基于核心素養提升的教學設計

唐珊珊?李衛東

摘 要：新課標倡導教學以培養學生的核心素養為目標，筆者基于物理學科核心素養，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個維度出發，設計了“力的合成”教學方案，對人教版教材順序做出調整，補充了“力的合成定則的計算法——余弦定理”。并在此基礎上，著重討論了在教學中如何培養學生科學思維、發展學生物理思維品質，從而全面提升學生的科學素養。

關鍵詞：核心素養;教學設計;教材編排

一、設計意圖

“力的合成”是人教版高中物理必修1第三章第四節的內容。本節課前，學生學習了速度、加速度、位移等矢量，又學習了常見的三種力，即重力、彈力、摩擦力，“力的合成”是學生第一次接觸矢量合成，這對高一學生有一定的挑戰性。如何使學生在共線力合成的基礎上理解存在夾角的兩個力的合成法則是本節課需要解決的難題。

二、教學目標

知識目標：理解合力、分力、共點力的概念，掌握并能熟練應用平行四邊形法則。

能力目標：自主進行實驗探究，能夠利用力的圖示表示出實驗結果，能夠利用多組實驗總結得出力的合成所遵循的運算法則。

態度目標：通過實驗探究培養學生實事求是的科學態度，激發學生學習興趣，以生活實例培養學生從生活中發現物理問題、解決物理問題的能力。

三、教學重難點

教學重點：理解合力、分力的概念，掌握平行四邊形法則。

教學難點：平行四邊形法則的理解。

四、教學過程

本節課包括兩個內容， 人教版教材編排順序先是“力的合成”，再是“共點力”，但實際上只有作用在同一個物體上的幾個力才能合成，也就是說“力的合成”是以“共點力”為基礎的。所以，在教學中，我們可以對教材內容順序進行調整，在講“力的合成”之前，先講“共點力”的概念，再以“等效替代”的思想為“力的合成”的切入點，引出“合力”“分力”的概念，由此展開本節課的內容。

1.創設情境，引入新課

【教師活動】創設情境：由生活經驗，一桶水一個人可以提，也可以兩個人一起抬，也就是說，兩個人對水桶的作用與一個人對桶的作用效果是相同的，一個力的作用效果可以用兩個力代替，這種等效替代的關系就是我們這節課要學的合力與分力的關系。其中，一個力就叫作這兩個力的合力，兩個力就叫作這一個力的分力。

【提出問題】兩個人合作提水比一個人更省力，反問學生，兩個人合作提水一定更省力嗎？

【學生活動】教師反問引起學生懷疑，有的學生可能會反應過來不一定更省力，但大多數學生認為兩人合作抬水比一人提水更省力。

【教師活動】用彈簧測力計模擬這一情景，先用一個彈簧測力計提起重物，找一個學生讀出彈簧測力計的示數，再用兩個彈簧測力計提起重物（直接使得兩個測力計成較大夾角），分別讀出此時兩個彈簧測力計的示數。比較兩次提起重物時測力計的示數，發現兩個彈簧測力計提起重物時，示數均大于一個彈簧測力計提起重物的示數。說明：兩個人合作提水有可能比一個人提水更費力。（引發學生的認知沖突）

【教師活動】逐漸減小兩個彈簧測力計之間的夾角，觀察此時彈簧測力計的示數，并與前兩次做比較。

【學生活動】讀出此時兩個彈簧測力計的示數均小于前兩次提起重物時彈簧測力計的示數。說明：兩個人提水有可能比一個人提水更省力。

【教師總結】也就是說，合力的大小可能大于分力，也有可能小于分力，引出本節課的重難點，即探究合力與分力之間的關系。

2.自主實驗，探究規律

請學生以小組為單位，根據所提供的實驗器材設計實驗，進行實驗探究。

【實驗器材】木板一塊、彈簧秤兩個、細繩若干條、橡皮筋一條、鉤碼若干、白紙、鉛筆、直尺、量角器、磁鐵等。

【學生活動】設計實驗：

（1）在圖板上固定好一張白紙，將橡皮筋的一端固定在A處，過A畫一條標記線AB。

（2）用兩個測力計鉤住橡皮筋下端的線圈，對稱地把橡皮筋下端拉到O，標好O點位置（注意：橡皮筋要與標線重合），記下夾角θ和拉力 F1、F2的大小。

（3）改用一個彈簧測力計把橡皮筋下端同樣拉至O點，記下拉力F的大小。

（實驗過程兩個分力夾角的取值可從特殊（如120°、90°）到一般，取特殊角便于分析和得出合力與分力的關系，由特殊到一般也符合我們學習的規律。）

【教師活動】引導學生將實驗結果記錄在紙上，取其中三次實驗結果進行分析總結。分析如下：三次實驗結果，分別是菱形、矩形、平行四邊形，用力的圖示表示出合力與分力，觀察力的圖示，如圖1所示。

