基于物理核心素養(yǎng)的PBL教學(xué)實(shí)踐

連彬星 黃暉

摘? ?要：PBL教學(xué)是以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，教師幫助引導(dǎo)，從真實(shí)問題情境出發(fā)建構(gòu)物理模型，引出學(xué)習(xí)任務(wù)。通過小組成員之間團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)結(jié)果進(jìn)行反思修正。經(jīng)歷問題解決的過程，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，形成解決問題的技能，提升學(xué)生關(guān)鍵能力。本文以“共點(diǎn)力的平衡”為例，通過學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)引入共點(diǎn)力的概念，從二力平衡推導(dǎo)三力平衡條件，根據(jù)平行四邊形定則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并利用力的圖示進(jìn)行作圖探究。學(xué)生得到三力平衡條件后，在實(shí)際情境中進(jìn)行驗(yàn)證——利用三力平衡條件測(cè)量燈籠的重力，最終解決生活中風(fēng)吹燈籠的實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);PBL教學(xué);共點(diǎn)力;生活情境;問題導(dǎo)向;三力平衡

1? 關(guān)于PBL教學(xué)模式

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法（problem-based learning，簡(jiǎn)稱PBL），是從真實(shí)問題情境出發(fā)，以學(xué)生為中心的教育模式。PBL學(xué)習(xí)的核心是從傳統(tǒng)教育中的被動(dòng)學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”理念，讓學(xué)生成為主動(dòng)學(xué)習(xí)者而不再是被動(dòng)學(xué)習(xí)[ 1 ]。PBL強(qiáng)調(diào)學(xué)生不能被動(dòng)學(xué)習(xí)，不能再遵循傳統(tǒng)教學(xué)中的以教師講授為主的模式。學(xué)生將沉浸于問題中，在真實(shí)的問題情境中，學(xué)生通過自主探究和小組合作來解決問題，從而習(xí)得隱含在問題背后的與物理相關(guān)的知識(shí)，提高自主學(xué)習(xí)的能力和解決問題的技能[ 2 ]。筆者以“共點(diǎn)力的平衡”為例，探討在PBL教學(xué)實(shí)踐中如何落實(shí)物理核心素養(yǎng)。

2? PBL課堂教學(xué)準(zhǔn)備

在學(xué)習(xí)之前，先分析好教材、學(xué)情和目標(biāo)，有利于更有針對(duì)性的落實(shí)物理核心素養(yǎng)。

1.1? 教材分析

本節(jié)課為魯科版新教材高中物理必修第一冊(cè)，第4章力與平衡，第3節(jié)共點(diǎn)力的平衡。在初中的時(shí)候，學(xué)生初步學(xué)習(xí)了二力平衡的知識(shí)，共點(diǎn)力的平衡是在學(xué)習(xí)了“力的合成”和“力的分解”基礎(chǔ)上的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，它也是下一章牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)，它在本章甚至整個(gè)高中物理都扮演者重要的角色。這一節(jié)會(huì)涉及很多生活常見情境，從真實(shí)情境中提出問題，建構(gòu)模型并解決問題，在探索解決問題過程中落實(shí)物理核心素養(yǎng)。

1.2? 學(xué)情分析

本課教學(xué)的對(duì)象是高一學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分析，知道二力平衡的受力特點(diǎn)，初步理解力的平衡和力的分解，在解決問題過程中能運(yùn)用數(shù)學(xué)三角函數(shù)知識(shí)。從生活情境出發(fā)，通過小組合作轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ姷奈锢砟Ｐ?，運(yùn)用共點(diǎn)力的平衡條件解決實(shí)際問題。

1.3? 學(xué)習(xí)目標(biāo)[ 3 ]

物理觀念：初步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，能用物理解釋一些簡(jiǎn)單的力平衡現(xiàn)象，能應(yīng)用平衡條件解決一些簡(jiǎn)單的實(shí)際問題?？茖W(xué)思維：能在簡(jiǎn)單的力平衡情境中應(yīng)用常見物理模型，能對(duì)簡(jiǎn)單的平衡現(xiàn)象進(jìn)行分析推理，能用證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)。科學(xué)探究：根據(jù)力平衡現(xiàn)象建立模型，提出相關(guān)物理問題，能根據(jù)已有器材設(shè)計(jì)科學(xué)探究方案并使用基本儀器獲得數(shù)據(jù)得到結(jié)論?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識(shí)到物理能對(duì)自然界中力平衡現(xiàn)象進(jìn)行解釋，對(duì)自然抱有好奇心，具有實(shí)事求是的物理精神。

