基于物理新課程標準的情境教學實踐
——以“摩擦力”教學為例

龔立江

(南充市高坪區(qū)教育科學研究所 四川 南充 637100)

楊 惠

(南充市高坪中學 四川 南充 637100)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》提出:核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn),是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.物理學科核心素養(yǎng),主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面[1].課標倡導教師的教學過程中運用情境化教學手段來培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng),即在教學中充分結合學生的生活經驗,有目的地創(chuàng)設生動具體的情境,讓學生在情境中建構物理概念,探究物理規(guī)律,解決具體問題.

筆者以人教版八年級物理“摩擦力”一課的教學為例,闡釋如何合理運用情境化教學,幫助學生建構滑動摩擦力概念,探尋影響滑動摩擦力大小的因素,在跨學科實踐中,增強學生實踐意識,實現(xiàn)從知識向能力素養(yǎng)的轉化,以學生發(fā)展為本促進物理學科核心素養(yǎng)的形成.

1 “摩擦力”教學案例設計理念

1.1 創(chuàng)設魔法實驗情境 激發(fā)認知沖突

教師通過自制的實驗器材“魔法凳子”(圖1)引入新課:先將凳子中間空管底部用一張白紙封住,再裝上適量河沙和教師的魔法,最后將凳面支架插入管中,讓一位體重較大的學生雙腳懸空,坐在凳子上,展示用一張紙托起一個人的魔術.

圖1 “魔法凳子”圖

通過創(chuàng)設“魔法凳子”表演,帶學生進入到與現(xiàn)實生活和已有經驗相矛盾的情境,讓學生產生了強烈的認知沖突,激發(fā)了學生的好奇心,瞬間點燃了學生的學習熱情和參與欲望.學生也自然而然地產生疑問:“是什么力量將人托起的呢?”這樣的創(chuàng)新實驗情境,也使教師牢牢地抓住了學生的注意力,為新課學習做好充分準備.

1.2 創(chuàng)設生活體驗情境 建構物理概念

【情境1】如圖2所示,多媒體動態(tài)呈現(xiàn)滑草過程,并設問:運動的滑板最終會停下來,這是為什么?學生通過牛頓第一定律的學習,對阻力有了一定的認識,因此很容易聯(lián)想到是因為阻力導致滑板停了下來.接著追問:滑板水平向右滑動,阻力沿哪個方向?學生通過已有的知識經驗,不難判斷阻力方向應為水平向左.

圖2 滑草情境圖

關注學生最近發(fā)展區(qū),從學生已有的知識經驗出發(fā),創(chuàng)設情境,引導學生運用舊知探索新知,可加深學生對知識的理解,從而達到事半功倍的學習效果.

【情境2】如圖3所示,讓學生將手壓在桌面上,向前滑動,再換用大小不同的力多次體驗,并設問:手在滑動過程中,有什么感覺?學生通過體驗,能夠感受到桌面對手有阻礙作用,并通過問題引導學生思考:手向前滑動,手感受到的阻礙作用向什么方向?通過體驗,學生可以判斷出手受到的阻礙作用向后.

圖3 滑手情境圖

創(chuàng)建體驗情境,讓學生通過親身感受、討論、交流、概括,初步感知摩擦力的存在及摩擦力的方向,體會探索新知的過程,從而促進物理概念的建構.

【情境3】如圖4所示,動態(tài)呈現(xiàn)滑滑梯的生活情境,從學生的生活經驗出發(fā),提出問題:滑滑梯時,是否也會感受到滑梯對身體的阻礙?引導學生對已有的生活經驗重新加工,探尋蘊含在生活情境中有關摩擦力的物理知識.

圖4 滑梯情境圖

通過以上3個情境創(chuàng)設,同時讓學生結合生活經驗談談類似的生活體驗,讓學生真實體會感知到這些情景中相對運動的兩物體間確實存在著一個阻力,進而引導學生概括以上生活體驗情境的共同屬性,抽象出這個力的本質特點,完成從經驗性常識向物理概念的轉變.引導學生建構起滑動摩擦力的初步概念.

為了進一步加深對滑動摩擦力的理解,突破滑動摩擦力的方向這一教學難點,我們將剛才的生活情境物理模型化.如圖5所示,通過滑草、滑手情境建立平面滑動模型,通過滑梯情境建立斜面滑動模型.滑板相對于地面向右滑動,滑板受到地面給它向左的滑動摩擦力,由于力的作用是相互的,地面也會受到滑板給它向右的滑動摩擦力,可是地面并沒有運動(通常說的運動,一般選擇地面或相對地面靜止的物體作為參照物),所以說滑動摩擦力是阻礙運動的力是不成立的,如果以滑板為參照物,地面相對于滑板向左運動,受到的滑動摩擦力向右,所以說滑動摩擦力是阻礙物體相對運動的力.同時得出,在研究滑動摩擦力時,我們應該選擇與之接觸的施力物體作為參照物.通過斜面滑梯模型,也可以得出相同的結論.

