“共點力的平衡”教學(xué)設(shè)計

胡惠琪 劉健智 姚寒青

摘 要：為全面發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)，基于“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的金課標準，利用深度教學(xué)的“U型學(xué)習(xí)”理論，在進行教材分析和學(xué)情分析后，設(shè)定了“共點力的平衡”的教學(xué)目標、教學(xué)重難點及教學(xué)過程。主要創(chuàng)新點：①利用生活用品自制教具與實驗儀器，采用“幾何畫板”進行實驗數(shù)據(jù)處理，改進傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法;②改造教學(xué)內(nèi)容，突出物理規(guī)律的探究過程;③采用“遞進的探究式教學(xué)”，遵循從易到難、從現(xiàn)象到本質(zhì)的探究式教學(xué)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：共點力;平衡條件;實驗設(shè)計;幾何畫板;教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）3-0033-5

“共點力的平衡”是新人教版高中物理必修一“相互作用——力”單元中的一節(jié)課[1]，授課對象為高一學(xué)生，主要內(nèi)容為由二力平衡條件推導(dǎo)出多力平衡條件，即合力為零，再解決生活中有關(guān)平衡的問題。該節(jié)課是學(xué)生初步形成運動與相互作用觀念的重要一節(jié)，但僅憑教材中簡單的理論推導(dǎo)，學(xué)生無法形成深刻的物理觀念，更不能解決實際平衡問題。實驗教學(xué)比理論教學(xué)更有利于學(xué)生主動建構(gòu)科學(xué)的知識體系，幫助學(xué)生得到科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[2]。為了全面發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，可在理論推導(dǎo)得出“多力平衡條件是合力為零”的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生設(shè)計實驗，驗證推導(dǎo)結(jié)論。此外，為了培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)素養(yǎng)，利用幾何畫板作力的圖示，并進行力的合成，有助于在減小實驗誤差的基礎(chǔ)上，極大地縮短數(shù)據(jù)處理的時間。本文基于“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”這一金課標準[3]，在進行教材、學(xué)情分析后，設(shè)定了本課的教學(xué)目標、教學(xué)重難點及教學(xué)過程。

1? ? 教材分析

1.1? ? 普通高中物理課程標準的要求

能用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題[4]。

1.2? ? 本內(nèi)容在物理知識體系中的地位

本節(jié)是物理規(guī)律應(yīng)用課，即探究物體在共點力作用下保持平衡狀態(tài)的條件，并在利用共點力平衡的條件解決問題時，綜合應(yīng)用三種性質(zhì)力、牛頓第三定律、力的合成和分解等知識。本節(jié)內(nèi)容首次將力學(xué)問題與運動學(xué)問題聯(lián)系起來，讓學(xué)生初步形成“運動與相互作用”的物理觀念，是學(xué)習(xí)下一章“運動和力的關(guān)系”的重要基礎(chǔ)，因此具有承前啟后的作用。

1.3? ? 教材內(nèi)容與體系安排

教材首先從合力的角度推導(dǎo)出二力平衡的條件;然后，通過問題拓展到物體受多個共點力作用的情況;再啟發(fā)學(xué)生利用力的合成將多力平衡的問題轉(zhuǎn)化為二力平衡問題，從而推導(dǎo)出結(jié)論，即在共點力作用下，物體平衡的條件是合力為零;最后，通過兩道例題，展示如何運用共點力平衡的條件解決問題，其中涉及到合成法、分解法與正交分解法。學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，不僅能幫助學(xué)生應(yīng)用已學(xué)的物理規(guī)律，而且能加強學(xué)生“運動與相互作用”的物理觀念，為“運動和力的關(guān)系”一章的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2? ? 學(xué)情分析

2.1? ? 認知層面

學(xué)生已經(jīng)對運動和力有一定的認識，生活中也有相關(guān)的經(jīng)驗及體會，并且具備一些對解決生產(chǎn)生活中問題的認知，但仍需要熟悉強化。

2.2? ? 知識層面

掌握了二力平衡的條件、三種性質(zhì)力、力的合成與分解、牛頓第三定律等基本力學(xué)知識。

2.3? ? 能力層面

學(xué)生已經(jīng)具備了一定的觀察分析、類比推理、模型構(gòu)建以及實驗設(shè)計等能力，有自己的一套科學(xué)探究的思路，但仍需要在實踐中加強。

3? ? 教學(xué)目標

3.1? ? 物理觀念

通過下列知識目標的實現(xiàn)，初步形成運動與相互作用觀念：

（1）學(xué)生建立共點力及平衡的概念，知道共點力作用下物體的平衡狀態(tài)。

（2）學(xué)生掌握共點力作用下物體平衡的條件，并能用此分析生產(chǎn)生活中的實際問題。

（3）學(xué)生通過具體的平衡現(xiàn)象，滲透運動及相互作用觀念。

3.2? ? 科學(xué)思維

（1）學(xué)生通過探究多力平衡的條件，得到等效替代、類比推理等科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

（2）學(xué)生通過解釋生產(chǎn)生活中的平衡現(xiàn)象，得到構(gòu)建物理模型的科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