【學生活動】菱形和矩形都是特殊的平行四邊形。所以三次實驗結果表明：合力與分力可以分別用平行四邊形的一組鄰邊和對角線表示。

【教師活動】總結：通過以上實驗，合力與分力之間滿足平行四邊形定則，即兩個共點力的合力，可以用表示這兩個分力的線段為鄰邊構成的平行四邊形的對角線表示，這就叫作力的平行四邊形定則。

3.數物結合，定則量化

【教師活動】通過實驗得到了合力與分力之間遵循平行四邊形定則，分力夾角為特殊角（90°或120°）時，很容易計算出合力的大小，當兩個分力的夾角為任意值時，如何計算合力的大小？

由圖2易得F合=F12+F22=2F1F2Fcosθ，這其實就是數學上的余弦定理的形式c2=a2+b2+2abcosθ，也就是說，在已知二力大小及其夾角的情況下就可以求得合力的大小。

綜上，在已知兩個分力的情況下，由平行四邊形定則可以找到兩個分力的合力，通過余弦定理可以計算出合力的大小。

4.結合實際，應用規律

【教師活動】播放利用千斤頂抬起汽車的視頻，請學生觀察并分析千斤頂可以幫助人以省力的方式抬起重物的原因。

【學生活動】仔細觀察，作出千斤頂工作時的力的示意圖，表示合力與分力的關系，分析它省力的原因。

5.思維遷移，升華主題

力是矢量，“力的合成”是矢量求和的運算，通過上面的探究，我們已經得出力的合成遵循平行四邊形定則。相對于以前學習的標量求和的簡單運算，矢量的運算則需要考慮方向和夾角的問題。實際上，平行四邊形定則不僅適用于力的合成，它也是所有矢量合成的定則。本節內容的學習也為我們學習速度、加速度、位移等矢量以及運動的合成打下基礎。

五、基于核心素養的提升的教學設計

1.從核心概念到物理觀念

物理觀念是學生理解自然現象本質的基礎，是學生對物理概念和物理規律等在大腦的提煉和升華。在學習本節課之前，學生在初中時期學習過共線。力的合成，同向相加，反向相減。學生容易形成合力總是大于分力的前概念，所以在教學的引入環節用彈簧測力計模擬提水的生活情景，得出合力也有可能小于分力，使學生產生認知沖突，引發其學習探究的興趣。結合生活實例，引發認知沖突，幫助學生實現感性認識到理性認識的飛躍，形成正確的物理觀念。

2.從實驗探究到科學思維

在探究力的合成規律時，用彈簧測力計等實驗用具進行實驗是經典又簡單的探究方法，我們要注意的是，在用力的圖示記錄和表示每組實驗結果時，盡可能做到準確，因為對記錄結果的分析是得出規律的重要依據。實驗誤差較大有可能使實際結果偏離理論結果。另外，在分力夾角的取值上，除特殊角（120°、90°）外，鼓勵學生自由選擇夾角多進行幾組實驗。在分析記錄的實驗結果時，教師要引導學生從特殊角入手，觀察分力與合力的關系，初步得出合力的大小可用以分力為鄰邊形成的平行四邊形的對角線來表示，然后用非特殊角的幾次實驗的力的圖示去驗證，排除特殊角得出結果的偶然性，使結論具有普遍意義，歸納總結出平行四邊形定則。

教師在引導學生自主進行實驗和對實驗現象進行分析處理、歸納總結得出規律的過程中，可以鍛煉學生的實驗操作能力和對科學探究的過程和結果進行交流、反思的能力。

3.從科學態度與責任到回歸生活

核心素養下的物理教學注重培養學生認識并理解科學、技術、社會、環境存在的相互關系。將理論規律應用于分析千斤頂力學實質，實現從課本回歸到生活，拉近了物理與生活的距離，讓學生明白物理知識從課本中來，但最終還是要回到生活中去，培養學生觀察生活，關注科學技術的習慣。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]蔣天林.基于學生物理核心素養提升的教學實踐——以“行星的運動”一課為例[J].物理教師，2017（1）： 7-15.

作者簡介：唐珊珊（1993— ），女，陜西商洛人，碩士在讀，研究方向：課程與教學論（物理）;

李衛東（1957— ），男，陜西米脂人，教授，碩士研究生導師，研究方向：物理教育教學。