指向素養目標的物理情境教學實踐

【摘" 要】2023年是福建省實施新課標、新教材、新高考“三新”的第一年。2023年，各地高考試題突出真實問題情境，選取鮮活素材，貼近學生實際，以引導師生重視從生活中發現問題、提出問題，逐步從解題走向解決問題的能力，要求教師在課堂實踐中加強實際情境教學，落實培養學生的物理核心素養。本文利用生活中常見的玩具和手機巧妙設計演示實驗進行真實情境教學，培養學生核心素養。

【關鍵詞】情境教學；演示實驗；核心素養

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》將物理學科核心素養界定為“學生通過學科學習而逐步形成正確的價值觀、必備品格和關鍵能力”，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度和責任”四個方面。

真實情境教學是實施物理教學的有力抓手，是培養物理學科核心素養的具體呈現，是習得物理知識的重要途徑，是提高學生有效學習的關鍵措施。創設的情境越真實，越容易吸引學生的注意力，就越容易發揮學生學習的主動性，使學生進行深度學習。演示實驗是真實情境的有效策略之一，教師合理設計演示實驗可有效突破教學重點、教學難點和學生理解的障礙點，將學生置于情境中從而利用已學知識分析和解決真實問題，從而培養學生科學思維與科學探究能力，以有效提升學生素養。本文采用學生易得的玩具和手機設計4個具體創新案例進行闡述。

一、創新案例

（一）用手機傳感器突破理想變壓器教學

如圖1所示，此題是某地市2023屆高三質檢真題情境，問題情境中探究關于直鐵芯變壓器原副線圈電壓與匝數規律。滿分4分而全市平均分為0.33分，絕大部分學生按照理想變壓器情況作答從而錯選，未考慮到真實情境即不閉合情況下直鐵芯磁損嚴重，副線圈的電壓要比理想情況下小得多。本題的作答情況反映出教師在教學過程中忽略真實情境的創設，而學生也欠缺在真實情境下解決實際問題的能力。結果的巨大差異引起了全市物理教師的激烈討論，促使高三教師紛紛走進實驗室將演示實驗帶回課堂。無情境不命題，試題的情境已成為質檢題和高考題的命題特點，因此，教師必須注意真實情境下的課堂教學，而不能直接剝離情境直接進行知識點教學。

創設真實情境探究直鐵芯原副線圈電壓比與匝數比的關系。將原副線圈接在直鐵芯上，如圖2（a）所示。原線圈接400匝、副線圈接200匝，原線圈接

6.29 V的輸入電壓，可以看到副線圈電壓示數為

1.72 V，遠小于理想的3.15 V。利用手機Phyphox軟件磁力計測量周圍磁場，如圖2（b）所示，可看到周圍磁場為108.17 μT，大于地磁場強度（地磁場強度測量值約為40.67 μT）磁損嚴重，副線圈電壓比理想情況下電壓值小得多，不再符合理想變壓器規律。學生對真實實驗數據非常驚訝也印象深刻，同時利用手機即可測出磁場情況，為學生探究物理規律提供途徑，在真實情境中培養學生尊重事實、實事求是的科學態度。

（二）利用彈簧讓牛頓第二定律的瞬時性得以可視化

“物理觀念”是物理概念和規律在頭腦中的凝練。在課堂教學中容易呈現具體的物理現象和物理過程，但教師需要掌握和分析大量的真實情境，才能讓學生從情境到知識再到觀念進行轉化，才能讓學生完成知識概括及抽象出清晰的物理概念，以達到知識理解和物理觀念的形成。在牛頓第二定律瞬時性的教學過程中，教師一般先告知學生結論即“輕繩的彈力可以突變，輕彈簧的彈力不能突變”，然后根據結論分析解答相應的題目。此教學過程中，學生生硬地記住結論而非透徹地理解，因此，在處理瞬時性問題時依然不能從“力與運動”觀念出發進行思考和解答。

采用一種名為“彩虹圈”的玩具彈簧，“彩虹圈”勁度系數很小，受力時伸長量較大，彈簧恢復的時間較長，便于觀察。用一根細線懸掛鉤碼，并排用彈簧懸掛鉤碼，用長尾夾夾在鐵架臺橫桿上，同時釋放，學生可親眼觀察到實驗現象：釋放瞬間，細繩懸掛的鉤碼立即開始做自由落體運動，下落速度較快，而懸掛鉤碼的彈簧依舊保持原有的形變量，鉤碼暫時保持靜止，且之后鉤碼下落明顯遲于左邊鉤碼。通過慢鏡頭回放，可清晰觀察到鉤碼在彈簧形變恢復到撞擊它時才開始下落。學生通過真實情境的對比實驗，透徹地理解并總結出細繩和彈簧突變力的規律。

