基于物理核心素養提升的“力的分解”教學設計①

(河南師范大學物理與材料科學學院,河南 新鄉 453007)

1 引言

高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程,旨在進一步提升學生物理學科核心素養。它是在初中物理課程的基礎上，幫助學生從物理學的視角去認識自然,理解自然,構建關于自然界的物理圖景;引導學生經歷科學探究過程,體會科學研究方法,養成科學思維習慣,增強創新意識和實踐能力;引領學生認識科學的本質以及科學·技術·社會·環境的關系,形成科學態度、科學世界觀和正確的價值觀,為做有社會責任感的公民奠定基礎。物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面，它集中體現了物理學科的育人價值，在教學設計和實施的過程中要明確和落實物理核心素養的培養目標。

2 教學設計

物理學科核心素養的落實,離不開每一節課的點滴積累。按照高中物理課程標準的理念和教學建議,教學設計不僅要關注學生知識的獲得,更要重視通過真實情境的創設和生活實際問題的解決,培養學生科學思維和科學探究能力,養成嚴謹認真的科學態度,進而達到提升學生物理學科核心素養的目標。而教學過程是一個學生、教師、教材和環境相互協同的過程,是學生在教師引導下掌握學習內容的同時對其認知系統從被組織向自組織轉變的過程。本節課的教學過程設計依據以教師為主導、以學生為主體的教學原則,在分析教學目標和學情的基礎上,選擇問題情境探究教學法,引導學生進行科學探究,促進教學目標的達成。

2.1 教學目標

物理觀念:學生掌握力的分解的概念、分力確定的原則；通過演示實驗，讓學生知道力的分解是力的合成的逆運算；通過“斜拉箱子”“盤山公路”“三角支架問題”等生活情境問題的分析,學生能夠定性理解并掌握按力的實際效果分解力的方法。

科學思維:學生通過“拉橡皮繩”演示實驗,熟悉合力和分力的共同作用效果是等效替代的關系；學生通過解決“斜拉箱子”“盤山公路”“三角支架”等問題，提高現象分析、抽象推理的思維能力。

科學探究:學生通過對具體問題的分析,提出合理猜想、設計實驗，對力的作用效果進行驗證,與同學進行交流、解釋,最終確定力的實際效果。

科學態度與責任:學生通過對實際生活情境問題的分析、解釋過程,養成嚴謹認真的科學態度。

2.2 學情分析

在“力的合成”一節學生已經知道力的合成遵循平行四邊形定則,有了“矢量”運算的基礎,知道“力的合成”是“合力與分力的作用效果等效”的前提,也了解了一些必要的數學知識。同時學生在初中已掌握二力平衡的基礎知識,知道做勻速直線運動、靜止的物體所受合力為零。

“力的分解”是“力的合成”的逆運算,是矢量運算法則的重要應用,要為后面學習“正交分解”作初步鋪墊,是以后學習“運動的分解”的基礎,也是高一學習中的一個難點。力的分解要按照作用效果來分解,可“效果”比較抽象,較難理解,需要學生親自體驗，通過實驗展示力的作用效果。

2.3 教學重難點

重點:在“力的合成”基礎上繼續滲透“等效替代”的物理思想;理解一個力有無數對分力,但是確定分力的方向后有唯一解;探究實際問題中如何根據實際作用效果確定分力的方向。

難點:根據力的實際作用效果確定分力的方向。

2.4 教學方法

根據本節的教學目標以及重難點,教師要重視通過實驗來突出重點、突破難點,重視情境創設提高學生解決實際問題的能力,因此本節采用問題情境探究教學法。教學過程按照呈現情境—提出問題—猜想—實驗—得出結論的探究模式而展開。教師精心地創設情境設疑激趣，做好實驗使力的實際作用效果直觀可感,啟發學生提出問題、猜想假設、觀察或體驗、分析力的實際作用效果。教師循循善誘,學生積極思考,師生合作探究,達成教學目標。

2.5 教學過程

2.5.1 創設問題情境

用細線系住一重物,留出兩個線端,老師問:“用一根線提與兩根線提相比,哪一種情況線更容易斷?”學生會毫不猶豫地回答:“用一根線提!”老師不動聲色地用一根線提起了重物,故意舉得高一些,學生的心也跟著懸起來,而接下來用兩根線穩穩的提起重物的時候,學生的心也放了下來,臉上露出輕松的表情,對于老師不斷增加兩根線之間的夾角這樣一個細節動作,學生毫無防備,突然間線斷了。教師可不失時機地提出如下問題:為什么用兩根線提反而斷了呢?一開始就斷了嗎?什么時候開始斷?為什么會斷?學了本節課同學們就知道答案了。

