基于核心素養(yǎng)的高三物理復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)

陳國(guó)斌，郭麗萍

摘? ? 要：以高三物理復(fù)習(xí)課“輕繩與彈簧的彈力突變問(wèn)題”為例，通過(guò)“情境—推理—驗(yàn)證”的科學(xué)探究過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生的物理觀念，提升學(xué)生的科學(xué)思維，升華學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。通過(guò)設(shè)計(jì)教學(xué)核心環(huán)節(jié)來(lái)發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，使之內(nèi)化為學(xué)生的必備品格和關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);彈力突變;教學(xué)設(shè)計(jì);模型建構(gòu)

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）11-0032-4

隨著新課改的逐步深入，教育由“知識(shí)核心時(shí)代”升級(jí)到“核心素養(yǎng)時(shí)代”，強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。2018年初教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面[1]。

基于物理核心素養(yǎng)，以高三物理牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用“輕繩與彈簧的彈力突變問(wèn)題”復(fù)習(xí)課教學(xué)為例，進(jìn)行滲透核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1? ?; 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)流程

以科學(xué)思維為主導(dǎo)，以“情境—模型—推理—驗(yàn)證—應(yīng)用”為課堂教學(xué)架構(gòu)，以學(xué)生的物理知識(shí)學(xué)習(xí)與學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的教學(xué)流程。

2? ? ?基于核心素養(yǎng)的“輕繩與輕彈簧的彈力突變問(wèn)題”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? ? 教學(xué)內(nèi)容分析

近年高考中，出現(xiàn)了由輕彈簧和質(zhì)點(diǎn)組成的擺類題型[2]，但教師對(duì)于此類問(wèn)題的教學(xué)往往只是反復(fù)誘導(dǎo)學(xué)生機(jī)械地得出結(jié)論，學(xué)生對(duì)其本質(zhì)含糊不清或?qū)⒔Y(jié)論“口訣”化，導(dǎo)致遷移運(yùn)用時(shí)似是而非。物理學(xué)中的公式和定理、定律很簡(jiǎn)潔，但只有知其來(lái)龍去脈，才能靈活運(yùn)用這些知識(shí)去解決實(shí)際的物理問(wèn)題?！拜p繩與彈簧的彈力突變問(wèn)題”綜合了4個(gè)核心的物理觀念（物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、能量觀念、相互作用觀念），只有科學(xué)合理地設(shè)計(jì)課堂探究活動(dòng)，才能讓學(xué)生在深度學(xué)習(xí)過(guò)程中體悟此類物理現(xiàn)象的本質(zhì)，在活動(dòng)中提升科學(xué)思維能力，強(qiáng)化頭腦中并不清晰的物理觀念。

2.2? ? 教學(xué)過(guò)程的核心環(huán)節(jié)

環(huán)節(jié)一? 創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：放在地面上的木塊與一輕彈簧相連，輕彈簧處于自然伸長(zhǎng)狀態(tài)。現(xiàn)用水平作用力F拉動(dòng)彈簧，隨著拉力作用點(diǎn)的移動(dòng)，木塊起初保持靜止，當(dāng)力增大到一定程度時(shí)，保持此時(shí)拉力大小不變。其示意圖及拉力F與作用點(diǎn)移動(dòng)距離的關(guān)系如圖2所示。

問(wèn)題1：上述過(guò)程中拉力做功多少？

學(xué)生：通過(guò)求解F-x圖像中的梯形面積可求出拉力做功為：W=20 J。

問(wèn)題2：上述過(guò)程中在前0.2 s拉力的做功對(duì)象是誰(shuí)？

學(xué)生1：木塊。

學(xué)生2：彈簧。

教師：對(duì)于木塊，它在這0.2 s沒(méi)有發(fā)生位移;對(duì)于彈簧，題目條件“輕彈簧”說(shuō)明不計(jì)彈簧重力，所以拉力在這段時(shí)間沒(méi)有對(duì)彈簧做功。

學(xué)生3：木塊沒(méi)有位移，所以做功對(duì)象不是木塊;不計(jì)重力不等于不計(jì)彈簧質(zhì)量，所以拉力在這0.2 s的做功對(duì)象是彈簧。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：高中階段，所謂“輕彈簧”大多時(shí)候是在研究其他問(wèn)題時(shí)忽略彈簧重力的影響，但彈性勢(shì)能的積累需要其質(zhì)量作為載體，因此其質(zhì)量在能量的積累與衰減過(guò)程中是不能不考慮的[3]。該環(huán)節(jié)在學(xué)生已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生思維活動(dòng)，能有效強(qiáng)化學(xué)生的物理觀念，特別是其中的質(zhì)量觀念和能量觀念。

環(huán)節(jié)二? 創(chuàng)設(shè)情境，建構(gòu)模型

創(chuàng)設(shè)活動(dòng)情境：教師讓5個(gè)學(xué)生手拉手靠緊排成一排，另外再讓兩個(gè)學(xué)生分別拉動(dòng)隊(duì)伍兩頭的學(xué)生，相鄰學(xué)生手被拉直后依次往拉力方向移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中手不松開（圖3）。

