素養導向的“三環四步”教學模式的教學設計

摘 要：學科核心素養的培育是高中物理教學的重要目標。本文結合長期實踐“三環四步”教學模式取得的理論成果，以“力的合成和分解”教學設計為例，闡釋了該教學模式的實施要領。在教學實踐中，我們推廣和完善該教學模式，優化操作條件和流程，并基于教學反饋和評價進行深入研究。

關鍵詞：核心素養；“三環四步”教學模式；教學設計

1 提出問題

《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》）提出了高中生學習物理課程后應達成的學科核心素養，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。^［1］高中物理教學應聚焦于培養學生的學科核心素養。教師選擇恰當的教學方式或模式對提高課堂教學效果、培育學生的物理學科核心素養具有重要的意義。

以甘肅省白銀市平川中學杜鵬花教師為負責人的高中物理教學模式研究課題組，建構出了“以素養為導向、課前課中課后一線貫通，強調課中四步教學步驟，充分發揮學生主體教師主導作用”的“三環四步”教學模式

（見圖1）。該教學模式通過創設豐富且有針對性的問題情境，在激發學生學習自覺性和主動性的同時，充分發揮教師的引導作用，使學生的學習在教學過程中循序漸進，實現教學過程的螺旋式上升

（見圖2）。本文以“力的合成和分解”教學設計為例，闡釋該教學模式的實施要領。

2 分析教學內容

《普通高中教科書 物理 必修 第一冊》將“力的合成和分解”內容安排在第三章第4節，主要由“合力和分力”“力的合成和分解”“矢量和標量”三部分內容構成。《課程標準》要求：通過實驗，了解力的合成與分解，知道矢量和標量。能用共點力的平衡

條件分析生產生活中的問題。^［2］本節內容不僅是對前面重力、彈力、摩擦力等內容的深化，還為后面學習共點力的平衡和牛頓第一、二定律等內容做了必要鋪墊，起到了承上啟下的作用。根據教科書的內容和《課程標準》的要求，本節課在核心素養目標方面應達成以下四個方面的要求（見表1）。

教學重點：實驗探究“力的合成和分解”的規律。

教學難點：在“力的合成和分解”實驗模型中學會運用等效替代的物理思想，并理解矢量求和的平行四邊形定則。^［5］

3 分析學情

在初中物理教學中，學生已初步接觸了合力與力的合成。通過對第三章前3節內容的學習，學生對力、重力、彈力和摩擦力等內容已經有了比較深入的認識和把握。通過對第一章“運動的描述”內容的學習，學生對位移、速度和加速度等矢量也有了一定的理解。這些內容的學習為學生學習本節課奠定了必要的知識基礎。但高中物理新接觸的知識——“矢量運算”，并非簡單的代數加減，而是遵循平行四邊形定則的運算規則。矢量運算所涉及的數學方法對學生提出了較高要求，也為本節課的教學帶來了挑戰。

4 教學過程

本文的具體教學流程如圖3所示，接下來將分為三環進行論述。

4.1 第一環——課前環節

情境1：學習小組代表展示自學成果，提出自學中存在的問題和疑惑。

情境2：教師結合學情，展示教學目標，明確教學重難點。

設計意圖：設計理念是對于學生已經掌握的內容，教師無需再講解；對于學生能夠自學掌握的內容，教師鼓勵他們自行學習；對于學生能夠通過相互交流解決的問題，教師倡導他們互相討論。教師的任務是重點點撥關鍵的知識難點。提前預習的目的是讓學生對本節課要學習的知識做到心中有數，使學生明確自己學習的難點、困惑點，從而有針對性地學習。教師通過了解學情、適當調整教學，幫助學生真正解決學習中的困難。

4.2 第二環——課中環節

4.21 展示目標，體驗情境

情境1：通過多媒體課件圖片展示蜘蛛織網。如果蜘蛛網上的一根絲斷了，網會倒向哪邊？

情境2：圖4中大人和兩個小孩分別用相同的水桶提一桶質量相同的水，并保持水桶靜止。請嘗試畫出作用在水桶上的力的方向。

設計意圖：物理教學要創設一個學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，以吸引學生注意力，激發學生的學習興趣，從而培養和發展學生的自主學習能力。蜘蛛織網和水桶提水的情境都是學生日常生活中容易觀察到的現象。教學實踐表明，教師積極創設貼近學生生活實際的問題情境，能夠激發學生的好奇心，使學生在已有的認知經驗的基礎上，積極思考新的物理問題，促進他們的認知發展。

