基于核心素養的物理教學設計
——以“生活中的圓周運動”為例

(嘉興市第五高級中學 浙江 嘉興 314000)

1 問題的提出

1.1 當前物理教學的現狀

眾所周知，長期以來物理教學在“效率”和“競爭”的壓力下，課堂儼然變成了知識傳授和解題訓練的場所，嚴重弱化了物理學科應有的學科教學功能.主要表現在以下幾個方面：一是課堂教學知識點過于密集，學生處于被動接受的狀態，自主思維能力嚴重削弱；二是為了加快教學的進度，壓縮知識的形成過程，把結論當成知識，然后進行反復的訓練；三是課堂教學只是關注了學科知識和技能，忽略了知識背后的觀念、方法和價值觀的提升.顯然要改變這樣的狀態，就必須從“物理學科核心素養”的角度，理解物理學科的教育功能，追求有學科內涵、立意高遠的活力課堂[1].

1.2 物理核心素養的界定

所謂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[2].通俗地理解，物理核心素養就是德國物理學家、諾貝爾獎獲得者勞厄說過的那句話：教育給予人們的無非是當一切已學過的東西都忘記后所剩下的東西.從專業角度講，物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等4個方面的要素構成.

2 基于核心素養的課堂教學設計

2.1 從強化知識與情境關聯的角度來構建物理觀念

所謂物理觀念，即是從物理學視角形成的關于物質、運動、能量和相互作用的基本認識；是物理概念和規律在頭腦中的提煉和升華；是運用物理知識和方法解釋自然現象和解決實際問題的能力.本節通過強化知識與情境的關聯，提高學生把知識與情境進行聯系的自覺性，增強實踐意識.下面以火車轉彎的教學片段為例進行說明.

教學片段：火車轉彎

教師活動1：分發火車車輪與軌道的模具，同時利用PPT展示車輪與鐵軌的圖片，并提出以下問題:火車車輪有什么結構特點?根據結構特點，要使火車在水平面里轉彎，則圓周運動的平面是哪個？圓心在哪里？由什么力提供了向心力？并畫出受力分析示意圖.

學生活動1：通過觀察發現，車輪內側有突出的輪緣，軌道將兩車輪的輪緣卡在軌道里面，這種結構特點有助于固定火車運動的軌道；火車是在水平面里做圓周運動，所受的向心力是由外側軌道對火車的側向彈力提供.

教師活動2：假設一節車廂凈重為80 t左右，一般鐵軌的抗壓能力為3×104N，假設彎道半徑是300 m，則火車的轉彎速度最大為多少？

學生活動2：根據側向彈力提供向心力，可知轉彎的速度大概只有38 km/h.

教師活動3：然而我國動車的時速已經達到300 km/h，遠遠超過了剛才計算所得的最高時速，那應該怎么解決這個問題呢？關鍵因素在哪里？提示,是否可以從高速公路在轉彎處的傾斜路面得到啟示.

學生活動3：根據向心力公式，要提高火車車速有3種方法.方案一,增強鐵軌的抗擠壓能力；方案二,增大轉彎半徑；方案三,墊高外軌，使鐵軌向內傾斜一定角度.

教師活動4：方案一和二需要改變軌道的屬性和地理位置，這在實際情境中是有困難的，所以采用墊高外軌的方法，確實可以很好地解決這個問題，那么火車在傾斜的鐵軌上轉彎時，受到哪些力的作用呢？圓心在哪里？如何做出受力分析圖？

學生活動4：火車受到牽引力、重力、彈力和摩擦力的作用，其中彈力與重力的合力用來提供向心力，受力分析如圖1所示.

圖1 火車受力分析示意圖

教師活動5：確定了圓心位置就確定了合力的方向，在已知轉彎半徑和內外軌道高度差對應傾角的基礎上，表達出火車轉彎時規定的安全速度v0(此時，向心力恰好由重力和彈力的合力提供，輪緣與鐵軌之間無側向的擠壓力).

