基于情景載體的教學(xué)設(shè)計(jì)研究*——以省級(jí)賽課“共點(diǎn)力的平衡”教學(xué)為例

陳中海 唐 杰 王紹剛

(重慶市九龍區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院 重慶 400050)

周 穎

(重慶市楊家坪中學(xué) 重慶 400050)

教育部考試中心于2019年11月發(fā)布了《中國高考評(píng)價(jià)體系》以及《中國高考評(píng)價(jià)體系說明》，該評(píng)價(jià)體系簡稱為“一核四層四翼”，其中“一核”為考查目的，即“立德樹人、服務(wù)選材、引導(dǎo)教學(xué)”;“四層”為考查內(nèi)容，即“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識(shí)”;“四翼”為考查要求，即“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”.而情境是實(shí)現(xiàn)“四層”“四翼”考查要求的載體，對(duì)考查和培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.[1]體系中的“情境”是指運(yùn)用文字、數(shù)據(jù)、圖表等形式，圍繞一定主題加以設(shè)置的，為呈現(xiàn)解題信息、設(shè)計(jì)問題任務(wù)、達(dá)成測評(píng)目標(biāo)而提供的載體.是為激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知建構(gòu)與素養(yǎng)表現(xiàn)搭建的平臺(tái)，影響學(xué)生分析與解決問題的策略與表現(xiàn).[2]結(jié)合物理學(xué)科考查實(shí)際，基于知識(shí)應(yīng)用和產(chǎn)生方式的不同可將“情景”分為生活實(shí)踐問題情景和學(xué)習(xí)探索問題情景兩類，是考查和培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的重要載體.

基于此，為全面有效地反應(yīng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)水平，以“情景”為載體培養(yǎng)學(xué)生的必備知識(shí)和關(guān)鍵能力在日常教學(xué)中是比較有效的教學(xué)途徑.本文以新人教版物理必修第一冊(cè)第三章第5節(jié)“共點(diǎn)力的平衡”新課教學(xué)為例，針對(duì)新課標(biāo)、新人教版教材的要求，從“教學(xué)目標(biāo)”“新課引入”“教學(xué)重點(diǎn)”“教學(xué)難點(diǎn)”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等方面以“情景”為載體創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì).

1 基于情景載體 制定教學(xué)目標(biāo)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求，將力的合成和分解從“理解”調(diào)整為“了解”，“用力的合成和分解分析生活問題”調(diào)整為“用共點(diǎn)力的平衡條件分析生產(chǎn)生活問題”，降低了力的合成與分解的要求，而共點(diǎn)力平衡成為了核心知識(shí).結(jié)合核心素養(yǎng)及 “一核四層四翼”的考查要求制定了“共點(diǎn)力的平衡”的教學(xué)目標(biāo)，如表1所示.

表1 共點(diǎn)力的平衡教學(xué)目標(biāo)

續(xù)表1

2 基于生活實(shí)踐情境 引入新課教學(xué)

設(shè)計(jì)意圖：通過設(shè)置懸念情境，激發(fā)學(xué)生的課堂求知欲.如圖1所示，為響應(yīng)國家“五育”并舉，健康第一的教育理念，在物理課堂教學(xué)中滲透體育，創(chuàng)設(shè)生活中常見的引體向上情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過設(shè)疑，使學(xué)生產(chǎn)生疑惑和好奇，為共點(diǎn)力的平衡教學(xué)作鋪墊.

圖1 學(xué)生挑戰(zhàn)不同難度的引體向上

師：大家請(qǐng)看，這是體育課上用來做引體向上的單杠設(shè)備.我們班哪個(gè)學(xué)生是玩這個(gè)的高手，來給大家演示一下.

師：老師這兒有3個(gè)等級(jí)挑戰(zhàn)，你可以選擇.紅色：難度系數(shù)5顆星，黃色：4顆星，藍(lán)色：3顆星(5星級(jí)兩手間夾角最大).

師：既然是高手，那就從5星級(jí)開始挑戰(zhàn)(第一次挑戰(zhàn)失敗).第二次，你想挑戰(zhàn)哪個(gè)星級(jí)？

生：第二次挑戰(zhàn)3顆星(按照規(guī)定輕松完成動(dòng)作).

師：現(xiàn)在，老師要采訪一下這位同學(xué)，你在挑戰(zhàn)不同星級(jí)的時(shí)候，有什么感受？

生：5星級(jí)最難，3星級(jí)最輕松.

師：5星級(jí)最難，這是為什么呢？帶著這個(gè)疑問進(jìn)入我們今天的學(xué)習(xí)——共點(diǎn)力的平衡. (板書)

3 基于生活實(shí)踐情境組織新課教學(xué)

3.1 展示生活情境 建構(gòu)共點(diǎn)力平衡概念

設(shè)計(jì)意圖：如圖2所示，展示學(xué)生熟悉的重慶地標(biāo)、網(wǎng)紅景點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖片中的物體進(jìn)行受力分析，建構(gòu)平衡的概念、共點(diǎn)力的概念，強(qiáng)化物理觀念.

