基于核心素养导向的高中物理教学案例研究

周长春

摘 要：根据《全民科学素质行动计划纲要》，物理课程应为学生今后生活和工作作准备。从“科学知识、科学方法、科学精神与态度、科学应用”4个方面，使学生养成终身发展所需的品格与关键能力，形成核心素养。笔者以“超重和失重”为例，分析了课标的要求、不同版本对课标的处理和学生学习中存在的典型错误认识，在此基础上，着重论述如何基于核心素养导向处理教材，最后分析超重和失重的本质。

关键词：物理核心素养；导向；教学案例

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）5-0028-4

高中《物理课程标准》，以提高全体学生的科学素养、促进学生的全面发展作为主要目标，《全民科学素质行动计划纲要（2006—2010—2020年）》将科学素养概括为“了解必要的科学技术知识，掌握基本的科学方法，树立科学思想，崇尚科学精神，并具有一定的应用它们处理实际问题、参与公共事务的能力。”物理课程作为一门自然科学领域的重要基础课程，在培养学生方面的价值体现在从科学知识、科学方法、科学精神与态度、科学应用4个方面为学生今后的生活和工作作准备，使学生养成终身发展所需的必备品格与关键能力，形成学生的物理学科核心素养。

1 课程标准中的内容标准

高中《物理课程标准》中“相互作用与运动规律”的内容标准：“……理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生活中的有关问题。通过实验认识超重和失重现象。”“相互作用与运动规律”的课堂活动建议：“通过各种活动，例如乘坐电梯、到游乐场乘坐过山车等，了解和体验失重与超重。”

“通过实验认识超重和失重现象”中的“认识”介于“了解”与“理解”之间。“了解”的含义包括“再认或回忆知识，识别、辨认事实或证据，举出例子，描述对象的基本特征”；“理解”的含义包括“把握内在逻辑联系，与已有知识建立联系，进行解释、推断、区分、扩展，提供证据，收集、整理信息等。”而认识超重和失重，是通过“实验”或“活动”来感受、体验超重是物体对支持面的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象，失重是物体对支持面的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象，超重现象和失重现象是视重相对真重而言，认识到物体处于超重和失重状态时，物体受到的重力并没有发生变化。

2 学生学习中的错误认识

学生学习超重和失重时，存在两个最常见的错误认识，一是认为超重是重力增加、失重是重力减少；二是认为加速度方向向下，一定失重。因此，超重和失重概念始终是物理课堂学习中的一大难点。造成这一困难的原因有3个方面：一是受“超”和“失”两个字的前概念误导，使学生认为超重和失重就是物理重量的增加和减少；二是课本中安排的实验太少，学生缺少对超重和失重现象，特别是对完全失重现象的体验和感性认识，学生从形象思维过渡到抽象思维的坡度太大；三是课本编排的内容有误导学生之嫌疑和教师对教材教学研究的力度不够。

3 不同版本对课标的处理

粤教版将“超重和失重”作为一级主题，下设“超重和失重、超重和失重的解释、完全失重现象”。素材有：用“人站在体重计上蹲下或站起的过程中，体重计的读数有何变化”编制的“观察与思考”栏目和“电梯静止或做匀速运动、电梯向上做匀加速运动、电梯向下做加速运动”配合解释超重和失重的3幅插图。课本在编排新课内容时，采用先后对比和对称编排超重和失重，没有编排超重和失重实验。体验挂在弹簧秤下的被测物体完全失重的“实验与探究”栏目编排在新课的后面。课本虽揭示了教学内容所隐含的社会文化价值，但所描述的情景与实际并不完全相符，如：电梯可能超重，应在启动前发出报警，若启动后再发出报警，已起不到安全的作用了。

人教版将“超重和失重”作为“用牛顿运动定律解决问题（二）”中的一个二级主题，在用例题来描述超重情境的基础上，定义什么是超重现象；素材有“人随电梯加速上升时，电梯启动”“制动时，体重计的读数怎样变化？”和“人站在体重计上下蹲、起立，也能看到超重和失重现象”两幅插图，课本重点是编排超重现象。这样编排形式类似于习题课后的拓展课，与课标“通过实验”的要求不适切，没有凸显“通过实验认识超重和失重现象”的要求。

沪科教版将“超重与失重”作为一级主题，下设“与航天员的对话”“什么是超重和失重”两个二级主题。编排了用手掌托一叠较重的书突然竖直上升或下降体验超重和失重实验和观察测力计示数变化的实验探究。对超重和失重采用并列、对称方式编排，从加速度的方向切入，同步对比，若加速度方向向上，分析超重现象；若加速度方向向下，分析失重现象。这样编排虽便于课后阅读，但不利于学生的核心素养培养，特别是不利于培养学生自主探究失重现象。