1.4? 重難點(diǎn)

本節(jié)課的重點(diǎn)是物體在共點(diǎn)力作用下的平衡條件。難點(diǎn)是平衡條件的應(yīng)用。

3? PBL課堂教學(xué)流程

學(xué)習(xí)活動(dòng)流程圖（如圖1）：

活動(dòng)1學(xué)生實(shí)驗(yàn)及討論：通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)共點(diǎn)力概念。

活動(dòng)2分組實(shí)驗(yàn)：回顧二力平衡，演示三力平衡并探究三力平衡條件。

活動(dòng)3理論推理：從三力平衡的條件推理到多力平衡，總結(jié)出共點(diǎn)力的平衡條件。

活動(dòng)4實(shí)踐應(yīng)用：用實(shí)際物體來驗(yàn)證共點(diǎn)力平衡條件，并用其研究解決生活實(shí)際問題。

4? 主要實(shí)施環(huán)節(jié)

4.1? 引入重點(diǎn)知識(shí)概念：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

四人一組，3人拉住細(xì)繩使圓環(huán)保持靜止，另1人記錄拉力的作用點(diǎn)與方向。（如圖2）

問1：觀察這些力的方向有什么特點(diǎn)？

答：力的方向延長后會(huì)交于一點(diǎn)。

觀察本組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是否延長后都交于一點(diǎn)。

在實(shí)際問題中，一個(gè)物體受到幾個(gè)力的作用，如果這些力作用于物體上同一點(diǎn)，或者幾個(gè)力的作用線（反向延長線）相交于一點(diǎn)，這幾個(gè)力叫共點(diǎn)力[ 4 ]。從而引出共點(diǎn)力概念。

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)，引出共點(diǎn)力概念，不僅可以活躍課堂氣氛還能為之后研究共點(diǎn)力平衡條件做好鋪墊和準(zhǔn)備。

4.2? 問題驅(qū)動(dòng)：從二力平衡到三力平衡

問2：如果一個(gè)物體只受兩個(gè)力的作用，這兩個(gè)力等大反向共線，那這個(gè)物體處于什么狀態(tài)？答：物體處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。這兩種狀態(tài)是平衡狀態(tài)。

問3：那如果物體受到三個(gè)共點(diǎn)力作用，并保持平衡，請(qǐng)問這三個(gè)力要滿足什么關(guān)系？

帶著這個(gè)問題前我們來看一下講臺(tái)桌前的這些儀器。忽略繩子重力和滑輪摩擦力，同一根繩子上力的大小處處相等，三個(gè)力同時(shí)作用于一點(diǎn)，使這個(gè)點(diǎn)保持靜止，請(qǐng)問這三個(gè)力有怎樣的定量關(guān)系？（如圖3）

學(xué)生可以相互討論。請(qǐng)一個(gè)小組來分享。

答：OA、OB這兩個(gè)方向上力的合力與OC方向的第三個(gè)力等大反向。

問4：思考怎樣才能說明真的是等大反向？眼見為實(shí)，我想看到力，怎么辦到？

引導(dǎo)回答：畫力的圖示，用平行四邊形定則把三個(gè)力精確畫出，兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力進(jìn)行比較。

設(shè)計(jì)意圖：回顧初中二力平衡條件，先理論上從二力平衡推導(dǎo)到三個(gè)力平衡的條件。平衡時(shí)三力合力為零，也就是說其中兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力肯定大小相等、方向相反，這對(duì)于學(xué)生來講是比較容易說出的。但是怎么證明真的就是大小相等方向相反，需要眼見為實(shí)，給出確切的證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生用力的圖示來表示。由于學(xué)生已經(jīng)做過驗(yàn)證平行四邊形定則的實(shí)驗(yàn)，所以容易聯(lián)想到類似的操作與原理。

4.3? 團(tuán)隊(duì)協(xié)作、反思修正：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并探究三力平衡的條件

凌空畫圖比較困難，能不能利用桌上的儀器（三個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)、繩套、白紙、刻度尺）來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：探究三力平衡的條件？請(qǐng)大家討論一下。請(qǐng)一個(gè)小組派代表來說一說。