圖5 滑草、滑手、滑梯模型圖

最后,引導學生運用前面的模型分析方法分析“魔法凳子”管柱豎直方向的受力,揭秘魔術的物理本質:管柱受到沙子施加的摩擦力從而將人托起的物理本質.

在學生已有的知識和經驗的基礎上創(chuàng)設生活體驗情境,通過學生體驗、交流討論、抽象概括等活動,最終使學生自主建構起了滑動摩擦力的概念.在教學過程中,引導學生將生活情境物理模型化,是一種重要的科學思維方法,更是物理學科核心素養(yǎng)的重要方面[2].創(chuàng)設基于建模的學習情境,有利于學生模型思維的發(fā)展,讓學生會運用物理模型方法研究實際問題,有利于培養(yǎng)學生的分析綜合、推理論證能力,促進物理學科核心素養(yǎng)的形成.

1.3 創(chuàng)設問題引導情境 探尋物理規(guī)律

物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設問題情境,引導學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,猜想假設,并根據(jù)問題情境運用已有知識制定探究計劃,選擇符合情境要求的實驗裝置進行實驗,獲取數(shù)據(jù),分析形成物理規(guī)律,促進學生主動學習,幫助學生養(yǎng)成良好的思維習慣[3].在學生建構形成滑動摩擦力的概念后,引導學生思考:通過前面的活動體驗(換用大小不同的力在桌面上滑動)和大量的生活經驗,你認為滑動摩擦力大小可能與哪些因素有關?為什么?”學生交流討論后作出猜想和假設(可能與接觸面的壓力、粗糙程度、面積和相對運動速度有關).根據(jù)學生猜想,進一步提出問題:

(1)要驗證自己的猜想,應該怎么辦呢?(實驗)

(2)實驗中我們如何測量滑動摩擦力的大小呢?(水平勻速拉動時彈簧測力計拉力等于滑動摩擦力)

(3)要實現(xiàn)水平勻速拉動,教材上的方案可行嗎?可以怎樣改進完善?”

(4)如何改變接觸面的壓力、粗糙程度、面積和相對運動速度?(討論交流,探尋方法)

(5)滑動摩擦力與多個因素有關,實驗中我們應采用什么方法?(控制變量法)

(6)你能根據(jù)教師提供的器材設計出相應的實驗方案嗎?(優(yōu)化、完善實驗方案).

通過問題串引導學生層層深入,激發(fā)學生的探索欲望,在問題情境的引導下,學生對比發(fā)現(xiàn)教材提供的測量方法的局限,通過討論交流,并根據(jù)教師提供的實驗器材,自主優(yōu)化完善實驗方案,組裝調試好器材,展開分組實驗探究.為每個小組提供自制探究實驗器材(圖6),小組同學根據(jù)自己的猜想設計實驗并進行實驗探究,測得實驗數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù),得出實驗結論.再讓小組代表上臺分享“我們是如何設計實驗的?”“通過實驗探究得到了怎樣的實驗數(shù)據(jù)?”“怎樣分析處理實驗數(shù)據(jù)?”“得到了什么樣的實驗結論?”,通過討論、交流、分享,讓學生體會到發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的樂趣.

圖6 自制滑動摩擦力大小探究實驗器材圖

本節(jié)通過創(chuàng)設由淺入深的問題序列,逐步引導學生質疑創(chuàng)新,探究新知[4].鮑波爾曾說:“正是問題激發(fā)我們去學習,去實踐,去觀察.”問題情境的創(chuàng)設,可以激發(fā)學生的思維和探索新知的欲望,有利于引導學生基于事實的質疑和批判,進而提出創(chuàng)造性方案的能力培養(yǎng),對探究物理規(guī)律有著重要的意義.

1.4 創(chuàng)設跨學科實踐情境 培養(yǎng)創(chuàng)新能力

新課標跨學科實踐要求加強物理與日常生活、物理與工程實踐、物理與社會發(fā)展的聯(lián)系,通過跨學科實踐,提升學生的綜合分析能力、操作實踐能力,培養(yǎng)學生積極認真的學習態(tài)度和樂于實踐、敢于創(chuàng)新的精神[1].教學中通過跨學科實踐情境創(chuàng)設,以真實問題的解決為導向,引導學生把課程中形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決生產、生活中的實際問題,在解決問題中進一步提高探究能力、增強實踐意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、養(yǎng)成科學態(tài)度,促進物理學科核心素養(yǎng)的形成.

