基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理教學(xué)案例研究

魏艷

【摘要】本研究以人教版高中物理必修一“運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”章節(jié)內(nèi)容為基礎(chǔ)，通過例舉與“超重和失重”相關(guān)試題和解析的方式，以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向優(yōu)化物理隨堂習(xí)題設(shè)計(jì)，旨在發(fā)揮物理習(xí)題對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)所存在的載體作用.

【關(guān)鍵詞】高中物理；核心素養(yǎng)；解題教學(xué)

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將學(xué)科核心素養(yǎng)概括為四個(gè)維度，“超重和失重”知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握是學(xué)生對(duì)牛頓定律應(yīng)用的進(jìn)一步升華，為發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，本文將物理觀念、科學(xué)思維以及科學(xué)探究三個(gè)維度素養(yǎng)作為切入點(diǎn)分別甄選了具備教學(xué)應(yīng)用價(jià)值的習(xí)題做案例分析，具體見下述內(nèi)容.

1 物理觀念素養(yǎng)

物理觀念素養(yǎng)指向了學(xué)生能夠從物理學(xué)的視角去認(rèn)知物理學(xué)科知識(shí)，是教材中物理概念、物理規(guī)律等在學(xué)生頭腦中的升華，學(xué)生若具備良好的物理觀念素養(yǎng)應(yīng)能夠從物理學(xué)的角度去解釋現(xiàn)象與解決問題.

例1 重慶市巴南一段公路呈波浪形，在該段公路中公路的坡底與坡頂存在一定的高度差，如果將該段公路視為一個(gè)由半徑相同的凹凸路面彼此連接而成，如下圖1所示.那么當(dāng)貨車（重力記為G）在平行于公路中心標(biāo)線的情況下行駛，貨車經(jīng)過了該段公路的最高點(diǎn)M與最低點(diǎn)N，那么該貨車對(duì)地面的壓力則依次為F，F(xiàn)，判斷下列選項(xiàng)正確的是（ ）

（A）F>G. （B）F<G.

（C）F>F. （D）F<F.

解 當(dāng)貨車在凸形路面行駛時(shí)經(jīng)過M點(diǎn)，加速度的方向?yàn)樨Q直向下，那么此時(shí)該貨車將處于失重的狀態(tài)，所以F<G，當(dāng)貨車在凹形路面行駛時(shí)經(jīng)過N點(diǎn)，加速度的方向?yàn)樨Q直向上，那么此時(shí)該貨車將處于超重的狀態(tài)，所以F>G，由此可知F>F，故選項(xiàng)（C）正確.

評(píng)析 本題將圓周運(yùn)動(dòng)與超重和失重相結(jié)合，學(xué)生在解題的過程中需要從物理學(xué)的視角去解釋貨車行駛途徑不同路況下的狀態(tài)，即超重或失重，同時(shí)學(xué)生需要立足于加速度的方向判斷貨車的超重與失重.由上述解題分析可知，學(xué)生需要從物理學(xué)的角度分析貨車行駛的實(shí)際問題，并將本節(jié)課程中的基礎(chǔ)知識(shí)在腦中升華后用于判定各個(gè)選項(xiàng).所以，教師可以將該題作為培養(yǎng)學(xué)生物理觀念素養(yǎng)的載體，學(xué)生解題的過程即學(xué)生物理觀念素養(yǎng)形成的過程.

2 科學(xué)思維素養(yǎng)

科學(xué)思維素養(yǎng)指向?qū)W生從物理學(xué)視角對(duì)事物本質(zhì)、事物內(nèi)在規(guī)律以及事物相互關(guān)系的認(rèn)知；學(xué)生基于事實(shí)利用物理模型去概括分析問題、解決實(shí)際問題的思路，在面對(duì)不同的觀點(diǎn)時(shí)學(xué)生能夠基于事實(shí)證據(jù)對(duì)其進(jìn)行質(zhì)疑和評(píng)判.

例2 在一電梯樓中，一個(gè)掛有小球的輕質(zhì)彈簧懸于電梯的上部，已知該電梯內(nèi)部的乘客重量共計(jì)50kg.隨著電梯的運(yùn)行一乘客發(fā)現(xiàn)彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度始終為電梯靜止時(shí)彈簧長(zhǎng)度的四分之三，已知重力加速度g=10m/s，判斷下列選項(xiàng)正確的是（ ）

（A）電梯可能加速下降在該情況下加速度為5m/s.

（B）電梯可能減速上升在該情況下加速度為2.5m/s.

（C）乘客處于超重的狀態(tài).

（D）乘客對(duì)電梯地板的壓力為625N.

