基于物理核心素養的PBL教學實踐

連彬星 黃暉

摘? ?要：PBL教學是以學生的學習為中心，強調學生主動學習，教師幫助引導，從真實問題情境出發建構物理模型，引出學習任務。通過小組成員之間團隊協作，共同實驗探究，對結果進行反思修正。經歷問題解決的過程，培養學生物理核心素養，形成解決問題的技能，提升學生關鍵能力。本文以“共點力的平衡”為例，通過學生小組實驗引入共點力的概念，從二力平衡推導三力平衡條件，根據平行四邊形定則設計實驗并利用力的圖示進行作圖探究。學生得到三力平衡條件后，在實際情境中進行驗證——利用三力平衡條件測量燈籠的重力，最終解決生活中風吹燈籠的實際問題。

關鍵詞：核心素養;PBL教學;共點力;生活情境;問題導向;三力平衡

1? 關于PBL教學模式

以問題為導向的教學方法（problem-based learning，簡稱PBL），是從真實問題情境出發，以學生為中心的教育模式。PBL學習的核心是從傳統教育中的被動學習模式轉變為“以學生為中心”理念，讓學生成為主動學習者而不再是被動學習[ 1 ]。PBL強調學生不能被動學習，不能再遵循傳統教學中的以教師講授為主的模式。學生將沉浸于問題中，在真實的問題情境中，學生通過自主探究和小組合作來解決問題，從而習得隱含在問題背后的與物理相關的知識，提高自主學習的能力和解決問題的技能[ 2 ]。筆者以“共點力的平衡”為例，探討在PBL教學實踐中如何落實物理核心素養。

2? PBL課堂教學準備

在學習之前，先分析好教材、學情和目標，有利于更有針對性的落實物理核心素養。

1.1? 教材分析

本節課為魯科版新教材高中物理必修第一冊，第4章力與平衡，第3節共點力的平衡。在初中的時候，學生初步學習了二力平衡的知識，共點力的平衡是在學習了“力的合成”和“力的分解”基礎上的進一步學習，它也是下一章牛頓運動定律的基礎，它在本章甚至整個高中物理都扮演者重要的角色。這一節會涉及很多生活常見情境，從真實情境中提出問題，建構模型并解決問題，在探索解決問題過程中落實物理核心素養。

1.2? 學情分析

本課教學的對象是高一學生，學生已經可以進行簡單的受力分析，知道二力平衡的受力特點，初步理解力的平衡和力的分解，在解決問題過程中能運用數學三角函數知識。從生活情境出發，通過小組合作轉變為常見的物理模型，運用共點力的平衡條件解決實際問題。

1.3? 學習目標[ 3 ]

物理觀念：初步形成運動與相互作用觀念，能用物理解釋一些簡單的力平衡現象，能應用平衡條件解決一些簡單的實際問題。科學思維：能在簡單的力平衡情境中應用常見物理模型，能對簡單的平衡現象進行分析推理，能用證據表達自己的觀點。科學探究：根據力平衡現象建立模型，提出相關物理問題，能根據已有器材設計科學探究方案并使用基本儀器獲得數據得到結論。科學態度與責任：認識到物理能對自然界中力平衡現象進行解釋，對自然抱有好奇心，具有實事求是的物理精神。

1.4? 重難點

本節課的重點是物體在共點力作用下的平衡條件。難點是平衡條件的應用。

3? PBL課堂教學流程

學習活動流程圖（如圖1）：

活動1學生實驗及討論：通過實驗認識共點力概念。

活動2分組實驗：回顧二力平衡，演示三力平衡并探究三力平衡條件。

活動3理論推理：從三力平衡的條件推理到多力平衡，總結出共點力的平衡條件。

活動4實踐應用：用實際物體來驗證共點力平衡條件，并用其研究解決生活實際問題。

4? 主要實施環節

4.1? 引入重點知識概念：學生分組實驗

四人一組，3人拉住細繩使圓環保持靜止，另1人記錄拉力的作用點與方向。（如圖2）

問1：觀察這些力的方向有什么特點？

答：力的方向延長后會交于一點。

觀察本組的實驗數據，是否延長后都交于一點。

在實際問題中，一個物體受到幾個力的作用，如果這些力作用于物體上同一點，或者幾個力的作用線（反向延長線）相交于一點，這幾個力叫共點力[ 4 ]。從而引出共點力概念。