借助智能手機Phyphox軟件測量加速度進一步研究力與運動的關系。彈簧彈力不能突變并利用智能手機Phyphox軟件測量加速度可進一步研究牛頓第二定律的瞬時效應，培養學生物理觀念。具體實驗情境如圖3左圖所示，將手機放在手機手機殼中，利用電子天平測量手機及殼的總質量為214.4 g，手機殼上端與彈簧連接，下端通過細繩懸掛質量為50 g鉤碼（鉤碼重力為4.9 N），靜止時手機受力平衡即F彈=mg+m0g。打開手機Phyphox軟件測加速度（不含g）功能測量手機加速度的變化，迅速抬起鉤碼，繩松弛而拉力消失，由于彈簧彈力不能突變，鉤碼的重力即為手機及手機殼的合外力，通過Phyphox軟件讀取第一個峰值即為突變后手機的加速度，如圖3右圖所示，可讀取a=2.27 m/s2，通過計算可得合外力F=0.49 N與Ma=0.486近似相等。創建以上真實情境對牛頓第二定律的瞬時性進行有效教學，有助于學生從“力與運動”的觀念出發，對彈簧類、板塊類問題等進行分析思考。

（三）構建圓周運動實例突破圓周運動受力分析

圓周運動的受力特點是教學重點，學生從直線運動轉向曲線運動的學習存在思維上的困難，需要學生經歷模型抽象的過程，創設真實情境，讓學生從直觀的現象中進行思考和分析。

在向心力概念的學習時，利用電動玩具小豬（通過電機可勻速行走的玩具），如圖4（a）所示。接通電源讓玩具小豬做勻速直線行走，提出問題：如何讓小豬做圓周運動？學生演示并通過投屏直播學生做法：細繩一端系在小豬身上，另一端固定牽引著小豬即做圓周運動。學生對小豬受力分析，繩的拉力即小豬所受合外力。拉力始終指向圓心進而得出做勻速圓周運動的物體需要指向圓心的力的作用，這個力稱為向心力。

繼續討論向心力問題，提問如何讓倒扣在玻璃杯中的乒乓球闖過書本構成的障礙物，如圖4（b）所示。學生在小豬圓周運動的啟發下，可得只要使乒乓球旋轉起來做圓周運動即可穿越障礙物，并找出乒乓球做圓周運動的來源，通過所學知識得出乒乓球所受重力和支持力的合力提供其做圓周運動的向心力，得到向心力與物體質量、半徑和角速度關系之后，將玻璃杯換成細口玻璃，學生思考如何使乒乓球在杯中不落地，之前的方法已不奏效，小球不能轉動起來并會下落。這時需要學生先進行理論分析，即重力大于摩擦力乒乓球才會在豎直方向下落，可以改變支持力來增大摩擦力，支持力提供做圓周運動所需向心力，增大半徑、轉速可以增加所需向心力。這樣學生置于真實情境中學習，增強了學生情境與知識的關聯水平，提升了學生解決真實問題的能力。

（四）借助玩具小車、水槍巧破曲線運動教學

運動的合成與分解是曲線運動的第一節內容，討論了曲線運動的成因及復雜運動的處理辦法，對之后學習平拋運動、圓周運動等曲線運動奠定了重要的知識基礎，對學生科學思維和科學探究能力的培養也起到了重要作用。教材利用“鋼珠在磁體吸引下的運動”討論了曲線運動的成因，但鋼珠軌跡不能直觀顯現，對學生抽象能力要求較高；利用“竹筏過河”討論分運動和合運動，缺乏真實體驗，理解困難較大。

利用玩具水槍噴水突破曲線運動的成因教學，方便學生觀察事先將水調制成紅色或藍色，邀請學生上臺演示玩具水槍噴水，調整玩具水槍噴射方向，分別朝著豎直向上方向、斜向上方向、水平方向、斜向下方向、豎直向下方向噴出，觀察噴出水的軌跡。教師將四種不同噴射方向的軌跡畫在黑板上并對其受力分析，學生通過力與初速的關系即可總結得出物體做曲線運動的條件，知識在情境探究中悄然構建。

進一步討論運動的合成與分解。磁吸式玩具小車如圖5（a）所示，小車能吸附在黑板上，輕推小車，由于慣性作用小車在初始階段可近似看成豎直方向上的勻速直線運動。教室黑板為2塊推拉式或4塊推拉式，黑板在人為控制移動，借助以上器材可以直觀研究運動的合成與分解。請學生上臺協助演示，玩具小車吸附在可移動的黑板上并在豎直方向上勻速直線運動。黑板在學生拉力作用下向左勻速移動，因此對小車同時具有豎直方向和水平方向的勻速直線運動，教師用粉筆描出多個時刻小車的位置，將這些點連接在一起就構成了小車運動的實際軌跡，如圖5（b）所示。改變小車運動方向例如斜向下、黑板勻速運動變成加速運動等，繼續討論運動的合成與分解。學生在這樣的情境下學習，不需要教師過多講解物理規律，學生就能體會到運動的合成與分解是處理復雜運動的基本方法。

二、結束語

利用身邊的玩具和器材設計實驗，便于將學生置于情境進行學習，有效突破教學重、難點，令學生體會教師的用心，激發學生學習興趣，激活學生求知欲。“教學評”一體化是需要教師創設真實情境下的教學。在真實情境中培育學生物理觀念、培養科學探究能力、發展科學思維、激發科學態度與責任，增強學生情境與知識的關聯水平，提升學生運用知識解決真實問題的能力，更深刻理解科學本質地。

【參考文獻】

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