設計意圖:創設有趣的演示實驗,將學生帶入情境,引起學生的思維沖突,激發學生學習和探究物理的好奇心與求知欲。

2.5.2 講解力的分解定義及遵循的定則

演示實驗:如圖1所示，橡皮筋兩端固定,用力豎直向下拉系在橡皮筋上的懸繩,在該拉力的作用下左右兩段橡皮筋都發生了伸長,結點到達的位置為O。將兩橡皮筋伸長的方向及拉力畫出來并加以表示。如圖2所示，再用兩根細繩拉橡皮筋,拉橡皮筋的兩個力分別為F1、F2,使結點達同樣的位置O。

圖1

圖2

師:用兩個力拉橡皮筋和用一個力拉,效果相同嗎?

生:相同。

師:那么它們之間就是一種什么關系?誰是分力?誰是合力?

生:等效替代的關系,F1、F2是分力,F是合力。

師:上節課我們學了力的合成，今天我們學習力的分解,給它下一個定義，就是求一個已知力的分力的過程。

師:請同學們思考一下,力的分解和力的合成是什么關系?

生:力的分解是力的合成的逆運算。

師:力的合成遵循什么定則?

生:平行四邊形定則。

師:那力的分解應該遵循什么定則?為什么?

生:也應遵循平行四邊性定則,因為力的分解是力的合成的逆運算。

師:我們用平行四邊形的對角線表示一個已知力,那么誰是分力?

生:與力F共點的鄰邊是分力。

師:請同學們試一下,已知平行四邊形的對角線,看看能畫出多少個平行四邊形?如果兩鄰邊的方向確定,又能畫出多少個平行四邊形(教師強調用直尺、鉛筆規范做圖)?

生:如果確定了兩鄰邊的方向,只能畫一個平行四邊形,但是若沒有限制,可以畫無數個,一個力可以分解成無數對分力。分力方向一旦確定,也就確定了。

設計意圖：通過演示實驗,加深對“等效替代”思想的理解;通過師生的問答促進學生知識的遷移;通過強調規范作圖,培養學生嚴謹認真的科學態度。

2.5.3 講解分力的確定原則

情境一:用PPT展示大力士拉車、車夫拉黃包車、人拉行李箱的圖片(如圖3),教師引導學生提出問題:為什么他們不水平拉,要斜著拉?

圖3

圖4

學生猜想、討論,教師引導得出斜拉的時候摩擦力小,更容易拉動。

教師請同學們兩個人為一組,一個人站著,斜向上拉坐著的人,說出自己的感受——有一種被向上提和向前拉的感覺。

教師：這兩種感覺就是斜向上的拉力的實際作用效果,在實際問題中,確定分力的方向的原則就是按實際作用效果。

學生在教師的引導下構建“受斜向上拉力的物理模型”(如圖4),確定斜向上拉力的分力方向,畫出平行四邊形,由幾何關系得出兩分力F1、F2的大小,驗證之前的猜想。

設計意圖：從生活中的實際問題入手,培養學生能從物理學的視角觀察自然現象,讓學生具有將物理學與實際相聯系的意識;引導學生對常見的物理現象進行分析,獲得結論并作出解釋,促進新舊知識的整合;培養學生能將實際問題中的對象和過程轉化成物理模型;讓學生認識到物理學是對自然現象的描述與解釋,培養學生對物理的學習興趣;在解決問題的過程中,通過實驗讓學生親身感受力的作用效果,通過教師示范,強化學生認真嚴謹的學習態度與習慣。

情境二:用PPT展示盤山公路的圖片及引橋的照片,引導學生提出問題：為什么不修一條從山腳直達山頂的路?并引導學生從斜面上的物體的重力的分解方面進行猜想。

學生根據經驗似懂非懂,說不出所以然。

教師進行演示實驗：在斜面和擋板上分別放上海綿,然后把長方形重物放在斜面上(如圖5)。

圖5

圖6

學生觀察后發現了放重物前后海綿的形變狀態,突然明白了,自己主動構建,對重力進行分解,并求出分力的大小G1、G2,由數學知識,得出θ越小,G1越小(如圖6),也即坡度越小,下坡更安全,上坡更容易。

