基于物理核心素養導向小專題課堂教學設計*
——以“物體的動態平衡”為例

柯尊淦

(佛山市第一中學 廣東 佛山 528000 )

1 內容及內容分析

本節課為學生學完“共點力平衡”的一節關于力的合成與分解的規律應用課，課本內沒有單獨開設這一節內容，但基于物體的動態平衡問題在日常生活中較為普遍，而且其中蘊含著非常豐富的物理思想，如建模思維、數形結合思維、尋找不變量思維、將動態轉化為靜態的思維，此類問題需要學生在事物的動態變化中，洞察，分析，抽象概括，邏輯推理，進而解決問題，對培養學生的科學思維和形成物理觀念，提升學生的物理核心素養是一個很好的訓練載體，故一般在授課時，將其作為單獨一節課來講授．

2 目標和目標解析

2.1 物理觀念

通過觀察吊環體育運動和生活現象，總結、提出并掌握力的動態平衡的概念及平衡條件．

歸納總結動態平衡的特點．

2.2 科學思維

(1)深化對物體的動態平衡的認識，初步掌握數形結合、動態平衡轉化為靜態平衡的思想與方法.

(2)通過變式教學、一題多變、改變題設條件，培養學生應變能力和發散思維能力．

(3)通過整合題型和資源，對相似題型進行歸類，引導學生對比辨析，提高深度學習的能力．

2.3 科學探究

引導學生經歷解決實際問題的全過程，經歷觀察現象—實驗體驗—模型構建—理論分析—理論預測—實驗檢驗的科學研究論證的過程，提高學生解決實際問題的能力．

2.4 科學責任與態度

(1)培養準確畫圖(情境圖、受力圖)的技能，體驗將實際問題轉化為物體問題的建模過程(畫圖建立物理情境、建立數學模型)培養學生規范、嚴謹細致的習慣.

(2)增強來源生活、最終能夠解釋生活現象的應用意識，提升研究問題、論證問題的科研意識．

3 教學問題診斷分析

物體的平衡問題是力學體系的基礎和核心知識，平衡問題是力學中常見的一種題型，解決平衡問題的基本思路是對物體進行受力分析，根據平衡條件F合=0來求解．而動態平衡問題是指通過控制某些物理量的變化，使物體的狀態發生緩慢變化，“緩慢”指物體的速度很小，可近似認為速度為零，所以物體在變化過程中處于平衡狀態，把物體的這種狀態稱為動態平衡狀態，其一般關鍵詞有緩慢移動、緩慢變化等．解決此類動態平衡問題有以下3種典型的常見方法．

第一類型：一個力大小方向均確定，一個力方向確定大小不確定，另一個力大小方向均不確定——動態三角形.

如果一個物體在3個力的作用下處于平衡狀態，可采用力的三角法則用動態三角形方法來確定其他力的變化規律.畫好受力分析圖后，將3個力按順序首尾相接形成力的閉合三角形，然后根據不同類型的不同作圖方法，作出相應的動態三角形，從動態三角形邊長變化規律看出力的變化規律．具體操作步驟如下：

(1)確定研究對象，對研究對象進行受力分析．

(2)保持重力大小方向不變，將其他兩個力向重力平移，使之構成閉合三角形．

(3)結合題意改變力的方向，重新繪制三角形，即可知曉兩力的變化情況．

第二類型：多個平衡力中一個力已知恒定，另外兩個力的大小或者方向不斷變化，但物體仍然平衡，這種情況一般用解析法處理動態平衡問題.

基本思路：選定研究對象，對其作受力分析，在圖示特殊位置引入參數(一般為角度，比如可以取參數θ)，按照靜態平衡得出力F的表達式，再根據動態變化情況確定參數θ的變化情況，以此打開解答此類問題的第一步．

解析法是解決共點力平衡問題的一般方法，一般應注意以下幾點：

(1)該方法不受研究對象、所受外力多少的限制.

