基于情境與問題導向 培育學生核心素養(yǎng)

摘 要：以超重和失重課堂教學為例，以發(fā)展學生的核心素養(yǎng)為目標，結(jié)合生活實際并利用現(xiàn)代信息技術創(chuàng)設了各種場景下的探究情境，引導學生觀察、體驗、探究、討論，再現(xiàn)知識產(chǎn)生的過程；以物理情境為背景，以情境問題為驅(qū)動，以問題鏈為引導，培育學生核心素養(yǎng)。

關鍵詞：情境；問題鏈；科學思維；核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）9-0092-5

《普通高中物理課程標準（２０１７ 年版２０２０ 年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）中指出，高中物理課程通過創(chuàng)設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，培養(yǎng)和發(fā)展學生的自主學習能力［１］。其中在教學建議中的第二條指出：在教學設計和教學實施過程中重視情境的創(chuàng)設；創(chuàng)設情境進行教學，對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用［１］。《國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中提出，要積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學［２］，為課堂教學改革指明了方向。

課堂教學的重點是發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，課程標準中要求學生具有建構(gòu)模型的意識和能力；能運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論；具有使用科學證據(jù)的意識和評估科學證據(jù)的能力，能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預測；具有批判性思維的意識，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新［１］。

基于課程標準的要求，以高中物理新教材必修一第四章的第6節(jié)“超重和失重”課堂教學為例，創(chuàng)設了多場景的探究情境，借助現(xiàn)代信息技術，引導學生進行體驗、觀察、思考、猜想、推理、論證、解釋、交流等過程，深化科學思維，開展科學探究，形成嚴謹認真的科學態(tài)度和正確的價值觀，培育學生的核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了課程的育人價值。

１ 教學思路設計

本設計的思路如圖1所示。

２ 課堂教學設計

２．１ 課堂教學引入

情境１：用體重計稱體重。

（１）在手機和電腦上同時安裝ｉＶＣａｍ 投屏軟件（圖2），利用該軟件將體重計的表盤投影在大屏幕上（圖3），請一個學生站到體重計上，其他學生讀出她的體重值。

（２）請站在體重計上的學生做下蹲的動作（圖4），其他學生再次讀出她的體重值。

（３）師：剛才讀數(shù)時，同學們基于生活經(jīng)驗，都是在這位同學靜止時讀出了她的體重值，我們知道，體重計顯示的示數(shù)反映了人對于體重計的壓力。

問題１：為什么當人靜止時，人對體重計的壓力就等于人的重力？

問題２：剛才這位同學下蹲時，體重計的示數(shù)是始終不變的嗎？

設計意圖：從生活中常見場景——稱體重引入，展示稱體重的過程，先站穩(wěn)、再讀數(shù)，根據(jù)這一生活經(jīng)驗提出問題１，引導學生應用二力平衡、牛頓第三定律等相關知識來解決實際生活中的問題，體現(xiàn)學以致用的思想。

在問題２中，根據(jù)人不站穩(wěn)，體重計的示數(shù)就會變化的生活經(jīng)驗及剛才的觀察，提出本節(jié)課的研究主題：在人下蹲的過程中，體重計示數(shù)的變化有怎樣的規(guī)律，其中的原因是什么。

２．２ 探究活動１：人下蹲的過程中，體重計示數(shù)變化的規(guī)律

（１）學生在體重計上再次做下蹲的動作。

問題３：剛才這位同學下蹲時，體重計的示數(shù)相對于自身的重力如何變化？

生：有時變大，有時變小。

設計意圖：把平時不太注意的細節(jié)放大，引導學生發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，然后進行探究。由于體重計指針擺動的視覺快慢受人下蹲快慢、電腦運行速度、網(wǎng)絡傳輸、大屏幕硬件及諸多因素的影響，有時觀察不太清楚，只能看出指針擺角有時變大，有時變小。

師：這說明人對體重計的壓力有時大于自身重力，有時小于自身重力。我們把壓力大于重力的情況稱為超重，把壓力小于重力的情況稱為失重，把體重計顯示的示數(shù)稱為視重。超重時視重大于實重，失重時視重小于實重。在什么情況下發(fā)生超重現(xiàn)象，什么情況下發(fā)生失重現(xiàn)象呢？

由于體重計的示數(shù)變化太快，不太容易觀察研究，因此用壓力傳感器代替體重計繼續(xù)進行研究。

（２）壓力傳感器（圖5）代替體重計。

情境２ ：壓力傳感器實驗。

①教師分析壓力傳感器的原理及其優(yōu)點：可以將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過計算機顯示出來，其精度、靈敏度高，可以直觀顯示出壓力Ｆ和時間ｔ圖像（以下簡稱“Ｆ－ｔ圖像”），然后引導學生用手反復壓壓力傳感器，并觀察Ｆ－ｔ圖像的變化，增強傳感器實時測量壓力形成圖像的直觀印象。