問5：你們打算怎么做？要測(cè)量記錄哪些量？

請(qǐng)一個(gè)小組派代表說說，組員可以相互補(bǔ)充，引導(dǎo)說清楚步驟。

開始實(shí)驗(yàn)探究（四人一組）。

探究之后，請(qǐng)兩個(gè)小組派代表來投影分享。（如圖4）

本組學(xué)生自評(píng)：評(píng)價(jià)本組的數(shù)據(jù)記錄和作圖方面做得還不夠的地方。其他小組互評(píng)：評(píng)價(jià)其他組做得好，值得大家學(xué)習(xí)的地方。教師點(diǎn)評(píng)細(xì)節(jié)并鼓勵(lì)。（多提供機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能夠主動(dòng)地、積極地表達(dá)自己的觀點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力及熱情）

通過觀察大家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盡管或多或少存在有一定的誤差，但都趨于指向同一個(gè)結(jié)果：其中兩個(gè)力的合力大小與第三個(gè)力接近相等;方向與第三個(gè)力接近相反。從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，有理由相信：當(dāng)三力平衡時(shí)，兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力等大反向共線。

問6：如果四個(gè)力呢？它們的平衡條件是什么？答：將三個(gè)力合成一個(gè)力，與另一個(gè)力等大反向。

問7：如果是N個(gè)力呢？答：除一個(gè)力外，其他所有力的合力與剩下的這個(gè)力等大反向。

問8：最后這兩個(gè)力再合成后將是什么樣？——合力為零。

問9：請(qǐng)用一句話概括一下共點(diǎn)力平衡的條件？——物體所受的合外力為零。

問10：我們學(xué)過力的分解，如果把這些力分解到兩個(gè)垂直的方向，問在這兩個(gè)方向上的合力？——分別也都是零。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)三力平衡的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并探究，再次體會(huì)力的等效替代法，學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，使用彈簧測(cè)力計(jì)、細(xì)繩等常見器材收集數(shù)據(jù)，利用力的圖示精確畫出三個(gè)力的大小與方向，尋找兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力的關(guān)系，得到初步結(jié)論后與猜想進(jìn)行比較。通過交流分享，能使用收集的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)。通過追問，引導(dǎo)學(xué)生說清共點(diǎn)力平衡的條件。從三個(gè)力過渡到N個(gè)力，最終得到共點(diǎn)力平衡的條件——合外力為零。

4.4? 自主學(xué)習(xí)、持續(xù)研究：用實(shí)際問題來驗(yàn)證三力平衡條件

運(yùn)用三力平衡的條件，測(cè)量實(shí)際物體的重力，比如燈籠的重力。還是利用剛才的器材，滑輪、細(xì)繩與鉤碼來測(cè)量。

問11：怎么利用剛才的器材來測(cè)燈籠的重力？ 答：把燈籠掛OC（圖3），為了計(jì)算簡(jiǎn)便在兩邊OA、OB掛一樣數(shù)量的鉤碼。先進(jìn)行受力分析。

問12：對(duì)哪個(gè)點(diǎn)進(jìn)行受力分析？——結(jié)點(diǎn)（強(qiáng)調(diào)選對(duì)研究對(duì)象的重要性）。

問13：實(shí)驗(yàn)中需記錄哪些物理量？——每個(gè)鉤碼的重力、個(gè)數(shù)和兩個(gè)拉力之間的夾角。

在兩邊各掛兩個(gè)鉤碼，用帶角度的圓規(guī)（如圖5）測(cè)出兩繩拉力的夾角大小。

請(qǐng)學(xué)生計(jì)算結(jié)束之后交流分享。（大部分學(xué)生都能算出正確的結(jié)果，燈籠質(zhì)量28 g左右）再用電子天平驗(yàn)證，質(zhì)量27.6 g（如圖6）。

把兩次結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)誤差很小，其中繩與滑輪的摩擦力是誤差主要來源之一。同時(shí)也驗(yàn)證了三力平衡條件的正確性。

設(shè)計(jì)意圖：通過測(cè)量燈籠的實(shí)際重力，讓學(xué)生體會(huì)用共點(diǎn)力的平衡條件來分析和解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題。在計(jì)算過程中學(xué)生能運(yùn)用數(shù)學(xué)中的三角函數(shù)、幾何關(guān)系等對(duì)力與平衡的問題進(jìn)行定量計(jì)算。通過對(duì)比理論和最后的實(shí)際結(jié)果，也很好地驗(yàn)證了三力平衡條件的正確性。根據(jù)力平衡現(xiàn)象建立模型，提出相關(guān)物理問題，能根據(jù)已有器材設(shè)計(jì)科學(xué)探究方案并使用基本儀器獲得數(shù)據(jù)得到結(jié)論，在研究過程中提升學(xué)生科學(xué)探究的能力。