(2)關于坐標軸的選取，原則上是任意的，就是說選擇不同的坐標軸并不影響運算的結果．但具體應用時又以解題方便的坐標系為最佳選擇，例如在靜力學問題中一般選含外力多的方向為一個坐標軸的方向，而在今后的動力學問題中一般選加速度或初速度方向為一個坐標軸的方向．解析法——畫好受力分析圖后，正交分解或者斜交分解列平衡方程，將待求力寫成三角函數形式，然后由角度變化分析判斷力的變化規律．

第三類型：一個力大小方向均確定，另外兩個力大小方向均不確定，但是3個力均與一個幾何三角形的三邊平行——相似三角形.

在共點力作用下的動態平衡問題中，對受一恒定外力和兩方向都變化的另兩外力作用而平衡的問題，由于題目中的變量較多，單純應用平衡條件列出解析方程，往往不易討論清楚，而此類題目一般在已知量中給出的邊長信息較多，在這種情況下，我們采用相似三角形法．

解題步驟：畫受力分析圖，構建初始力的三角形，然后觀察這個力的三角形，發現這個力的三角形與某個幾何三角形相似，可知兩個三角形對應邊長比邊長，三邊比值相等，再看幾何三角形邊長變化規律，即可得到力的大小變化規律．

4 教學支持條件分析

本節課需要DIS傳感器演示力的動態變化，佛山市第一中學實驗室有相應的演示器材和多媒體設備，為本節課提供了充足支持．

5 教學過程設計

5.1 教學流程設計

“物體的動態平衡”教學流程設計如圖1所示.

圖1 “物體的動態平衡”教學流程

5.2 教學過程設計

基于物理核心素養導向的“物體的動態平衡”一課教學過程設計如表1所示.

表1 “物體的動態平衡”教學過程

續表1.1

續表1.2

續表1.3

6 教學反思

本節課是筆者在佛山市第一中學上的一堂市級公開課的教學設計，一共由3部分構成，即必備知識整合、關鍵能力提升及課堂內容總結三個大的環節，本節課的教學設計主要通過以下策略來培育學生的核心素養．

(1)物理觀念來源于生活，形成于現象分析．本節課從剛剛在武漢舉行的軍運會中劉洋獲得冠軍的吊環項目入手，滲透了德智體美勞中“體”的發展，選材緊貼時代背景，弘揚主旋律，引導學生關注國家大事，同時引導學生關注身邊發生的物理現象，如起吊機、秋千、晾衣繩、單杠等讓學生感知物理來源于生活，為了解釋相關的現象，必須借助相關的物理觀念．

(2)“變式教學”完備學生認知結構，助力科學思維發展．課堂教學必須以發展學生的思維而教，本節課以“物體的動態平衡”為載體，以變式為手段，通過形異質同或形同質異的問題進行比較性拓展研究，比較其間的異同所在，有利于消除問題間的負遷移，強化正遷移，促進學生認知結構的清晰化，通過情景-變式1～7來進行相似性拓展，并結合圖像情境來設置問題，有利于提升物理知識塊的組織程度，促進知識板塊結構的穩定性，使學生從單一結構水平向多元結構水平，進而上升到拓展結構水平和抽象結構水平，完備學生認知結構．分析學生的認知結構與水平，并對相關教學內容進行加工、重組，形成一條符合學生學習規律的“認知序”，應在知識結構有序建立的基礎上，充分重視通過整合重構方法策略，形成一條符合學生發展的“方法序”，在此基礎上，經過遷移和變通進一步培養和提高學生的應用能力，形成一條符合學生發展規律的“思維序”，只有這三序合一，學生的學科素養才能夠真正地得到提高．

(3)科學探究促進問題解決．本節課通過現象分析、模型構建，通過問題驅動、討論交流、自主探究、合作學習等多種形式，讓科學探究始終貫穿整個教學過程；引導學生經歷解決實際問題的全過程，經歷觀察現象—實驗體驗—模型構建—理論分析—理論預測—實驗檢驗的科學研究論證的過程，提高學生解決實際問題的能力．

(4)課堂精簡總結引領學生科學情感態度與責任．本節課課題結束，引導學生思考本節課對學生的學習方式，學習方法有怎樣的啟發，引導學生提出，動態平衡處理方法是“化動為靜”，動態三角形和相似三角形方法是數形結合的典范，歸類整合，對比辨析是完善認知結構的一種重要方法.通過這些引導，讓學生站在更高的角度去思考學習和生活中的問題，對學生一生的發展將是非常有利的．