及視頻錄制，發(fā)揮手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的作用，增強(qiáng)物理學(xué)與生活的聯(lián)系。

3? ? 結(jié)? 語(yǔ)

利用熟悉的、可感知的生活實(shí)例進(jìn)行類比，能夠降低知識(shí)的認(rèn)知難度，幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型，體現(xiàn)物理與生活相聯(lián)系的特征。利用真實(shí)的、數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠?qū)ξ锢硪?guī)律進(jìn)行科學(xué)合理的論證，幫助學(xué)生理解知識(shí)本質(zhì)。創(chuàng)設(shè)實(shí)際的、生動(dòng)直觀的現(xiàn)象情境進(jìn)行拓展，能夠有效激活學(xué)生思維，幫助學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看到物理規(guī)律的本質(zhì)，體現(xiàn)利用物理解決真實(shí)問(wèn)題的目的。

情境創(chuàng)設(shè)的目的在于促進(jìn)真實(shí)學(xué)習(xí)。情境創(chuàng)設(shè)的前提是情境必須真實(shí)可靠，即便是虛擬的情境也應(yīng)該符合客觀實(shí)際，情境創(chuàng)設(shè)的關(guān)鍵是要和教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)習(xí)任務(wù)相融合，即情境的創(chuàng)設(shè)要有設(shè)計(jì)感，體現(xiàn)教、學(xué)、評(píng)一致的特征，而情境創(chuàng)設(shè)的核心是要基于情境提出問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題的探究和解決促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

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（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）

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