教師活動6：如果火車在轉彎處的速度不等于安全速度，那么輪緣與鐵軌之間的力會發生怎樣的情況？

學生活動6：當v>v0時，輪緣受到外軌向內的彈力；當v

教學反思：(1)因為我們的目的是希望通過情境與知識的關聯來構建物理觀念，所以就要讓學生對實際的情境有清晰的認識，但事實上很多同學沒有坐過火車，或者沒有仔細觀察過火車車輪與鐵軌的結構，因此準備了火車車輪與軌道的模具，幫助學生理解情景；(2)在對車廂進行受力分析時，很多教師僅僅分析了重力、支持力和鐵軌對火車的彈力，這只是在預設結果的前提下進行的分析，對于學生而言他們還關心車廂與車廂之間的牽引力，車輪與鐵軌之間的摩擦力.所以從實際情境和知識關聯的角度，教師并不應該避開這些問題，而是要對學生進行引導，哪些力對問題的解決有貢獻； (3)正確理解合外力與向心力之間的關系時，我們可以讓學生聯系生活中的供需關系，在明確火車做圓周運動時受力情況的基礎上，理解公式的內涵，從鐵軌能提供多大的力和火車轉彎需要多大的向心力的角度來理解，從而弄清楚供需關系，這為圓周、近心、離心運動的理解提供了思維上的準備；(4)在外軌比內軌高的情況下，學生對于火車轉彎的軌道平面是在水平平面內，還是在斜面平面內難以想象(圖2).

圖2 火車轉彎時的軌道平面示意圖

教師可以通過展示漏斗的模型，讓一個小球在漏斗里轉動(圖3)，觀察小球的運動，發現小球的運動平面在水平面上.

圖3 小球在漏斗中轉動模型示意圖

2.2 從運動過程模型建構的角度來鍛煉科學思維

所謂科學思維是從物理學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質.

關于模型構建，《課程標準》有5個層次的要求，其中第4個層次提出了“能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型”，從這個角度理解，火車轉彎的問題分析，其實就是一個建模的過程.事實上，水平面的圓周運動模型，還有很多變式，列舉如下.

變式1：(汽車轉彎)如圖4所示，汽車向左拐彎，左側的路面比右側的路面低一些.汽車的運動可看作是做半徑為R的圓周運動.設內外路面高度差為h，路基的水平寬度為d，路面的寬度為L.已知重力加速度為g.要使車輪與路面之間的橫向摩擦力等于零，求汽車轉彎時的車速.

圖4 汽車轉彎示意圖

變式2：(花樣滑冰)如圖5所示，花樣滑冰表演時，女運動員被男運動員拉著離開冰面在空中做水平方向的勻速圓周運動.已知通過目測估計拉住女運動員的男運動員的手臂和水平冰面的夾角約為45°，重力加速度為g=10 m/s2，若已知女運動員的體重為35 kg，據此可估算該女運動員受到的拉力為多大？

圖5 花樣滑冰

變式3：(碗壁轉球)如圖6所示，一個豎直放置的圓錐筒可繞其中心OO′轉動，筒內壁粗糙，筒口半徑和高分別為R和H，筒內壁A點的高度為高的一半.內壁上有一質量為m的小物塊隨圓錐一起做勻速轉動，當轉動的角速度為多少時，小物塊不受摩擦力的作用.

圖6 碗壁轉球示意圖

變式4：(圓錐擺)如圖7所示，兩根細線上端固定在S點，下端各連一小鐵球，讓小鐵球在水平面內做勻速圓周運動，此裝置構成圓錐擺，如果改變兩小球的角速度，使兩者恰好在同一水平面內做勻速圓周運動，判斷兩球的角速度大小.

圖7 圓錐擺示意圖

變式5：(錐面擺)光滑圓錐體固定在水平面上，頂角為θ，一條長為L的輕繩一端固定在錐頂點，另一端固定質量為m的小球，以速度v繞圓錐體軸線在水平面內做勻速圓周運動，當v為多大時，小球對錐面的壓力始終為零？

變式6：(空軌列車)如圖8所示，空軌列車是單軌式單軌道交通系統，軌道在電車上方.空軌機車具有不占用地面空間、有效緩解交通壓力等優勢，造價約為地鐵的五分之一，是一種環保低碳零污染的出行方式.每節車廂限載13 t，最高通過時速50 km/h，側向通過速度15 km/h，曲線半徑50 m.估算轉彎時懸掛臂的拉力大小？

圖8 空軌列車

教學反思：(1)在變式展示時，可以考慮將1，2，3這3個問題同時呈現，通過臨界條件分析和矢量關系圖可知：重力與支持力的合力提供了向心力，進而由幾何關系得到

圖9 變式訓練分析示意圖

2.3 從創造真實實驗情境的角度來培養科學探究

所謂科學探究是指具有科學探究的意識，能在真實情境中提出物理問題，形成猜測和假設，利用科學方法獲取信息和處理信息，形成結論，以及對探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.