教師：5個(gè)學(xué)生從緊靠著到手被拉直的過(guò)程中狀態(tài)是如何變化的？

學(xué)生1：剛開始可以把5人看成一個(gè)整體，在外力拉動(dòng)后，由外而內(nèi)順次向兩邊加速，狀態(tài)各不相同，受力也就不一樣。

教師：從這個(gè)現(xiàn)象中你對(duì)拉伸彈簧的過(guò)程有什么思考？（教師同時(shí)拉動(dòng)手中的彈簧）

學(xué)生2：把彈簧的每一圈看成是一個(gè)小物體，拉動(dòng)彈簧其實(shí)是拉動(dòng)了很多個(gè)小物體。

教師：是的，把彈簧看成是由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)量很小的微小單元構(gòu)成[4]，同學(xué)們能不能根據(jù)這個(gè)設(shè)想畫出相應(yīng)的物理模型？

學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行合作交流，畫出拉伸彈簧前后的物理模型（圖4）。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：從物理“情境”到建構(gòu)物理“模型”的思維過(guò)程是物理觀念的深度強(qiáng)化過(guò)程，也是培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的過(guò)程。模型建構(gòu)是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的難點(diǎn)，通過(guò)學(xué)生的親身體驗(yàn)，感悟模型思想。需要注意的是，該活動(dòng)不能等效為彈簧被拉伸的情形（彈簧各微元間都存在彈力，人是在手被拉直之后才有作用力），只是借助該環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生思維，完成從情境到模型建構(gòu)的過(guò)程。

環(huán)節(jié)三? 建構(gòu)模型，演繹推理

創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境：如圖5所示，甲、乙兩圖中質(zhì)量為m1的小球分別用輕彈簧和輕繩與質(zhì)量為m2的小球相連，并用輕繩懸掛于天花板上，甲、乙圖中小球均靜止。

問(wèn)題1：懸掛靜止時(shí)，甲、乙兩圖下端的彈簧和輕繩分別具有彈力和張力，兩者在狀態(tài)上有何不同？

學(xué)生1：因?yàn)槎季哂袕椓?，所以兩者都發(fā)生了形變，但輕彈簧比輕繩的形變更明顯。

學(xué)生2：可以用剛才的彈簧模型來(lái)表示，輕彈簧的各微小單元間被拉伸得更遠(yuǎn)，輕繩的微小單元間拉伸的距離很小。

教師：非常好，如果現(xiàn)在均從圖5中A處剪斷，則圖甲中的輕彈簧和圖乙中下端繩子的拉力將如何變化？

學(xué)生3：在同樣拉力的情況下，甲圖中各微小單元的間距遠(yuǎn)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間恢復(fù)原狀;乙圖中各微小單元間距短，需要較短的時(shí)間恢復(fù)原狀。

教師：表述得非常準(zhǔn)確，這就是“輕繩的彈力可以突變，而輕彈簧的彈力不能發(fā)生突變”。其實(shí)質(zhì)就是各自恢復(fù)原長(zhǎng)的時(shí)間不一樣，兩者在拉伸之后都具有了彈性勢(shì)能，在剪斷上方細(xì)繩之后，兩者都要恢復(fù)原長(zhǎng)，即彈性勢(shì)能要減少，但能量的衰減需要一個(gè)過(guò)程，輕彈簧具有的能量衰減過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，不能發(fā)生突變;輕繩的能量衰減過(guò)程極短，幾乎“瞬間”完成，可以突變。

問(wèn)題2：在圖5中剪斷上方細(xì)繩瞬間，甲、乙兩圖m1、m2的加速度分別是多少？

教師引導(dǎo)學(xué)生把圖5甲圖中m1、m2視為輕彈簧的一部分，分居輕彈簧的上、下端點(diǎn)（圖6），并由上而下分析各微小單元的受力情況。

學(xué)生討論、交流并總結(jié)如下：

（1）甲圖中，剪斷上方細(xì)繩瞬間，m1所受合力為自身重力和下方全部微小單元及m2的重力之和，往下各微小單元的合力依次減小，加速度也依次減小;若忽略中間輕彈簧各微小單元的重力，則m1的加速度：a1=■g。m2上方的彈簧來(lái)不及形變，彈力不變，合力為零，加速度為零（a2=0）。

（2）乙圖中，剪斷上方繩瞬間，下方輕繩各微小單元在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原狀，彈力“突變”為零，所以m1、m2分別只受各自重力作用，加速度均為g。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：本環(huán)節(jié)是“輕繩與輕彈簧的彈力突變問(wèn)題”教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，在環(huán)節(jié)二已建構(gòu)出彈簧物理模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)變換情境，利用“微元法”引導(dǎo)學(xué)生思維進(jìn)階，理解“輕繩與輕彈簧的彈力突變問(wèn)題”的實(shí)質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生掌握解決物理問(wèn)題的關(guān)鍵能力;抓住知識(shí)形成的過(guò)程，有效發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，求真務(wù)實(shí)