4.2.2 提出問題，聚焦問題

教師提問：大人用一個力F 提一桶水，使得水桶保持靜止。兩個小孩用力F₁、F₂共同提同一桶水，使水桶保持靜止（見圖5）。你能得出什么結論？

教師讓學生通過觀察圖片，思考可以得出的結論。在學生思考的基礎上，教師總結等效替代的物理思想和合力、分力的概念。

設計意圖：課堂問題的設置應具有針對性，緊密關聯學習目標，并適當挑戰學生的思維能力，以促進學生的積極思考和學習目標的實現。通過列舉學生熟悉的提水桶場景，教師可以通過設問引導學生思考，使他們直觀地感受到合力與分力之間的等效替代關系，從而樹立合力和分力的物理觀念。這種設計有助于在真實情境下提升學生解決學科問題的能力，促進學生核心素養的發展。

4.2.3 組織活動，合作探究

教師演示動畫，引導學生歸納同一直線上二力的合成方法：直接相加減（同向相加，反向相減）（見圖6、圖7）。然后，教師組織學生進行實驗，探究兩個互成角度的力的合成規律。

實驗目的：探究兩個互成角度的力的合成規律。

實驗器材：兩個彈簧測力計、橡皮條、細繩、木板、白紙、圖釘、刻度尺等。

實驗步驟如下。

步驟1：用兩個彈簧測力計共同拉在橡皮條，使橡皮條的結點從E點運動到O點。記下兩個彈簧測力計的示數F₁、F₂的大小和方向。

步驟2：只用一個彈簧測力計將同一個橡皮條的結點從E點拉至O點。記下合力F的大小和方向。

步驟3：使用同一標度，將三個力作用在同一點的圖示畫出來，觀察它們之間的圖形關系。

實驗結論：在實驗誤差允許的范圍內，兩個力的合力為以表示這兩個分力的有向線段為鄰邊作出的平行四邊形的對角線所代表的力（見圖8）。教師播放力的合成的平行四邊形定則視頻，總結實驗規律，并強調作圖注意事項（見圖9）。

接著，教師提出一系列問題。

問題1：仔細觀察下面圖形中分力F₁、F₂和合力F，你能得出什么結論？合力在什么條件下最大，什么條件下最小？如何確定合力的范圍？（見圖10）

問題2：如果兩個或更多的共點力作用在一個物體上，怎樣應用平行四邊形定則求出它們的合力？

問題3：我們知道了如何求互成角度的兩個力的合力，那么如何求一個合力的分力呢？

在物理學中，我們把求一個力的分力的過程叫作力的分解。如果上述實驗中，先用一個彈簧測力計通過細繩把橡皮條的結點拉到位置O，然后再用兩個彈簧測力計把橡皮條的結點拉到相同的位置O，你能得到什么結論？如果沒有限制，同一個力F可以分解為多少對分力？

學生通過實驗探究力的分解規律，教師總結道：“由于各個力的數據都沒有改變，因此，力的分解也遵循平行四邊形定則。”若沒有限制，同一個力可以分解為無數對大小、方向不同的分力（見圖11）。按力的作用效果進行分解，對斜向上拉物體的力F的分解（見圖12），F的作用效果包括水平向右拉物體和豎直向上提物體。斜面上物體重力的分解如圖13所示。重力G的作用效果包括使物體沿斜面向下滑和使物體垂直向下壓緊斜面。

由此引入矢量和標量的概念：矢量是既有大小又有方向的物理量，其運算法則遵循平行四邊形定則，例如力、位移、速度、加速度、電場強度、動量等。標量是只有大小而沒有方向的物理量，其運算法則遵循算術法則，例如質量、路程、功、電流等。^［6］

設計意圖：物理學科是一門實驗科學，因此要重視物理實驗的教學。讓學生親自動手做實驗，可以提升他們的實驗能力，并進一步深化他們對知識的理解。教師引導下的分組討論和實驗設計能有效培養學生的實驗設計能力。通過兩次猜想分力與合力之間的圖形關系，學生可以加深對矢量的理解，體會矢量與標量的區別。這不僅有助于學生突破思維定式，還能培養他們的抽象概括能力、科學建模能力和科學論證能力。