設計意圖：通過學生實驗，引出共點力概念，不僅可以活躍課堂氣氛還能為之后研究共點力平衡條件做好鋪墊和準備。

4.2? 問題驅動：從二力平衡到三力平衡

問2：如果一個物體只受兩個力的作用，這兩個力等大反向共線，那這個物體處于什么狀態？答：物體處于靜止或勻速直線運動。這兩種狀態是平衡狀態。

問3：那如果物體受到三個共點力作用，并保持平衡，請問這三個力要滿足什么關系？

帶著這個問題前我們來看一下講臺桌前的這些儀器。忽略繩子重力和滑輪摩擦力，同一根繩子上力的大小處處相等，三個力同時作用于一點，使這個點保持靜止，請問這三個力有怎樣的定量關系？（如圖3）

學生可以相互討論。請一個小組來分享。

答：OA、OB這兩個方向上力的合力與OC方向的第三個力等大反向。

問4：思考怎樣才能說明真的是等大反向？眼見為實，我想看到力，怎么辦到？

引導回答：畫力的圖示，用平行四邊形定則把三個力精確畫出，兩個力的合力與第三個力進行比較。

設計意圖：回顧初中二力平衡條件，先理論上從二力平衡推導到三個力平衡的條件。平衡時三力合力為零，也就是說其中兩個力的合力與第三個力肯定大小相等、方向相反，這對于學生來講是比較容易說出的。但是怎么證明真的就是大小相等方向相反，需要眼見為實，給出確切的證據，引導學生用力的圖示來表示。由于學生已經做過驗證平行四邊形定則的實驗，所以容易聯想到類似的操作與原理。

4.3? 團隊協作、反思修正：設計實驗并探究三力平衡的條件

凌空畫圖比較困難，能不能利用桌上的儀器（三個彈簧測力計、繩套、白紙、刻度尺）來設計實驗：探究三力平衡的條件？請大家討論一下。請一個小組派代表來說一說。

問5：你們打算怎么做？要測量記錄哪些量？

請一個小組派代表說說，組員可以相互補充，引導說清楚步驟。

開始實驗探究（四人一組）。

探究之后，請兩個小組派代表來投影分享。（如圖4）

本組學生自評：評價本組的數據記錄和作圖方面做得還不夠的地方。其他小組互評：評價其他組做得好，值得大家學習的地方。教師點評細節并鼓勵。（多提供機會，讓學生能夠主動地、積極地表達自己的觀點，提高學習的內在動力及熱情）

通過觀察大家的實驗結果，盡管或多或少存在有一定的誤差，但都趨于指向同一個結果：其中兩個力的合力大小與第三個力接近相等;方向與第三個力接近相反。從大量的實驗數據中，有理由相信：當三力平衡時，兩個力的合力與第三個力等大反向共線。

問6：如果四個力呢？它們的平衡條件是什么？答：將三個力合成一個力，與另一個力等大反向。

問7：如果是N個力呢？答：除一個力外，其他所有力的合力與剩下的這個力等大反向。

問8：最后這兩個力再合成后將是什么樣？——合力為零。

問9：請用一句話概括一下共點力平衡的條件？——物體所受的合外力為零。

問10：我們學過力的分解，如果把這些力分解到兩個垂直的方向，問在這兩個方向上的合力？——分別也都是零。

設計意圖：通過對三力平衡的條件進行實驗設計并探究，再次體會力的等效替代法，學生以小組為單位設計實驗方案，使用彈簧測力計、細繩等常見器材收集數據，利用力的圖示精確畫出三個力的大小與方向，尋找兩個力的合力與第三個力的關系，得到初步結論后與猜想進行比較。通過交流分享，能使用收集的證據表達自己的觀點。通過追問，引導學生說清共點力平衡的條件。從三個力過渡到N個力，最終得到共點力平衡的條件——合外力為零。

