基于核心素養提升的教學設計

馬永建

【摘 要】本文以“萬有引力定律的應用”教學設計為例，闡述在物理教學中如何提升物理核心素養：實驗探究、科學思維、物理觀念、科學態度與責任。

【關鍵詞】教學設計；萬有引力定律的應用；物理核心素養

一、設計意圖

“萬有引力定律的應用”這節課的內容跟生活聯系不緊密，學起來難度比較大。本節所涉及的知識點又是生活中常見的圓周運動的規律，從課的類型上來講，這是一節理論應用課，通過啟發式教學，利用圓周運動，構建出衛星繞地飛行的模型，幫助學生形成正確的認識，培養科學的思維。

二、教學目標

1.知識與技能：能應用萬有引力定律解決行星繞恒星的運動及衛星繞行星的運動問題，會計算天體的質量、密度、重力加速度、運行速度等；對衛星的發射要求、運行狀態有一定的了解。

2.過程與方法：把身邊的圓周運動類比到天體間運動中去，熟練掌握萬有引力定律的應用。

3.情感態度與價值觀：通過萬有引力定律這一橋梁，建立正確的思維模式，提高學生對神秘太空的了解。

三、教學重難點

教學重點：1.理解環繞天體繞中心天體運動的向心力來源，環繞速度怎么得到；

2.怎樣求中心天體的質量。

教學難點：中心天體質量的得到。

四、教學過程

教師提問：回顧一下，行星繞太陽運動可以近似看成是圓周運動，所需的向心力是由什么力來充當？

學生回答：由萬有引力來提供向心力。

（一）人造衛星上天

1.人造衛星是怎樣上天的：

（1）提出問題：假如你站在的一棟高樓樓頂，把一個一塊錢硬幣水平拋出，思考：a.硬幣的水平方向位移跟什么有關，水平射程跟什么有關？b.如果硬幣投出去的速度超過某一個特定值后，硬幣還會落到地面嗎？

（2）學生分組討論，模擬探究，得出各自的答案。

（3）教師在學生不同答案的基礎上，利用平拋運動的知識，作圖分析，幫助學生往正確答案靠攏，得到衛星或者飛船上天的原理：速度越大，水平距離越遠，當速度超過某一臨界值時，就不會掉在地面上，而是作起了圓周運動。

（4）教師提問：這個臨界值的速度要怎么得到？

（5）回到書本，閱讀多級火箭構想。

2.第一宇宙速度（環繞速度）：

作圖解釋概念：近地衛星，在地球近地面繞地球作圓周運動，軌道半徑可以用地球的半徑替代。

（1）提出問題：近地衛星要滿足什么條件才會作圓周運動，而不會掉在地面上？

（2）學生分組討論，結合圓周運動知識，發表給自看法。

利用多媒體引導學生回顧前一章學過的“近心運動”“圓周運動”和“離心運動”，從而得出近地衛星不脫離軌道的原因mg=F■=F■，

即mg=■=m■。

（3）引導學生利用■=m■導出第一宇宙速度的計算式v=■。

（4）引導學生利用mg=m■導出第一宇宙速度的計算式v=■。

（5）通過計算得到，近地衛星的環繞速度為7.9km/h，這也就是第一宇宙速度。如果從發射角度看，這個速度也是最小的發射速度，前面提到的硬幣不落回地面的條件就是速度不小于這個速度。