②請一個學生站到壓力傳感器上保持靜止，此時Ｆ－ｔ圖像為一條橫線。教師提示，此時人對傳感器的壓力就等于人自身的重力。

③請這個學生做下蹲的動作，并實時顯示出Ｆ－ｔ圖像（圖6）。

問題４：圖中什么區(qū)域出現(xiàn)了超重現(xiàn)象，什么區(qū)域出現(xiàn)了失重現(xiàn)象，你是怎么看出來的？

問題５：我們發(fā)現(xiàn)，在人下蹲的過程中，先失重后超重，既有失重又有超重。可見，超重、失重的產(chǎn)生和人的運動有關。在人下蹲的過程中，人做了什么性質(zhì)的運動呢？

生：向下加速，向下減速。

問題６：物體的運動可以用速度ｖ和加速度ａ 同時來描述，在人下蹲的整個過程中ｖ、ａ的方向如何？ｖ、ａ這兩個物理量哪一個和超重、失重有關呢？發(fā)生超重和失重時，這個物理量具有怎樣的特征？

學生討論得出結(jié)論：和超重、失重相關的物理量是加速度。超重時，加速度方向向上；失重時，加速度方向向下。

問題７：我們本章的主題是運動和力的關系，請同學們用運動和力的關系進行證明：為什么加速度方向向上時就會出現(xiàn)超重現(xiàn)象，反之就會出現(xiàn)失重現(xiàn)象。

設計意圖：借助壓力傳感器，即時展示人下蹲過程中的壓力Ｆ－ｔ圖像，讓學生明顯感覺到下蹲的過程不是單一的超重或失重，而是先失重后超重，和學生的原有認知有沖突，激發(fā)學生的探究興趣。對人下蹲的動作進行探究，得到其運動性質(zhì)，并反映到速度ｖ和加速度ａ的方向上，然后找出和超重、失重相關的運動學物理量，并探究得出發(fā)生超重、失重時這個物理量的方向特征，引導學生從運動和力的理論層面來證明已發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。整個過程經(jīng)歷了模型建構(gòu)、科學推理、科學論證等科學思維過程，遵從學生的認知規(guī)律，從現(xiàn)象到本質(zhì)、從感性到理性、逐層進階，發(fā)展了學生的科學思維。

問題８：人在站起的過程中，是否有超重、失重現(xiàn)象？如果有，會是下列圖像（圖7）中的哪一個呢？

生：選Ｃ，先超重后失重。

然后，請一個學生先蹲在壓力傳感器上保持靜止，聽指令站起，通過傳感器顯示出Ｆ－ｔ圖像加以驗證。最終顯示出下蹲、站起整個過程中的Ｆ－ｔ圖像（圖8），由學生再次總結(jié)出超重、失重的運動學特征：在下蹲和站起的過程中，如果加速度方向向上（包括向上加速、向下減速），就會出現(xiàn)超重現(xiàn)象；如果加速度方向向下（包括向下加速和向上減速），就會出現(xiàn)失重現(xiàn)象。

設計意圖：通過下蹲過程中人對傳感器壓力規(guī)律的探究得到了超重、失重的運動學特征和動力學解釋，通過問題６把分析方法遷移到站起過程中，鞏固學生的科學思維，通過問題７，則對整個下蹲、站起的過程進行抽象、概括，歸納出本質(zhì)特征。

２．３ 探究活動２：電梯中的超重、失重現(xiàn)象

情境３：電梯內(nèi)實驗（圖9）。

（１）課前把壓力傳感器搬進電梯，請學生站到壓力傳感器上，讓電梯從一樓運動到五樓，然后又從五樓運動到一樓，用壓力傳感器記錄了人對傳感器的壓力隨時間變化的情況，同時利用手機記錄了電梯的加速度隨時間的變化情況。

（２）展示電梯上行、下行整個過程中傳感器即時記錄出的Ｆ－ｔ圖像和同時用手機記錄的ａ－ｔ圖像（圖10）。

（３）對比整個過程中的Ｆ－ｔ圖像和ａ－ｔ圖像（圖１1），請學生再次總結(jié)出在電梯情境下超重、失重的運動學規(guī)律。

（４）例題：從傳感器圖像上可知，電梯靜止時該同學對傳感器的壓力是４９３ Ｎ，可算出ｍ＝４９．３ ｋｇ，電梯加速上升時，電梯的加速度最大值可達到ａ＝０．６７ ｍ/ｓ２，請同學們計算一下此時該同學對傳感器的壓力，ｇ＝１０ ｍ/ｓ２。