笔者认为，粤教版和沪科教版较好地凸显了通过实验认识超重和失重现象的要求，在处理超重与失重内容上，人教版较好地凸显了教师引导与学生自主学习的要求。但3个版本在处理超重和失重产生的条件上，均将加速度方向向下作为失重的原因、加速度方向向上作为超重的原因，这违背了力是产生加速度的原因，这与牛顿运动定律的相关内容不适切，容易引起学生误解。

4 基于核心素养导向来处理教材

实施物理核心素养导向的教学要求教师深入研究物理学发展的过程，清楚其中所蕴含的科学思想和方法，创设鲜活、真实的学习情境，带领学生领略物理学的价值，体验物理学研究过程的科学精神，促进他们科学素养的提升。

（1）指导学生合作完成“电梯里的超重和失重现象”微视频素材的拍摄，创设真实的问题情境。很多老师用网上下载的电梯中弹簧秤示数变化的视频来导入新课，而笔者是提前布置学生去录制视频。看似一个小活动，但包含了拍摄的前期准备工作，如：构思怎样凸显实验效果？后期制作也让学生合成一个连贯的视频。通过该活动，培养了学生精益求精、存诚务实的科学态度和严谨、合作的科学精神。

（2）精心设计效果明显且能让学生深刻感受或体验超重和失重的小实验，体验并感悟物理过程。由于超重和失重系统相对地面在竖直方向是加速运动或减速运动，这样给实验观察造成很多不便，因此解决问题的关键是创新实验设计。有以下几种方案可供参考：第一种是定量观测，将“动”转换为“静”，观察工具的“眼睛”相对系统静止（如：在电梯里做实验）；第二种是定量观测，将“动”转换为“静”，让系统在竖直方向做匀变速运动，而将显示“读数”的装置固定不动（如：借用定滑轮、动滑轮与测力计组合转换），方便观察超重和失重现象；第三种是定性观测，设计一些能很好地定性观察“示数”的工具（如：通过比较观察测量工具形变、液压计压强变化、杠杆平衡情况等），凸显超重和失重现象；第四种方案是设计效果明显且便于学生直接体验超重和失重的实验。

实验设计应利用学生身边的器材及日常生活中的物理现象，建构教学素材，这样可拉近物理与生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性及增加对科学的亲切感，增加学生对科学的感悟和体验机会，激发探究兴趣，促进学生主动、积极地探索知识。

①引入新课的微型小实验力求做到短、平、快，现象新、奇、特，直接指向新课。这类实验的特点是取材易、时间短、效果好，创设超重和失重情景体验，激发学生兴趣。

【案例1——手托一叠捆绑的书】手托一叠捆绑的书，突然向下运动，先后感受刚开始向下运动瞬间书对手的压力，再感受突然停止向下运动瞬间书对手的压力。

【案例2——天平还会平衡吗？】用较大的螺帽在量筒里的水中下降来演示失重现象，实验装置如图1所示。实验前首先依次提出问题串：a.烧断悬线时，天平还会不会平衡？b.若不平衡，哪侧会往上翘？

②课中学生实验力求操作简便、效果明显，凸显物理问题的本质。

【案例3——观察弹簧秤示数变化】在弹簧秤下端挂一钩码，仔细观察弹簧秤静止时、缓缓上升时、缓缓下降时、突然上升时、突然下降时弹簧秤示数的变化。在学生体验的基础上，再用超重和失重现象演示器分别演示超重、失重和完全失重现象。为了便于观察，要此在系统上，正对盘式弹簧秤，加装QQ摄像头，这样有利于学生观察盘式弹簧秤指针的偏转情况。

（3）引入真重和视重概念，并参照真重解读超重和失重的涵义，领会超重和失重现象。以物理核心概念统领物理教学，可以帮助学生从纷杂的事实、概念、规律、定理、公式中跳出来，站在一个更高的位置上培养学生的科学素养。物理核心素养导向的教学要求课程内容应该围绕物理学核心概念进行，教学重点应该从讲授事实转移到使用事实，学习重点也应该从记忆事实转移到理解可迁移的核心概念和对更为根本的知识结构进行深层理解，培养和发展学生的思维能力。

有经验的教师总是能根据不同的概念，采用不同的教学模式组织教学，物理概念教学有“子概念—概念、理论—生成、实验—探究、类比—迁移、甄别—归纳、目标—诊断”6种模式。生成是在学生已有的基础上的生成，课本中没有引入真重（实重）和视重的概念。由于超重和失重是建立在真重和视重等“子概念”的基础上，因此，学生对超重和失重概念，一直有“难于接受、理解、把握”的评价。物理概念之间是相互关联的，它们组成了一定的概念体系。从概念体系的建构特点看，一个概念往往会成为另一个概念建构的基础，抓住概念之间的这种建构关系，可以有效地组织教学。教学中应牢牢抓住真重和视重等“子概念”，然后在真重和视重“子概念”的基础上生成超重和失重“新概念”，才能达到掌握概念的目的。超重和失重是本节内容的核心概念，超重和失重是针对真重而言的，超重和失重现象与真重存在因果关系。因此，补充真重和视重两个“子概念”，寻找超重和失重的参照，完善课本中的知识结构，才能更好地消除学生对超重和失重的一些错误认识。