由網易數(shù)讀網相關調查報告數(shù)據(jù)顯示(圖7),老人跌倒超過一半發(fā)生在家里,主要外因是物體絆倒和地面滑倒,其中廁所滑倒占到了6.3%,約252萬人,廁所濕滑環(huán)境如圖8所示.

圖7 網易數(shù)讀網調查統(tǒng)計圖

圖8 廁所濕滑環(huán)境圖

通過展示廁所滑倒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和廁所濕滑環(huán)境創(chuàng)設情境,營造氛圍,引導學生結合本節(jié)所學知識分析導致廁所滑倒的主要原因,并思考我們該怎樣對家里的廁所進行改進或裝修,來預防廁所滑倒事件的發(fā)生?廁所防滑問題是建立在學生已有的生活經驗的基礎上提出,新聞報道營造氛圍,調動了學生的積極性,學生踴躍發(fā)言.例如:采用防滑地磚、穿防滑拖鞋、安裝防滑扶手等通過增大接觸面的粗糙程度來增大摩擦,也有學生能夠想到干濕分離并安裝排氣扇、安裝防滑凳等方法來增大摩擦.學生將課堂所學知識、方法運用到實際生活問題的解決,讓學生體驗到了物理學習的有趣和有用,也促進了學生正確物理觀念的形成.

通過火車在平直軌道上運動的動態(tài)情境(圖9),探究工程上減小摩擦的方法.首先,引導學生運用前面的模型分析法,將火車在軌道上運動的情境模型化(圖10),對勻速直線運動的車箱在水平方向上進行受力分析,學生很容易分析出車箱受到車頭的牽引力、軌道的摩擦阻力和空氣的阻力.

圖9 火車運動情境圖

圖10 火車水平受力模型圖

然后,提出系列問題:(1)根據(jù)影響滑動摩擦力的兩個因素,你認為可以怎樣減小火車車身與軌道間的摩擦阻力?(減少接觸面的壓力,減少接觸面的粗糙程度)(2)你覺得要實現(xiàn)這兩個目的,工程上可以怎么做?(引導學生認識到通過新材料可在一定程度上實現(xiàn)減少火車自重,可適當減少接觸面的壓力;將火車放在鐵軌上可以減少接觸面的粗糙程度)(3)實際的火車是將車廂直接放在鐵軌上還是怎么做的?(滑動變滾動可進一步減小摩擦阻力)(4)如果想讓火車運行過程中的摩擦阻力更小,你了解的現(xiàn)代技術中是如何實現(xiàn)的?(學生交流分享認識到現(xiàn)代磁懸浮列車通過電磁技術實現(xiàn)與軌道分離,使鐵軌上摩擦阻力為零;子彈頭流線型設計可進一步減少車身的空氣阻力)(5)磁懸浮列車通過接觸面分離實現(xiàn)軌道上的摩擦力為零的方法是運用了摩擦力中的哪個基本物理知識?(摩擦力產生的條件:接觸才有摩擦)

最后,展示西南交通大學搭建的全球第一個真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形實驗線平臺,可實現(xiàn)將列車理論時速提高到1 000 km以上的科技前沿知識,激發(fā)學生努力學習,探尋科學真理的激情.

通過生活中廁所防滑和工程上火車運行情境的分析討論,實現(xiàn)了新課標跨學科實踐的要求.學生將本節(jié)所學的知識和方法用于解決生活中真實的問題,既讓學生進一步加深了物理知識和方法在生活中的實際運用,也讓學生感受到了現(xiàn)代科學技術中蘊藏的基本物理原理和規(guī)律.通過跨學科實踐,增強了學生的實踐意識,培養(yǎng)了學生的科學創(chuàng)新能力.有利于提升學生從物理學的視角解釋生活現(xiàn)象和解決工程問題的能力,有利于學生形成正確的物理觀念,養(yǎng)成良好的科學態(tài)度,促進物理學科核心素養(yǎng)的形成.通過中國領先全球的高鐵技術,增強學生的民族自豪感和自信心,激發(fā)了學生努力學習,探索科學奧秘的熱情,我們所做的這些工作,都圍繞實現(xiàn)物理學科立德樹人的根本目標.

2 結束語

教學中我們通過創(chuàng)設情境,不僅能夠營造良好的課堂氛圍,提高學生的學習興趣,引發(fā)學生思考;更能使學生運用所學模型分析生產生活中常見的物理問題,發(fā)展科學思維.學生在具體的情境中經歷科學探究的過程,領悟方法,學會知識,發(fā)展能力,促進了學生正確的滑動摩擦力觀念的形成,在運用習得的物理知識和方法去解決生活中的真實問題的過程中,既培養(yǎng)了學生的實踐能力和創(chuàng)造能力,實現(xiàn)物理學與社會發(fā)展的有效互動,又提升了學生的社會責任感,有效地促進了學生核心素養(yǎng)的形成.