設計意圖：通過展示生活中司空見慣的事例和實驗演示,引導學生觀察、思考,初步形成了力的分解概念,并具有運用所學知識解釋生活現象的意識;基于情境一的學習,學生的思維已從被組織向自組織轉換,這時就要給學生運用思維自主構建、解決問題的機會。[2]

情境三：通過PPT展示塔吊吊重物的圖片，讓學生想辦法得出三角支架末端掛重物后重物重力的作用效果。

學生基于生活經驗猜想三角支架末端力的作用效果，并自主運用身邊的物品搭建三角支架(如圖7)，驗證猜想,觀察、感受力的作用效果，交流確定力的作用效果,確定分力的方向。

圖7

圖8

教師再進行實驗演示，如圖8所示，三角支架橫梁AC、BC分別固定在橡皮膜A、B兩點,在C處掛上重物后，可見橡皮膜A向外凸起(如圖9),橡皮膜B向里凹陷(如圖10)，再次確認三角支架的力的作用效果分別是沿橫梁AC向外和沿橫梁CB向里。

圖9

圖10

設計意圖：引導學生面對真實的情境,能夠運用合適的器材進行實驗,驗證猜想，解決問題;老師所做的演示實驗是對學生實驗的一個改進,意在培養學生的反思能力。

2.5.4 小結

教師引導學生歸納總結力的分解的步驟：確定研究對象;根據效果定分力方向;作平行四邊形;由幾何關系計算分力大小。

設計意圖：通過前邊三個實際案例的分析,學生對力的分解有了一定的了解,但還處于碎片化狀態,教師引導學生總結,有利于學生形成良好的學習習慣。

最后讓學生解釋引入實驗中繩子斷裂的原因,提高學生辨別是非的能力,培養其嚴謹認真、實事求是的科學態度。

2.5.5 布置作業

(1) 思考:在泥濘的路上,一輛汽車陷入了泥潭,你有什么方法能把汽車拉出泥潭?并用所學的物理知識分析解釋。

(2) 試用物理原理解釋成語“迎刃而解”,即為什么刀刃夾角越小,刀越鋒利?

(3) 查閱資料，解釋為什么趙州橋千年“屹立不倒”?

設計意圖：習題教學的作用,不僅僅是為了得到答案,而是要全面提高學生的問題解決能力。[1]貼近生活的作業,有利于學生對課堂知識的理解,引導學生關注生活,促進其用所學知識分析、解決問題的意識。作業的完成需要學生查閱資料,能夠培養學生收集、處理信息的能力。

3 設計反思

落實物理學科核心素養的培養目標,需要在教學設計和教學實施中重視情境創設和開展科學探究活動。同時,值得注意的是創設情境不僅是為了呈現研究對象,而是為了激發學生問題意識，進而提出問題，進行科學探究。

3.1 重視情境的創設

物理概念的建立、物理規律的探究、生活問題的解決需處在情境之中,創設情境就是為學生增加物理感覺。在本節教學中，學生對等效思想的理解、情境的抽象、科學猜想、實驗驗證均是在情境中進行的。核心素養的落實離不開生活中實際問題的解決,實際問題又都處于情境之中。

3.2 加強演示實驗,增加感知量

物理感知量不僅來源于生活情境,還來源于實驗。為了讓學生對力的作用效果有感知,這節課教學設計多次采用演示實驗,使現象變得直觀,降低了學習的難度。引入環節的“繩拉重物”實驗不僅真實,而且有驚、有疑,不僅能讓學生快速進入學習狀態,而且能夠轉變學生的觀念。

3.3 滲透科學探究，使教學過程由“靜”變“動”

為實現學生的認知從被組織向自組織轉變，需要教師從單純傳授向師生共同探究轉變。在本節課中,教學前期學生對力的分解法則的認識還處于模糊狀態,學生學習力的分解法則需要教師指導。教師的引導示范使學生的學習由被動接受變為主動探究,調動了學生學習積極性,教學過程由“靜”變為“動”。在“力的分解”的教學設計中,注重生活問題情境的創設,注意讓學生通過探究過程建構知識,有利于培養學生的問題解決能力。“斜拉力的分解”“斜面上重力的分解”“三腳架上重物所受重力的分解”等問題的解決滲透著問題、猜想、實驗驗證、解釋交流等科學探究要素,有利于提高學生科學探究能力，對學生完成課后作業、解決生活中的問題打下基礎。