（4）注意实现从教师引导学生学超重到学生自主学失重的转变。教学设计与教学过程除了要凸显超重和失重与真重的因果关系外，还要凸显超重与失重知识信息的生成关系和发展关系。由于失重后面涉及到完全失重，因此，超重和失重是教与学的重点，按“真重和视重、超重现象、失重现象和完全失重现象”3个主题来设计的知识结构，既符合学科知识结构，又符合学生的身心发展规律。

①关于超重的教学。研究超重既涉及到隔离法、分析法等科学方法，还涉及到牛顿第二定律和牛顿第三定律等科学知识，既是牛顿运动定律应用的范例，也是学习失重的范例。学习、分析物理问题，离不开问题情境的创设，因此，在分析论证阶段，务必给出学生两幅电梯中超重情境图，使学生对要解决的问题获得更直观的认识。学生为了解决问题会很自然地运用隔离法、确定研究对象，画研究对象的受力分析图，再依据牛顿运动定律列方程、求解。

②关于失重的教学。科学方法方面的核心素养表现为了解并掌握研究世界的基本思想和方法。科学应用方面的核心素养表现为有应用所学知识、方法解决现实问题的意识和能力。超重和失重现象在知识结构上是并列的，教学中应借助“失重”这个知识载体，引导学生将研究“超重”所应用的方法迁移到“失重”上来，从而实现从教师“教”超重到学生自己“学”失重的转变，既达到了“教是为了不教”的目的，又培养了学生科学方法、科学应用方面的素养。

③培养不迷信课本的意识。结合如图2所示的装置，提出问题：系统的加速度方向向下，小球一定处于失重状态吗？引发学生根据T=mg-ma思考，逐渐弄清02g

5种情况下视重与真重的关系，从而不仅真正从意义上弄清了超重和失重现象的内涵，还培养了学生勇于怀疑的科学精神和理性分析的科学态度。

（5）引导学生在超重和失重的学习中学会对比思维和对称思维。通过教师的引导把学生自我探究、自我发展、自我完善的潜在力量转化为自我生成的现实力量，教学是否成功主要看教师是否有效地实现了这种转化。超重教学引导学生以实验探究、比较法、隔离法、分析法为主线，将超重与真重、牛顿第二定律与牛顿第三定律串联起来，将陌生的问题转化为熟知的问题，使学生逐步体会其中严密的逻辑关系，从而使学生的思维得到训练和发展。超重和失重相对真重具有一定的对称性，研究失重现象的方法和依据与研究超重现象是完全一样的，因此，对于失重务必让学生带着问题自主学习，在自主学习失重的基础上，再感受、体验、生成、同化、内化，发展学生的思维，提高学生的能力，实现生成的教学目标，促进学生核心素养的提升。

5 关于超重和失重的本质的思考

超重和失重现象是牛顿第二定律的重要内容，也是电视等传媒上出现频率比较高的科技术语，但在1983年版高中物理（上册）和1990年版的高级中学高一物理（必修）课本中均未出现超重和失重的概念。上世纪90年代，供高中重点学校使用的《高级中学试验课本·物理第一册》才将“超重和失重”作为动力学的基本问题，首次编入了高中物理课本中。1982年出版的漆安慎教授主编的大学物理专业课本《力学基础》也没有编排超重和失重的内容。之前超重和失重为什么没编入课本，笔者认为可能是由以下原因造成的：一是当时我国航天发射数次较少，超重与失重出现在新闻传媒上的次数并不多；二是引起超重和失重的原因或条件，还没有找到更好的方法来表述。

比较5个版本，只有山东科技版编排了“只要加速度方向竖直向上，就必然产生超重现象”和“产生失重现象的条件是物体加速度的方向必定是向下的”的判据。但其他4个版本总有让人误解为加速度方向向上是超重的条件，加速度方向向下是失重的条件，这样的误解源自于课本的编排——“加速度方向向上超重，加速度方向向下失重”。究其致错原因：第一、其本身就存在错误，如：加速度竖直向下，也可能超重；第二、这个判据会让人误解加速度是产生力的原因。首都师范大学胡扬洋博士认为“该判据没有体现物理本质，只反映了物理过程中表面的、暂时的、偶然的、不稳定的联系，缺少物理内涵，超重和失重的本质是源于惯性力场与引力场的等效性。”

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