解 當(dāng)電梯處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)懸掛于彈簧上的小球受力為平衡情況，則有mg=kx，根據(jù)題意可知當(dāng)電梯處于運(yùn)行的狀態(tài)彈簧的伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度小于電梯靜止時(shí)彈簧的長(zhǎng)度，這一事實(shí)說明了電梯的運(yùn)行并未使彈簧的彈力變大，反而縮小了彈簧的彈力，那么根據(jù)牛頓第二定律則有“mg×?kx=ma”，即14mg=ma，a=2.5m/s，因?yàn)榧铀俣鹊姆较蛳蛳拢噪娞莸倪\(yùn)行狀態(tài)存在兩種可能性，一為加速下降，二為減速上升，而在這兩種狀態(tài)下乘客均處于一個(gè)失重的狀態(tài)，所以給出的選項(xiàng)中（A）（C）錯(cuò)誤，再將電梯內(nèi)的乘客作為研究對(duì)象根據(jù)牛頓第二定律則有m′g－F=m′a，F(xiàn)=m′g－m′a，根據(jù)牛頓第三定律分析電梯內(nèi)乘客對(duì)電梯地板所存在的壓力，則有F′=m′g=m′a=500N－125N=375N，對(duì)比選項(xiàng)可知（D）錯(cuò)誤，故選項(xiàng)（B）正確.

評(píng)析 本題中，解題的關(guān)鍵是對(duì)彈簧下小球受力的分析，在分析的過程中學(xué)生需要運(yùn)用牛頓第二定律與第三定律，判斷小球加速度的方向與電梯及乘客超重失重的情況.牛頓第二、第三定律屬物理模型，在本題中學(xué)生需要運(yùn)用兩個(gè)物理模型對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行概括分析，并判定各個(gè)選項(xiàng)的正確性，所以教師可以將該題作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的載體，學(xué)生解題的過程即學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)形成的過程.

3 科學(xué)探究素養(yǎng)

科學(xué)探究素養(yǎng)指向了學(xué)生提出物理問題、設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋等的能力.

例3 游樂園中的太空梭可以使人體體驗(yàn)超重和失重，現(xiàn)使升降主機(jī)將座艙送至距離地面78m的高處后自由下落，下落過程中直至距離地面30m時(shí)升降主機(jī)開始制動(dòng)，均勻減速至地面剛好停止，在游玩的過程中小紅同學(xué)將一個(gè)書包平放于兩腿之上，已知該書包的質(zhì)量為10kg（不計(jì)空氣阻力，g=10m/s）.

（1）當(dāng)座艙靜止時(shí)證明書包重力G與其對(duì)小紅同學(xué)兩腿壓力F相等；

（2）當(dāng)座艙下落至距離地面50m處時(shí)，求小紅同學(xué)對(duì)書包作用力大小F；

（3）求升降主機(jī)制動(dòng)處于勻減速階段時(shí)加速度a的大小.

解 （1）設(shè)小紅兩腿對(duì)書包的支撐力為N，因座艙靜止，所以書包處于靜止的狀態(tài)，則N=G，根據(jù)牛頓第三定律N=F，則有G=F；

（2）此時(shí)書包處于完全失重的狀態(tài)，則F=0；

（3）勻減速階段座艙自由下落的高度為H－h(huán)=78－30=48m，當(dāng)座艙制動(dòng)時(shí)已獲得速度v，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：v=2gH－h(huán)①，座艙制動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬勻速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小為a，則有v=2ah②，聯(lián)立公式①與②，a=16m/s，方向豎直向上，所以升降主機(jī)制動(dòng)處于勻減速階段時(shí)加速度為16m/s.

評(píng)析 在本題中，學(xué)生需要根據(jù)題意搜集證據(jù)，并利用證據(jù)分析實(shí)際問題而后推出結(jié)論，如第（1）小問中“小紅同學(xué)雙腿對(duì)書包的支撐力與書包的重力屬于平衡力”為證據(jù)，由該證據(jù)可推出N=G，根據(jù)牛頓第三定律可證明G=F.再如第（2）小問中，學(xué)生根據(jù)題意可搜集到的證據(jù)為“當(dāng)座艙下落至距離地面50m處時(shí)仍處于自由下落的狀態(tài)”，而基于這一證據(jù)可以獲知此時(shí)的座艙處于完全失重的狀態(tài)，繼而可求得F=0.所以，教師可以將該題作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的載體，學(xué)生解題的過程即學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)形成的過程.

4 結(jié)語

綜上所述，研究從物理觀念、科學(xué)思維以及科學(xué)探究三個(gè)維度分析了核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理教學(xué)案例.通過本文上述的理論研究得以明確教師可以將物理習(xí)題作為基礎(chǔ)，通過分析例題解題過程與某一維度核心素養(yǎng)之間的相關(guān)性，并設(shè)置具備核心素養(yǎng)培養(yǎng)功能的物體習(xí)題達(dá)成學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo).

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