4.4? 自主學習、持續研究：用實際問題來驗證三力平衡條件

運用三力平衡的條件，測量實際物體的重力，比如燈籠的重力。還是利用剛才的器材，滑輪、細繩與鉤碼來測量。

問11：怎么利用剛才的器材來測燈籠的重力？ 答：把燈籠掛OC（圖3），為了計算簡便在兩邊OA、OB掛一樣數量的鉤碼。先進行受力分析。

問12：對哪個點進行受力分析？——結點（強調選對研究對象的重要性）。

問13：實驗中需記錄哪些物理量？——每個鉤碼的重力、個數和兩個拉力之間的夾角。

在兩邊各掛兩個鉤碼，用帶角度的圓規（如圖5）測出兩繩拉力的夾角大小。

請學生計算結束之后交流分享。（大部分學生都能算出正確的結果，燈籠質量28 g左右）再用電子天平驗證，質量27.6 g（如圖6）。

把兩次結果進行對比，發現誤差很小，其中繩與滑輪的摩擦力是誤差主要來源之一。同時也驗證了三力平衡條件的正確性。

設計意圖：通過測量燈籠的實際重力，讓學生體會用共點力的平衡條件來分析和解決生產生活中的實際問題。在計算過程中學生能運用數學中的三角函數、幾何關系等對力與平衡的問題進行定量計算。通過對比理論和最后的實際結果，也很好地驗證了三力平衡條件的正確性。根據力平衡現象建立模型，提出相關物理問題，能根據已有器材設計科學探究方案并使用基本儀器獲得數據得到結論，在研究過程中提升學生科學探究的能力。

4.5? 真實情境、成果展示：解決實際問題

現實情境引入：播放風吹燈籠視頻（如圖7）

問14：想要測量實際的風力大小，請問該如何根據真實情境進行研究？答：把情境轉化為物理模型（建模）。

問15：需要構建怎樣的物理模型？讓學生討論后畫一畫（如圖8）。

問16：在上個實驗中我們已求得燈籠的質量，現在要想計算水平風力與繩受到的拉力大小，還需要測量哪些物理量？答：傾斜角度，即細繩與豎直方向的夾角。

用電風扇模擬水平穩定風力，燈籠用細繩掛鐵架臺上，風吹起燈籠發生傾斜。

如何測量傾斜角度？在鐵架臺上固定示教量角器，讓學生讀出角度，由于角度不特殊，需要學生用計算器算出此角度的正弦與余弦值。然后再請學生說說解決這個問題思路。

答：以燈籠為研究對象，對其進行受力分析，由于燈籠受到三個力的作用并處于平衡狀態，可以用合成法或者正交分解進行求解。

請兩位學生上來板書，其他同學在草稿本上計算水平風力與繩子拉力大小。提醒用刻度尺作圖。兩位學生寫好后，請學生先來點評，之后教師再對二者分別點評，特別注意解題規范要求。發現合成法和正交分解兩種方法殊途同歸，都能很好地解決這個問題。

現在能計算水平風力大小，課后同學們可以通過查資料，尋找風力大小與風速、風的級數之間的關系，并思考天氣預報中如何預測風的等級。

設計意圖：從現實情境引入，最后再回到現實生活。體現物理源于生活，從物理走向社會的理念。體會在真實情境下物理學方法的作用及意義，培養學生轉化物理模型的能力，能用不同的方法解決共點力平衡相關問題，提高解題規范性與嚴謹性，傳達愛生活愛物理更要愛悟理的思想。

5? 總結反思

對共點力作用下的物體，學生在初中學過二力平衡，通過實驗探究得出一般的三力平衡的條件，實驗要求用力的圖示精確畫圖，讓學生有更多感性認識和培養嚴謹求學的態度。從三力平衡再到多力的情況，進一步理解共點力平衡條件。在生產和生活的具體情境中用共點力平衡條件來分析物理問題，對學生而言不簡單。要注意引導，把具體情境轉化成學生熟悉的物理模型，用相關的物理規律來分析。在學生做題時候要重視解題過程的規范性，作圖的嚴謹性，及時作出點評。最后提出天氣預報中風力的等級問題，給學生留點懸念，以便課后進一步探究。

物理源于生活，生活亦是悟理。PBL教學理念與核心素養的達成相輔相成，學生通過生活實際問題的發現和提出，促進物理觀念的形成;從生活情境出發，建構物理模型可以提升學生的科學思維;對問題定量分析，通過小組合作的探究過程離不開科學探究;在解決問題過程中實事求是、尊重事實、并回饋于生活，形成科學責任和態度。

參考文獻：

[1]? 林靜靜. PBL教學模式在初中物理中的應用策略研究[J].中學物理教學參考，2021（21）：36-37.

[2] 李黎. 高中物理PBL教學法中的“問題構建”[J].湖南中學物理，2014（4）：6-7.

[3] 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，2017.

[4] 蔣勇. 共點力作用下物體平衡問題討論[J].數理化學習（高三）.2014（8）：21-22.