3.第二、三宇宙速度：把這兩個速度稍微講一下，不深入研究：

4.例題分析：

假如有一個密度跟地球一樣的行星，它的半徑為16km，求該行星的第一宇宙速度。（已知地球半徑R=6400km，地球的第一宇宙速度為7.9km/s）

（二）中心天體質量的計算（強調是中心天體，而不是環繞天體）

1.測天體質量：

（問題1）：如何用月球測地球的質量？

月球繞地球一圈周期T是一個月左右，如果要利用這個周期求得地球的質量呢？

（學生回答）：設月球的質量為m，

由F■=F■可得：G■=m（■）■r

地球質量為M=■，所以只要再知道月球繞地球的半徑r就可以了。

老師總結：這是一種已知周期求中心天體質量的題型，從中也可以解釋為什么不能求到環繞天體質量的原因，也就是題目中的月球質量，解題的基本思路是：F■=F■。

1.1思維遷移，舉一反三

如果題干變成木星上空有一衛星，繞木星做圓周運動，如何求木星質量？

（學生回答）：衛星在木星上空繞木星運行，跟月球繞地球是一個道理。

（問題2）：如何測地球的密度？

（學生回答）：還需要先測火星本身的半徑R，

則ρ=■=■=■

（問題三）：有沒有更為簡便的方法呢？

教師引導：由上式可知，當R=r，故ρ=■，無須知道衛

星的軌道半徑和木星本身的半徑，只要知道環繞周期T就可以了。

2.預測未知天體：海王星的發現：

五、基于核心素養提升的教學設計

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科的品質。發展學生核心素養，不僅強調對知識的學習，更加注重對學生自身發展、合作參與、創新實踐等能力的培養。

核心素養是一個概念，在這個名詞還沒出現前，我們通常所說的提高學生的素質，關注到學生本身，培養適合未來世界的人才，這本身就跟時下流行的核心素養這個概念是大同小異的，走什么樣的教育之路來培養出社會需要的哪一類別的人才，但現在這個概念的提出就非常明確的指出，教師應該怎么做，做什么，在發展迅速的時代里，一個全面發展的人是各個行業都非常渴求的標桿人才，我們做的最理想的目標當然也是這一個。核心素養是從人、工具、社會三大方面提出的對受教育者進入社會所必須的品質方面的要求，但是這些整體的要求又必須通過學校教育中必要的課程及社會中的相關教育來實現。所以，物理課程中的核心素養要根據這些核心素養的要求及物理學科自身的特點來確定物理核心素養。

時下雖然提高了所有教師對核心素養的關注，但也突出了現在學生缺乏物理素養的一個窘境，怎樣讓學生在物理學習過程中提高科學思維、提高物理素養成了一個大家都關注的話題。

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生物理核心素養的關鍵成分，主要由“物理觀念”、“科學思維”“實驗探究”“科學態度與責任”等四個方面的要素構成。

（一）從物理概念到物理觀念

一個全面發展的人，他必須對學科所涉及的物理概念很清楚，對物理規律的本質聯系有科學的認識，有嚴謹的科學態度和驗證的方法，科學的東西，對過程和結果不容有一絲馬虎。本節課，在對萬有引力這個概念認識基礎上，通過環繞天體繞中心天體運動，讓萬有引力這一定律在學生腦海里進行提煉和升華，從物理的角度出發，找到天體運動過程中的內在規律和相互關系，從身邊的圓周運動這一經驗事實構建出天體運動的模擬圖景，這是嚴謹的科學思維內化的過程。

（二）從抽象模型引導學生思考

物理當中的很多模型、建構都是很抽象的，生活當中很少見到或者是幾乎見不到，那么，這個時候教師的引導作用就非常重要，引導的好可以直接幫助學生理解整個過程，形成正確的科學思維。

（三）科學的驗證，內化吸收要點

物理是一門自然學科，需要大量的論證過程來驗證相關的規律或定理。物理推導的過程有很多奇妙的思路，如極限法、微積分法、替代法等，體現了教學大綱中利用數學知識解決物理問題的要求。學生通過科學論證來檢驗教材內容，最終內化相關知識。在物理教學中，教師應著力提升學生的科學論證能力，充分采用小組合作的形式來培養其物理科學思維能力。在小組合作過程中，學生能夠通過交流來活躍思維，同時，教師要走下講臺參與到互動活動中，讓學生在問題的引領下不斷地橫向和縱向發散思維，從而培養他們思維的靈活性，提出解決問題的辦法并進行論證，最終提高其科學思維水平。

碰到疑問時要敢于提出為什么，課堂不是教師一言堂，要讓學生想，學生說，學生問，學生不敢問的時候，要站在學生的角度上提出可能會碰到的問題，不斷的有為什么，為什么這樣或者那樣，在學生參與的過程中，引導他們來驗證結論或者規律。像本節課中求天體質量的時候，為什么就不能求環繞天體的質量，只能是中心天體的質量？一步步引導，一步步得到，有層次，有松緊。

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