圖2 重慶的網(wǎng)紅景點(diǎn)

師：重慶是一個(gè)網(wǎng)紅城市(展示重慶網(wǎng)紅景點(diǎn)如圖2所示)，作為物理老師，我發(fā)現(xiàn)了很多平衡之美，這些物體都是處于靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是我們學(xué)過的什么狀態(tài)呢？

生：平衡狀態(tài).

師：處于平衡狀態(tài)的這些物體，對(duì)其進(jìn)行受力分析.當(dāng)老師把力的作用線延長，這些力有什么特點(diǎn)呢？

生：(a)、(b)、(c)的力或力的作用線能交于一點(diǎn)，(d)、(e)、(f)的不能交于一點(diǎn).

師：很好，我們把能交于一點(diǎn)或作用線能交于一點(diǎn)的力叫做共點(diǎn)力.

師：而這些不能交于一點(diǎn)的則為非共點(diǎn)力，今天我們要探究的重點(diǎn)是共點(diǎn)力的平衡，那物體在共點(diǎn)力作用下平衡的條件是什么呢？ (提出問題)

3.2 探索問題情境 突破共點(diǎn)力平衡條件教學(xué)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)思維能力和歸納演繹能力是重要的教學(xué)目標(biāo)，雖然本節(jié)教材中沒有共點(diǎn)力平衡的實(shí)驗(yàn)安排，但在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，以“力的合成”為基礎(chǔ)，利用等效替代的思想將復(fù)雜的3力、4力、5力平衡轉(zhuǎn)化為符合學(xué)生認(rèn)知的2力平衡，再用歸納演繹的思想推廣到N個(gè)共點(diǎn)力平衡滿足的條件為F合=0.同時(shí)采用SCL(Students Center Learning，教育面向全體學(xué)生)的方式組織教學(xué)，讓每一位學(xué)生自主參與學(xué)習(xí).

3.2.1 任務(wù)1：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

如圖3(a)和(b)所示，根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材(木板、圖釘、彈簧測力計(jì)、橡皮擦、直尺、系有繩套的輕質(zhì)小圓盤、等距同心圓坐標(biāo)紙)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.

圖3 共點(diǎn)力平衡實(shí)驗(yàn)

問題：(1)怎樣證明物體受3力平衡合力為零？受4力平衡合力為零？

(2)實(shí)驗(yàn)中我們需要記錄哪些物理量？

(3)實(shí)驗(yàn)中我們?cè)鯓又庇^描繪出這些物理量？

實(shí)驗(yàn)方案：利用自制的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn).將系有繩套的輕質(zhì)小圓盤與等距同心圓坐標(biāo)紙最小直徑圓重合(小圓盤與等距同心圓坐標(biāo)紙的最小圓直徑相同，目的是確保拉力的反向延長線能交于坐標(biāo)紙的圓心，即圓心為共點(diǎn)力的作用點(diǎn)，便于作圖)，用3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)彈簧測力計(jì)互成任意角度拉細(xì)繩套，記下每個(gè)測力計(jì)的示數(shù)及方向，如圖3(c)所示.

3.2.2 任務(wù)2：分組探究3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)共點(diǎn)力平衡的條件

分組實(shí)驗(yàn)1：兩組同學(xué)利用自制實(shí)驗(yàn)器材探究3力平衡的條件.

分組實(shí)驗(yàn)2：兩組同學(xué)利用自制實(shí)驗(yàn)器材探究4力平衡的條件.

分組實(shí)驗(yàn)3：兩組同學(xué)利用自制實(shí)驗(yàn)器材探究5力平衡的條件.

師：這是老師拍攝的一組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(西沃授課助手拍照同步投屏)，如圖4所示.請(qǐng)小組代表說一下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，怎樣驗(yàn)證3力平衡合力為零呢？

圖4 三力平衡探究結(jié)果

生：先把F1和F2合成，看和力是否與F3等大、反向.(學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果)

師：你們的結(jié)論是？

生：3力平衡合力為零.

師：再來看一下4個(gè)共點(diǎn)力作用探究的結(jié)果，如圖5所示.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，怎樣驗(yàn)證4力平衡合力為零？

圖5 4力平衡探究結(jié)果

生：把F1和F2合成，F(xiàn)3和F4合成，看兩個(gè)合力是否等大、反向.(學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果)

師：漂亮，掌聲屬于他們.通過探究，3力或4力平衡的條件是F合=0(板書).

3.2.3 任務(wù)3： 歸納演繹，合理外推N個(gè)共點(diǎn)力平衡條件

師：那N個(gè)共點(diǎn)力平衡，物體的合力還為零嗎？

師：牛頓曾說：沒有大膽的猜測，就不會(huì)有偉大的發(fā)現(xiàn).伽利略利用沖淡重力的方法，加以合理外推來研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

師：我們也可以通過猜想，加以合理外推，N個(gè)共點(diǎn)力的平衡合力是？(滲透科學(xué)思維的培養(yǎng))

生：合力仍為零.