3.3? ? 科學(xué)探究

（1）學(xué)生設(shè)計探究三力平衡條件的實驗方案，得到方案設(shè)計、動手操作等能力的培養(yǎng)。

（2）學(xué)生能解釋生產(chǎn)生活實際中的平衡現(xiàn)象，得到解釋交流等能力的培養(yǎng)。

3.4? ? 科學(xué)態(tài)度與責任

（1）學(xué)生通過小組間相互交流討論解決問題，得到小組合作探究的意識以及團隊精神的培養(yǎng)。

（2）學(xué)生通過生活中奇妙的平衡現(xiàn)象，體會物理源于生活，并用于生活，提升探索興趣。

（3）學(xué)生通過實驗探究靜止和勻速直線運動狀態(tài)下共點力平衡的條件，體會嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度。

4? ? 教學(xué)重難點

（1）教學(xué)重點：探究物體在共點力作用下保持平衡的條件，并用此條件解決實際問題。

（2）教學(xué)難點：設(shè)計實驗方案，探究物體在三個共點力作用下平衡的條件。

5? ? 教法與學(xué)法

（1）教法：講授法、演示法、實驗法。

（2）學(xué)法：觀察法、討論法、自主學(xué)習(xí)法。

6? ? 教學(xué)流程（圖1）

7? ? 教學(xué)過程（表1）

8? ? 板書設(shè)計（圖17）

9? ? 教學(xué)創(chuàng)新點

本教學(xué)設(shè)計緊密圍繞“培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力”這一教學(xué)目標，發(fā)展全體學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，在教具、教學(xué)內(nèi)容、教法三方面進行了創(chuàng)新，具體說明如下：

9.1? ? 教具創(chuàng)新——做促進學(xué)生理解知識的教具

（1）利用生活中常見的物品，設(shè)計一個趣味演示實驗，通過學(xué)生對傾斜拉著水杯的繩子為何會先斷的猜想，引出探究主題——共點力平衡的條件，并利用探究結(jié)論解釋演示實驗中的現(xiàn)象，做到首尾呼應(yīng)，使學(xué)生對新知識印象更深刻。

（2）本節(jié)教材沒有實驗，且僅在理論層面上從二力平衡的條件直接推導(dǎo)出多力平衡的條件，知識跨度較大，學(xué)生不易理解。因此，該教學(xué)設(shè)計從三力平衡開始進行實驗探究，讓學(xué)生利用自制的簡易道具設(shè)計探究方案，得出三力平衡的條件，再進行知識和方法的遷移，得出多力平衡的條件。再者，由于傳統(tǒng)的力的合成實驗存在較大的作圖誤差，為了優(yōu)化實驗，該教學(xué)設(shè)計利用信息技術(shù)手段，將實驗畫面拍照上傳到幾何畫板來作力的圖示并進行力的合成，較好地減小了實驗誤差。

（3）由于學(xué)生不了解處于勻速直線運動狀態(tài)的物體的受力情況，因此，該教學(xué)設(shè)計中還展示了一個實驗視頻，用以說明物體在勻速直線運動狀態(tài)下的受力情況與靜止時一致，從而完整地證明了處于平衡狀態(tài)（靜止或勻速直線運動狀態(tài)）的物體合力為零，在提高學(xué)生科學(xué)探究能力的同時，培養(yǎng)其嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度。

9.2? ? 內(nèi)容改造——做重點突出的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

本節(jié)課屬于物理規(guī)律應(yīng)用課，需要學(xué)生學(xué)會應(yīng)用基礎(chǔ)的力學(xué)、運動學(xué)等知識，得出共點力平衡的條件，并用此解釋與平衡有關(guān)的現(xiàn)象。但是，應(yīng)用的前提是牢固的理論基礎(chǔ)，而許多關(guān)于本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計，多為習(xí)題課，在學(xué)生知識基礎(chǔ)不牢的情況下，急于讓學(xué)生應(yīng)用知識，效果欠佳。因此，本節(jié)課的重點在于從理論和實驗兩個層面，探究出共點力平衡的條件，再解決與平衡有關(guān)的問題。

9.3? ? 教法創(chuàng)新——做教會探究新知的物理課堂

本教學(xué)設(shè)計采用“遞進的探究式教學(xué)”，遵循從易到難、從現(xiàn)象到本質(zhì)的探究式教學(xué)規(guī)律，讓學(xué)生逐步進行知識層面和方法層面的遷移，最后順利歸納出共點力平衡的條件。這種教學(xué)方法符合“深度教學(xué)”所推崇的“U型學(xué)習(xí)”理論[5]，讓學(xué)生在真實的生活情境中，將書本知識還原為“經(jīng)驗”，建立起書本知識與個人經(jīng)驗的聯(lián)系，再通過探究過程進行知識的自我加工，形成深刻的理解，從而得到物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，讓學(xué)生感受到探索新知、創(chuàng)新創(chuàng)造的魅力。

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019： 76-79.

[2]熊宏齊.虛擬仿真實驗教學(xué)助推理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新[J].實驗技術(shù)與管理，2020， 37（05）： 1-4，16.

[3]李孟軍，楊克巍，趙青松，等.本科教育課程質(zhì)量建設(shè)的新視角——“金課”的開放性要求及閉環(huán)運行機制[J].高等教育研究學(xué)報，2019，42（03）：18-21.

[4]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）[S].北京：人民教育出版社，2020：12.

[5]郭元祥.論深度教學(xué)：源起、基礎(chǔ)與理念[J].教育研究與實驗，2017，36（03）：1-11.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）