基于情景載體的教學設計研究*——以省級賽課“共點力的平衡”教學為例

陳中海 唐 杰 王紹剛

(重慶市九龍區教師進修學院 重慶 400050)

周 穎

(重慶市楊家坪中學 重慶 400050)

教育部考試中心于2019年11月發布了《中國高考評價體系》以及《中國高考評價體系說明》，該評價體系簡稱為“一核四層四翼”，其中“一核”為考查目的，即“立德樹人、服務選材、引導教學”;“四層”為考查內容，即“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”;“四翼”為考查要求，即“基礎性、綜合性、應用性、創新性”.而情境是實現“四層”“四翼”考查要求的載體，對考查和培養學生的物理學科素養具有關鍵作用.[1]體系中的“情境”是指運用文字、數據、圖表等形式，圍繞一定主題加以設置的，為呈現解題信息、設計問題任務、達成測評目標而提供的載體.是為激發學生的認知建構與素養表現搭建的平臺，影響學生分析與解決問題的策略與表現.[2]結合物理學科考查實際，基于知識應用和產生方式的不同可將“情景”分為生活實踐問題情景和學習探索問題情景兩類，是考查和培養學生物理學科素養的重要載體.

基于此，為全面有效地反應學生的物理學科核心素養水平，以“情景”為載體培養學生的必備知識和關鍵能力在日常教學中是比較有效的教學途徑.本文以新人教版物理必修第一冊第三章第5節“共點力的平衡”新課教學為例，針對新課標、新人教版教材的要求，從“教學目標”“新課引入”“教學重點”“教學難點”和“科學態度與責任”等方面以“情景”為載體創新教學設計.

1 基于情景載體 制定教學目標

《普通高中物理課程標準(2017年版)》要求，將力的合成和分解從“理解”調整為“了解”，“用力的合成和分解分析生活問題”調整為“用共點力的平衡條件分析生產生活問題”，降低了力的合成與分解的要求，而共點力平衡成為了核心知識.結合核心素養及 “一核四層四翼”的考查要求制定了“共點力的平衡”的教學目標，如表1所示.

表1 共點力的平衡教學目標

續表1

2 基于生活實踐情境 引入新課教學

設計意圖：通過設置懸念情境，激發學生的課堂求知欲.如圖1所示，為響應國家“五育”并舉，健康第一的教育理念，在物理課堂教學中滲透體育，創設生活中常見的引體向上情景，激發學生的學習興趣，通過設疑，使學生產生疑惑和好奇，為共點力的平衡教學作鋪墊.

圖1 學生挑戰不同難度的引體向上

師：大家請看，這是體育課上用來做引體向上的單杠設備.我們班哪個學生是玩這個的高手，來給大家演示一下.

師：老師這兒有3個等級挑戰，你可以選擇.紅色：難度系數5顆星，黃色：4顆星，藍色：3顆星(5星級兩手間夾角最大).

師：既然是高手，那就從5星級開始挑戰(第一次挑戰失敗).第二次，你想挑戰哪個星級？

生：第二次挑戰3顆星(按照規定輕松完成動作).

師：現在，老師要采訪一下這位同學，你在挑戰不同星級的時候，有什么感受？

生：5星級最難，3星級最輕松.

師：5星級最難，這是為什么呢？帶著這個疑問進入我們今天的學習——共點力的平衡. (板書)

3 基于生活實踐情境組織新課教學

3.1 展示生活情境 建構共點力平衡概念

設計意圖：如圖2所示，展示學生熟悉的重慶地標、網紅景點，引導學生對圖片中的物體進行受力分析，建構平衡的概念、共點力的概念，強化物理觀念.

圖2 重慶的網紅景點

師：重慶是一個網紅城市(展示重慶網紅景點如圖2所示)，作為物理老師，我發現了很多平衡之美，這些物體都是處于靜止或者勻速直線運動狀態，這是我們學過的什么狀態呢？

生：平衡狀態.

師：處于平衡狀態的這些物體，對其進行受力分析.當老師把力的作用線延長，這些力有什么特點呢？

生：(a)、(b)、(c)的力或力的作用線能交于一點，(d)、(e)、(f)的不能交于一點.

師：很好，我們把能交于一點或作用線能交于一點的力叫做共點力.

師：而這些不能交于一點的則為非共點力，今天我們要探究的重點是共點力的平衡，那物體在共點力作用下平衡的條件是什么呢？ (提出問題)

3.2 探索問題情境 突破共點力平衡條件教學難點

設計意圖：科學思維能力和歸納演繹能力是重要的教學目標，雖然本節教材中沒有共點力平衡的實驗安排，但在教學過程中創設實驗，以“力的合成”為基礎，利用等效替代的思想將復雜的3力、4力、5力平衡轉化為符合學生認知的2力平衡，再用歸納演繹的思想推廣到N個共點力平衡滿足的條件為F合=0.同時采用SCL(Students Center Learning，教育面向全體學生)的方式組織教學，讓每一位學生自主參與學習.

3.2.1 任務1：設計實驗方案

如圖3(a)和(b)所示，根據提供的實驗器材(木板、圖釘、彈簧測力計、橡皮擦、直尺、系有繩套的輕質小圓盤、等距同心圓坐標紙)設計實驗方案.

圖3 共點力平衡實驗

問題：(1)怎樣證明物體受3力平衡合力為零？受4力平衡合力為零？

(2)實驗中我們需要記錄哪些物理量？

(3)實驗中我們怎樣直觀描繪出這些物理量？

實驗方案：利用自制的實驗器材進行分組實驗.將系有繩套的輕質小圓盤與等距同心圓坐標紙最小直徑圓重合(小圓盤與等距同心圓坐標紙的最小圓直徑相同，目的是確保拉力的反向延長線能交于坐標紙的圓心，即圓心為共點力的作用點，便于作圖)，用3個、4個或5個彈簧測力計互成任意角度拉細繩套，記下每個測力計的示數及方向，如圖3(c)所示.