師：是這樣嗎？我們?cè)賮砜匆幌逻@組5個(gè)力探究的結(jié)果，如圖6所示.(體現(xiàn)科學(xué)探究的邏輯嚴(yán)密性，再用五個(gè)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證猜想)

圖6 5力平衡探究結(jié)果

師：漂亮，掌聲屬于他們.因此，通過探究，加以外推，共點(diǎn)力平衡的條件是：合力為零.(板書)

3.2.4 任務(wù)4：基于情景，抽象出物理模型

【學(xué)以致用，模型建構(gòu)】在做引體向上時(shí)，為什么5星級(jí)的難度最大呢？(若已知：人兩手間的夾角為θ，人的重力為G，求：兩手拉力F的大小)

設(shè)計(jì)意圖：模型建構(gòu)是一種重要的思維方式，教學(xué)過程中讓學(xué)生體會(huì)引體向上并非是平衡態(tài)，忽略過程中空氣阻力等次要因素的影響，抓住某個(gè)瞬間可以構(gòu)建共點(diǎn)力平衡模型的思維方法，并用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和平行四邊形作圖的方式來驗(yàn)證猜想，其結(jié)果如圖7所示.

師：現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們來揭秘一下，在做引體向上時(shí)，為什么5星級(jí)的難度最大呢？

師：剛才的過程可以簡化為這個(gè)模型[圖7(a)所示].

師：拍照展示同學(xué)推導(dǎo)的結(jié)果[圖7(b)所示]，根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果請(qǐng)分析：為什么5星級(jí)的難度最大呢？

圖7 引體向上受力分析

生：合力不變，兩手夾角越大，拉力F越大，越費(fèi)力.

師：同樣，利用平行四邊形定則作圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合力不變時(shí)，夾角增大，分力也增大，所以5星級(jí)難度最大.

4 基于生活實(shí)踐情境 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

設(shè)計(jì)意圖：介紹我國古代木拱橋獨(dú)有的“拱券結(jié)構(gòu)”(圖8所示)，讓學(xué)生體會(huì)古人的聰明才智，再讓學(xué)生用筷子搭“拱券結(jié)構(gòu)”(圖9所示)，親自體驗(yàn)生活中的平衡之美，最后以中國橋梁、航天技術(shù)、雜技表演中的平衡之美結(jié)尾，讓學(xué)生情感產(chǎn)生共鳴，培養(yǎng)學(xué)生從物理走向生活的意識(shí)，滲透STSE的教育理念.

圖8 木拱橋的“拱券結(jié)構(gòu)”

圖9 學(xué)生搭建的“拱券結(jié)構(gòu)”

師：古人的聰明才智讓我等敬佩，你們想挑戰(zhàn)嗎？看誰能在最短時(shí)間內(nèi)完成“拱券結(jié)構(gòu)”的搭建(學(xué)生用筷子搭“拱券結(jié)構(gòu)”).

生：展示 “拱券結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性.

師：那你們想見識(shí)一下老師這座橋的厲害嗎？我有一種想走上去的沖動(dòng)，有點(diǎn)害怕，大家掌聲鼓勵(lì)一下.(圖10所示，教師親自站上去，檢驗(yàn)“拱券結(jié)構(gòu)”堅(jiān)固性，將課堂推向高潮)

圖10 教師站上“拱券結(jié)構(gòu)”

師：這就是“拱券結(jié)構(gòu)”，平衡之美.

師：其實(shí)，生活中還有很多復(fù)雜的平衡之美.

中國的橋梁世界之最(圖11所示).

圖11 貴州六盤江大橋

降落傘回收航天器(圖12所示)，雜技演員用羽毛表演精彩絕倫的平衡術(shù)等(圖13所示).

圖12 回收“神州十號(hào)”航天器

圖13 雜技表演羽毛平衡術(shù)

師：中國作為東方大國從來沒有停止前進(jìn)的步伐，一座座中國橋，天塹變通途，航天技術(shù)更是領(lǐng)先世界水平.點(diǎn)贊為中國建設(shè)和發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的大國工匠們(培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，產(chǎn)生情感的共鳴).

5 總結(jié)

以情景為載體貫穿整個(gè)教學(xué)活動(dòng)，通過學(xué)生展示引體向上，創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生的求知欲，同時(shí)物理學(xué)科滲透體育，體現(xiàn)“五育”并舉的教育理念.通過展示重慶網(wǎng)紅景點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖片中的物體進(jìn)行受力分析，建構(gòu)共點(diǎn)力平衡的概念，強(qiáng)化了物理觀念.通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究、歸納演繹突破共點(diǎn)力平衡條件教學(xué)難點(diǎn).通過物理學(xué)科滲透STSE的教育理念、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，產(chǎn)生情感共鳴，將課堂教學(xué)推向高潮.本節(jié)教學(xué)以情景為載體，按新課程標(biāo)準(zhǔn)要求，創(chuàng)造、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，課堂教學(xué)效果較好，讓學(xué)生在情境中提升了物理觀念，在實(shí)踐中掌握了科學(xué)的思維方法，在探究中獲得了科學(xué)探究的能力，在情感升華中培養(yǎng)了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.