教師：實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的靈魂，物理學(xué)發(fā)展歷史上很多定律或規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是先通過(guò)推理論證，再用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證?，F(xiàn)在，通過(guò)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)對(duì)之前的推理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

活動(dòng)：教師把課前根據(jù)圖5安裝好的實(shí)驗(yàn)器材交與學(xué)生1，為了突出現(xiàn)象、對(duì)比規(guī)律，制作時(shí)將甲、乙兩圖上方用同一細(xì)繩連接（圖7），待彈簧和細(xì)繩穩(wěn)定之后從上方細(xì)繩中間剪斷細(xì)繩;學(xué)生2用手機(jī)“慢動(dòng)作”功能同步拍攝上述過(guò)程，并將視頻同屏到學(xué)生電腦和教室大屏幕中，圖8為該視頻截圖（因過(guò)程較短，相鄰兩幅截圖時(shí)間不超過(guò)0.1 s）。

學(xué)生通過(guò)慢鏡（可拉動(dòng)視頻進(jìn)度條反復(fù)觀看）可清晰看到：剪斷細(xì)繩瞬間，右邊細(xì)繩拉住的兩個(gè)鉤碼自由下落;左邊彈簧上端鉤碼因加速度較大，加速運(yùn)動(dòng)明顯，彈簧下端鉤碼有短暫的滯留，在上端鉤碼下落一段距離之后才開始下落;視頻慢放反映出來(lái)的現(xiàn)象和環(huán)節(jié)三得出的規(guī)律完全吻合。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：學(xué)生經(jīng)歷前面3個(gè)環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)，通過(guò)問(wèn)題進(jìn)階促進(jìn)思維進(jìn)階，實(shí)現(xiàn)了“心理結(jié)構(gòu)”上的理論認(rèn)知，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使思維影響更加深刻，知識(shí)記憶更加長(zhǎng)久，思維結(jié)構(gòu)更加豐富。

環(huán)節(jié)五? 拓展應(yīng)用，內(nèi)化能力

應(yīng)用情境1：如圖9（a）所示，一質(zhì)量為m的物體系于長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2的輕彈簧和輕繩上，輕彈簧L1的另一端懸掛于天花板，與豎直方向成θ角，輕繩L2另一端水平系于豎直墻上，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)。求剪斷輕繩L2瞬間物體的加速度？

教學(xué)說(shuō)明：教師引導(dǎo)學(xué)生從輕彈簧模型特點(diǎn)出發(fā)，利用共點(diǎn)力平衡條件進(jìn)行分析，容易推導(dǎo)出剪斷輕繩L2瞬間物體的加速度（a=gtanθ）;在強(qiáng)化模型思維的同時(shí)，也對(duì)牛頓第二定律中的加速度與合外力的瞬時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系有了更深的認(rèn)識(shí)。

應(yīng)用情境2：若將圖9（a）中的輕彈簧換成長(zhǎng)度相同的輕繩，如圖9（b）所示，其他條件不變，則在剪斷輕繩L2的瞬間物體的加速度又為多少？

教學(xué)說(shuō)明：該情況下有部分學(xué)生誤以為在剪斷輕繩L2瞬間，輕繩L1彈力突變?yōu)榱悖玫轿矬w加速度為g，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物體在輕繩L2被剪斷后的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，即物體做曲線運(yùn)動(dòng)，由切線方向速度可以得到物體加速度（a=gtanθ）。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)、有效的拓展，能增強(qiáng)物理觀念，強(qiáng)化模型思想，培養(yǎng)應(yīng)用意識(shí)。圖9（b）的應(yīng)用能避免學(xué)生形成任何時(shí)候“輕繩彈力都突變?yōu)榱恪彼季S定式。

3? ? 總結(jié)與反思

應(yīng)用“情境—推理—驗(yàn)證”的探究模式，引導(dǎo)學(xué)生的思維進(jìn)階;通過(guò)模型建構(gòu)，強(qiáng)化物理觀念和科學(xué)思維;在深度學(xué)習(xí)過(guò)程中體悟和掌握解決物理問(wèn)題的基本思路與方法，并能靈活地將所學(xué)知識(shí)遷移運(yùn)用;通過(guò)具體實(shí)例，體驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一般過(guò)程，掌握演繹推理的初步能力。

課堂是落實(shí)核心素養(yǎng)的主陣地，教師是課堂的組織者和引導(dǎo)者，理應(yīng)以學(xué)生為主體，精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生在科學(xué)探究活動(dòng)過(guò)程中強(qiáng)化物理觀念、提升科學(xué)思維、升華科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，并使之內(nèi)化為必備品格和關(guān)鍵能力，切實(shí)踐行立德樹人的根本任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]劉銀奎.重視情境創(chuàng)設(shè)、培養(yǎng)核心素養(yǎng)——以“動(dòng)能與動(dòng)能定理”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)探討，2019，37（06）：14-18.

[3]汪慧琴，韓美娟.實(shí)驗(yàn)探究彈簧擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].物理教學(xué)，2019，41（08）：27-31.

[4]勵(lì)箭生.彈簧的彈力會(huì)突變嗎？[J].物理教師，2004，25（04）：30-31.（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）