3.2.2 任務2：分組探究3個、4個、5個共點力平衡的條件

分組實驗1：兩組同學利用自制實驗器材探究3力平衡的條件.

分組實驗2：兩組同學利用自制實驗器材探究4力平衡的條件.

分組實驗3：兩組同學利用自制實驗器材探究5力平衡的條件.

師：這是老師拍攝的一組同學的實驗結果(西沃授課助手拍照同步投屏)，如圖4所示.請小組代表說一下，根據實驗結果，怎樣驗證3力平衡合力為零呢？

圖4 三力平衡探究結果

生：先把F1和F2合成，看和力是否與F3等大、反向.(學生分享實驗結果)

師：你們的結論是？

生：3力平衡合力為零.

師：再來看一下4個共點力作用探究的結果，如圖5所示.根據實驗結果，怎樣驗證4力平衡合力為零？

圖5 4力平衡探究結果

生：把F1和F2合成，F3和F4合成，看兩個合力是否等大、反向.(學生分享實驗結果)

師：漂亮，掌聲屬于他們.通過探究，3力或4力平衡的條件是F合=0(板書).

3.2.3 任務3： 歸納演繹，合理外推N個共點力平衡條件

師：那N個共點力平衡，物體的合力還為零嗎？

師：牛頓曾說：沒有大膽的猜測，就不會有偉大的發現.伽利略利用沖淡重力的方法，加以合理外推來研究自由落體運動規律.

師：我們也可以通過猜想，加以合理外推，N個共點力的平衡合力是？(滲透科學思維的培養)

生：合力仍為零.

師：是這樣嗎？我們再來看一下這組5個力探究的結果，如圖6所示.(體現科學探究的邏輯嚴密性，再用五個力實驗結果驗證猜想)

圖6 5力平衡探究結果

師：漂亮，掌聲屬于他們.因此，通過探究，加以外推，共點力平衡的條件是：合力為零.(板書)

3.2.4 任務4：基于情景，抽象出物理模型

【學以致用，模型建構】在做引體向上時，為什么5星級的難度最大呢？(若已知：人兩手間的夾角為θ，人的重力為G，求：兩手拉力F的大小)

設計意圖：模型建構是一種重要的思維方式，教學過程中讓學生體會引體向上并非是平衡態，忽略過程中空氣阻力等次要因素的影響，抓住某個瞬間可以構建共點力平衡模型的思維方法，并用數學推導和平行四邊形作圖的方式來驗證猜想，其結果如圖7所示.

師：現在請同學們來揭秘一下，在做引體向上時，為什么5星級的難度最大呢？

師：剛才的過程可以簡化為這個模型[圖7(a)所示].

師：拍照展示同學推導的結果[圖7(b)所示]，根據推導結果請分析：為什么5星級的難度最大呢？

圖7 引體向上受力分析

生：合力不變，兩手夾角越大，拉力F越大，越費力.

師：同樣，利用平行四邊形定則作圖發現，當合力不變時，夾角增大，分力也增大，所以5星級難度最大.

4 基于生活實踐情境 培養學生的科學態度與責任

設計意圖：介紹我國古代木拱橋獨有的“拱券結構”(圖8所示)，讓學生體會古人的聰明才智，再讓學生用筷子搭“拱券結構”(圖9所示)，親自體驗生活中的平衡之美，最后以中國橋梁、航天技術、雜技表演中的平衡之美結尾，讓學生情感產生共鳴，培養學生從物理走向生活的意識，滲透STSE的教育理念.

圖8 木拱橋的“拱券結構”

圖9 學生搭建的“拱券結構”

師：古人的聰明才智讓我等敬佩，你們想挑戰嗎？看誰能在最短時間內完成“拱券結構”的搭建(學生用筷子搭“拱券結構”).

生：展示 “拱券結構”的穩定性.

師：那你們想見識一下老師這座橋的厲害嗎？我有一種想走上去的沖動，有點害怕，大家掌聲鼓勵一下.(圖10所示，教師親自站上去，檢驗“拱券結構”堅固性，將課堂推向高潮)

圖10 教師站上“拱券結構”

師：這就是“拱券結構”，平衡之美.

師：其實，生活中還有很多復雜的平衡之美.

中國的橋梁世界之最(圖11所示).

圖11 貴州六盤江大橋

降落傘回收航天器(圖12所示)，雜技演員用羽毛表演精彩絕倫的平衡術等(圖13所示).

圖12 回收“神州十號”航天器

圖13 雜技表演羽毛平衡術

師：中國作為東方大國從來沒有停止前進的步伐，一座座中國橋，天塹變通途，航天技術更是領先世界水平.點贊為中國建設和發展做出巨大貢獻的大國工匠們(培養學生的科學態度與責任，產生情感的共鳴).

5 總結

以情景為載體貫穿整個教學活動，通過學生展示引體向上，創設物理情境，激發學生的求知欲，同時物理學科滲透體育，體現“五育”并舉的教育理念.通過展示重慶網紅景點，引導學生對圖片中的物體進行受力分析，建構共點力平衡的概念，強化了物理觀念.通過創新實驗探究、歸納演繹突破共點力平衡條件教學難點.通過物理學科滲透STSE的教育理念、培養學生的科學態度與責任，產生情感共鳴，將課堂教學推向高潮.本節教學以情景為載體，按新課程標準要求，創造、創新實驗，課堂教學效果較好，讓學生在情境中提升了物理觀念，在實踐中掌握了科學的思維方法，在探究中獲得了科學探究的能力，在情感升華中培養了科學態度與責任.