科學探究的表現之一即為：具有分析論證的能力，會使用不同方法和手段分析、處理信息，描述、解釋探究結果和變化趨勢.本節的課堂教學中以下面幾個實驗為例來說明這一點.

實驗1：展示凹凸橋演示器，如圖10所示，首先把小球放在最高點，記下這時鋼球的重力，然后接通電磁鐵電源，把鋼球放在電磁鐵處，使其被電磁鐵吸著，斷開電磁鐵電源，觀察鋼球的運動和對應臺秤指針的情況，把觀察到的數據變化和理論計算互相驗證.

圖10 凹凸橋演示器

實驗2：在研究火車轉彎時，展示漏斗的模型，觀察小球在漏斗內的運動軌跡，分析小球在漏斗剖面上的受力分析，從而確定了火車轉彎時的圓心.

實驗3：離心機沉淀器的應用，如圖11所示，首先簡單介紹離心機的工作原理，然后用CuCl2和NaOH，反應生成藍色沉淀物Cu(OH)2，并用水稀釋，攪拌后分別裝入2個試管，一個傾斜放入離心機，一個靜置.實驗結論發現，離心沉淀比重力要快.同時還可以介紹宇航員利用離心機進行的超重訓練.

教學反思：實驗探究的目的是要讓學生經歷與科學工作者相似的探究過程，從而領悟科學探究方法，發展實驗探究技能，能夠提出問題，形成假設，并通過科學方法檢驗求證，得出結論，體驗探究的樂趣，養成勇于創新的科學精神.在探究中要防止“假探究”和“放任自流”兩種極端傾向.正確處理“指導”和“自主”的關系，不要出現原本課堂上五分鐘就能講清楚的內容，變成讓學生去“探究”，可能會花到五天的時間，甚至采用“小組探究”，全組探究了五天，結果差的學生什么也沒探究出來，好的學生浪費了大量的寶貴時間.

圖11 離心機沉淀器

2.4 從理論與實際相結合的角度來彰顯科學態度與責任

所謂科學態度與責任是指在認識科學本質，理解科學·技術·社會·環境(STSE)的關系基礎上形成對科學和技術應有的正確態度以及責任心.

在本節內容的教學中，其主要表現在能主動與他人合作，實事求是，不迷信權威，能基于證據和推理發表自己的見解，熱愛生活、珍惜生命.這些都滲透在下面的教學片段之中.

教學片段2：在完成課堂分組實驗的時候，需要同學們之間的相互合作，可以培養學生相互合作，通過溝通解決問題的能力.

教學片段3：在討論離心現象時，教師列舉了大量生活中的離心現象，有的是利用了離心現象，有的是為了防止離心現象.這就辯證地告訴我們，凡事都有兩面性，雖然物理規律是客觀存在的，但如何運用物理規律為我們的生產生活帶來幫助，而不是破壞，這才是根本重要的問題.

教學反思：“生活中的圓周運動”顧名思義就是要與生活融通，所以在教學設計中，要確定以人為中心的意識，例如在分析汽車轉彎時，就要注重珍惜生命的教育.在教學方法上要強調學生的感悟、體驗和實踐.在教學過程中，不能“為知識而知識”，也不能機械性地植入所謂的情感教育和愛國主義教育，而是應該將知識作為育人的載體，充分挖掘知識建構過程中蘊含的情感因素和內在價值，通過相應的活動培養學生強烈的愛國情懷，積極的人生態度，實事求是的科學精神.

3 結束語

基于物理核心素養的教學設計，要求我們將物理課程的教育目標定位在學生終身發展的行為習慣和關鍵能力的養成，改革教學的方法和過程，關注學生個體知識的構建和應用[3].整個教學設計從火車脫軌的事故情境中引入，基于真實的場景，設計多種駕駛火車的安全措施.通過汽車過凹凸橋和離心現象的分析，引導學生通過對生活及各種現象的判斷質疑，辨析，培養自身的科學思維，在自主探究的過程中養成嚴謹、實事求是的科學態度.同時整個設計以生活中的圓周運動為明線，以安全行駛為暗線，滲透尊重自然、尊重生命的科學責任感.使物理課堂真正成為培育學生核心素養的良好平臺，為學生的終身發展打下堅實的基礎！