4.2.4 交流評價，反饋矯正

歷史上，斯蒂文通過對斜面上物體和鏈條的平衡（見圖14、圖15）的研究最早提出了力的合成和分解原理，并認為力的合成和分解原理遵循三角形定則。^［7］牛頓在其經典著作《自然哲學的數學原理》中大膽地提出力的合成和分解遵循平行四邊形定則（見圖16）。^［8］平行四邊形定則

的發現歷史對于我們有重要的啟發意義。教師要求學生結合兩位科學家的研究歷程和觀點演進，談談對自己的啟示。學生自然地體會到平行四邊形定則的發現經歷了曲折的過程，它凝聚了斯蒂文、牛頓等眾多科學家的心血。我們應該學習科學家們嚴謹求實、勇于創新的精神。

設計意圖：高中物理學科在立德樹人方面扮演著重要角色。結合物理學史讓學生了解科學家探究和發現物理定律、定則的歷程，可以有效培養學生的物理學科核心素養。通過探討力的合成和分解所遵循的平行四邊形定則的發現歷程，學生能夠領悟到許多重大發現背后科學家們的艱辛探索。這不僅有助于學生學習科學家們的探究精神，錘煉個人品質，從而激勵他們勇攀科學高峰，還能進一步促進高中物理課程中的思政教育。

4.2.5 應用提升

教師用PPT展示課本例題，指導學生用作圖法求合力。學生讀題，審題，嘗試解題。小組展示，互相點評。教師引導學生分析解題步驟，進行解題演示。

設計意圖：物理課堂教學要重視例題教學，從培養學生物理學科核心素養角度開展習題教學，采取師生合作等多種方式，充分調動學生應用課堂所學知識解決典型問題的積極性。教師在引導學生審題、讀題規范和解題的過程中，幫助學生掌握典型題目的解題步驟、方法和能力。這樣的教學可以培養學生應用所學知識解決問題的能力，同時提升他們的交流、評估和反思能力。

4.2.6 課堂總結

教師引導學生回顧本節課的收獲，并在PPT上展示課堂小結。

設計意圖：教師在對本節課知識進行詳細分析的基礎上，為了克服知識“零散化”的弊端，有必要對所學知識進行整合，幫助學生形成一個完整的知識體系，并理解知識點之間的內在聯系。通過讓學生分享本節課的收獲，教師及時給予積極的肯定性評價，將這一過程作為促進學生學習和發展的重要手段。

這樣的教學活動可以培養學生建構知識體系的能力，幫助他們進一步理解和內化所學知識，從而形成力的合成和分解的全面知識框架。

4.3 第三環——課后環節

課后作業包括書面作業和探究作業：分力方向不變，大小增大，合力將如何變化？（作出力的圖示）兩個分力的大小不變，方向改變，合力將如何變化？多個力作用在物體上，你會求合力嗎？你會用正交分解法求分力嗎？

設計意圖：在不額外增加學生作業負擔的前提下，教師布置適量的課后作業對于學生鞏固所學知識、檢測學習效果、內化知識和增強知識的應用能力具有重要價值。教材中的習題具有典型性，能夠有效地幫助學生掌握本課必備知識、形成關鍵能力。通過布置課本習題，教師可以增加學生做題練習的實踐機會，幫助學生克服在實際操作中遇到的困難。此外，布置一道綜合性的探究題，旨在培養學生的創新思維，并對本節課的重點內容進行進一步總結。

5 結語

在深化教育評價改革，持續推進新課程、新教材、新高考的改革和素質教育的背景下，學科核心素養的培育受到了空前的重視。以素養為導向的“三環四步”教學模式在我校及省市學校的課堂教學中得到了廣泛的應用。實踐證明，這是一種行之有效的教學模式。在今后的教學實踐中，我們將進一步推廣和完善該教學模式，繼續優化操作條件和流程，并基于教學反饋和評價進行深入研究。

參考文獻

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［3］張修文，陳文鑫. “力的合成”教學設計［J］. 物理教學探討，2017（3）：64-67，70.

［4］［5］蘇豪，韓禮剛，潘留占. SNP教學模式下的高中物理教學設計——以“力的合成和分解”為例［J］. 物理教學探討，2023，41（4）：30-34.

［6］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心. 普通高中教科書 物理 必修 第一冊［M］. 北京：人民教育出版社，2019：72-75.

［7］儲方宣. 追溯“力的平行四邊形定則”的由來［J］. 物理教學探討，2007（5）：21-22.

［8］［英］牛頓. 漢譯世界學術名著叢書 自然哲學的數學原理［M］. 趙振江，譯. 北京：商務印書館，2006：17-20.