4.5? 真實(shí)情境、成果展示：解決實(shí)際問題

現(xiàn)實(shí)情境引入：播放風(fēng)吹燈籠視頻（如圖7）

問14：想要測(cè)量實(shí)際的風(fēng)力大小，請(qǐng)問該如何根據(jù)真實(shí)情境進(jìn)行研究？答：把情境轉(zhuǎn)化為物理模型（建模）。

問15：需要構(gòu)建怎樣的物理模型？讓學(xué)生討論后畫一畫（如圖8）。

問16：在上個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們已求得燈籠的質(zhì)量，現(xiàn)在要想計(jì)算水平風(fēng)力與繩受到的拉力大小，還需要測(cè)量哪些物理量？答：傾斜角度，即細(xì)繩與豎直方向的夾角。

用電風(fēng)扇模擬水平穩(wěn)定風(fēng)力，燈籠用細(xì)繩掛鐵架臺(tái)上，風(fēng)吹起燈籠發(fā)生傾斜。

如何測(cè)量傾斜角度？在鐵架臺(tái)上固定示教量角器，讓學(xué)生讀出角度，由于角度不特殊，需要學(xué)生用計(jì)算器算出此角度的正弦與余弦值。然后再請(qǐng)學(xué)生說說解決這個(gè)問題思路。

答：以燈籠為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行受力分析，由于燈籠受到三個(gè)力的作用并處于平衡狀態(tài)，可以用合成法或者正交分解進(jìn)行求解。

請(qǐng)兩位學(xué)生上來板書，其他同學(xué)在草稿本上計(jì)算水平風(fēng)力與繩子拉力大小。提醒用刻度尺作圖。兩位學(xué)生寫好后，請(qǐng)學(xué)生先來點(diǎn)評(píng)，之后教師再對(duì)二者分別點(diǎn)評(píng)，特別注意解題規(guī)范要求。發(fā)現(xiàn)合成法和正交分解兩種方法殊途同歸，都能很好地解決這個(gè)問題。

現(xiàn)在能計(jì)算水平風(fēng)力大小，課后同學(xué)們可以通過查資料，尋找風(fēng)力大小與風(fēng)速、風(fēng)的級(jí)數(shù)之間的關(guān)系，并思考天氣預(yù)報(bào)中如何預(yù)測(cè)風(fēng)的等級(jí)。

設(shè)計(jì)意圖：從現(xiàn)實(shí)情境引入，最后再回到現(xiàn)實(shí)生活。體現(xiàn)物理源于生活，從物理走向社會(huì)的理念。體會(huì)在真實(shí)情境下物理學(xué)方法的作用及意義，培養(yǎng)學(xué)生轉(zhuǎn)化物理模型的能力，能用不同的方法解決共點(diǎn)力平衡相關(guān)問題，提高解題規(guī)范性與嚴(yán)謹(jǐn)性，傳達(dá)愛生活愛物理更要愛悟理的思想。

5? 總結(jié)反思

對(duì)共點(diǎn)力作用下的物體，學(xué)生在初中學(xué)過二力平衡，通過實(shí)驗(yàn)探究得出一般的三力平衡的條件，實(shí)驗(yàn)要求用力的圖示精確畫圖，讓學(xué)生有更多感性認(rèn)識(shí)和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的態(tài)度。從三力平衡再到多力的情況，進(jìn)一步理解共點(diǎn)力平衡條件。在生產(chǎn)和生活的具體情境中用共點(diǎn)力平衡條件來分析物理問題，對(duì)學(xué)生而言不簡(jiǎn)單。要注意引導(dǎo)，把具體情境轉(zhuǎn)化成學(xué)生熟悉的物理模型，用相關(guān)的物理規(guī)律來分析。在學(xué)生做題時(shí)候要重視解題過程的規(guī)范性，作圖的嚴(yán)謹(jǐn)性，及時(shí)作出點(diǎn)評(píng)。最后提出天氣預(yù)報(bào)中風(fēng)力的等級(jí)問題，給學(xué)生留點(diǎn)懸念，以便課后進(jìn)一步探究。

物理源于生活，生活亦是悟理。PBL教學(xué)理念與核心素養(yǎng)的達(dá)成相輔相成，學(xué)生通過生活實(shí)際問題的發(fā)現(xiàn)和提出，促進(jìn)物理觀念的形成;從生活情境出發(fā)，建構(gòu)物理模型可以提升學(xué)生的科學(xué)思維;對(duì)問題定量分析，通過小組合作的探究過程離不開科學(xué)探究;在解決問題過程中實(shí)事求是、尊重事實(shí)、并回饋于生活，形成科學(xué)責(zé)任和態(tài)度。

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