經(jīng)過計算，得出該同學對傳感器的壓力為５２６ Ｎ，然后再顯示傳感器顯示的壓力數(shù)值（圖１2）和同學們計算的結(jié)果相同。

設計意圖：從生活實際出發(fā)，對電梯問題進行研究，采用現(xiàn)代信息技術，同時顯示人對電梯的壓力和電梯的加速度隨時間變化的關系，增加了超重、失重運動學特征的直觀證據(jù)。從實驗現(xiàn)象到運動性質(zhì)、動力學解釋、實驗論證逐層遞進，對超重、失重形成了完整的認知體系，并在這一情境下設置例題，推算電梯加速時人對傳感器的壓力，計算結(jié)果和傳感器顯示的值一致，體現(xiàn)了理論和實際的完美融合。

２．４ 實驗：拉力情境下的超重、失重現(xiàn)象

情境４：把鉤碼掛在彈簧測力計上（圖１3），從靜止開始分別向上、向下運動直至靜止，觀察測力計示數(shù)的變化。

設計意圖：前面人下蹲站起及電梯實驗反映的都是壓力情境下的超重、失重現(xiàn)象，在拉力情境下是否也能產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象呢？通過這個實驗可以把拉力情境下發(fā)生的超重、失重情況補充進去，從而把超重、失重的定義補充完整。

２．５ 實驗：完全失重現(xiàn)象

情境５：測力計落體實驗（圖１4）。

（１）自制教具：將圓盤測力計固定在整理箱內(nèi)，測力計的掛鉤上掛上一個鉤碼。如果這套裝置做自由落體運動，請同學們計算一下，鉤碼對圓盤測力計的拉力為多少？

生：為０。

（２）靜止釋放該裝置，請同學們觀察測力計的示數(shù)，再慢放課前錄制的視頻，發(fā)現(xiàn)圓盤測力計的示數(shù)為0，然后給出完全失重的定義。

設計意圖：在課堂上展示出物體完全失重時的作用效果，激發(fā)興趣，給學生直觀的印象，用實際來驗證理論。

２．６ 視頻：超重、失重的應用與防止

情境6：播放王亞平太空授課、神舟十六號的部分視頻。

通過我國航天員王亞平的太空授課，讓學生了解在完全失重條件下，液滴呈現(xiàn)標準的球形，水中氣泡浮力消失。根據(jù)這些現(xiàn)象，人們思考利用完全失重的環(huán)境制作理想滾珠和高品質(zhì)的泡沫金屬（圖１5）。播放神舟十六號飛船升空、運行、返回部分過程，介紹中國航空航天領域取得的成就，引導學生分析出在航天器中如何操作才能減少超重、失重對人體帶來的傷害。

設計意圖：介紹超重、失重的應用與防止，落實立德樹人的根本任務，提高民族自豪感，鼓勵學生努力學習、報效祖國，體現(xiàn)科學態(tài)度與責任擔當。

２．７ 實踐性作業(yè)

作業(yè)１：圖１6為某位同學緩慢下蹲站起、快速下蹲站起的圖像，通過標出的數(shù)據(jù)，分別求出兩種情況下人加速下降時的最大加速度。

作業(yè)２：利用自制教具——完全失重演示儀，在課堂上演示實驗（圖１7）：兩個蹄形磁鐵Ｎ、Ｓ極相對，間隔一定距離放在整理箱底部，靜止時兩個磁鐵沒有吸引到一起，釋放后，兩個磁鐵吸到了一起，請分析原因。

作業(yè)３：請利用完全失重演示儀在課下研究更多的完全失重實驗。

設計意圖：從圖像中獲取信息，用理論來解釋實際問題；設置情境化作業(yè)，維持探究的熱情，促進核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

３ 總結(jié)與反思

物理學是一門自然學科，因此物理教學不能脫離情境，物理學也是在解決不同的情境問題中逐步發(fā)展和完善起來的，因此物理課堂上盡可能創(chuàng)設真實的情境，引導學生觀察、體驗。另外，物理學不是對客觀事物的簡單描述，而是對其本質(zhì)屬性的抽象和概括，這就需要設法引導學生進行模型建構(gòu)、科學推理及科學論證，逐步養(yǎng)成和發(fā)展學生的科學思維能力，從而培育學生的物理學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７ 年版2020年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20．

［２］中華人民共和國教育部.國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見［ＥＢ／ＯＬ］．（2019-06-１１）［２０２４－０６－２６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｅ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｊｙｂ＿ｘｘｇｋ／ｍｏｅ＿

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（欄目編輯 李富強）