基于学科核心素养的高中物理概念转变教学

摘要：高考评价体系首次明确提出“一体四层四翼”，把学科素养纳入考查目标，对应修订的课程标准将学科核心素养提到重要位置。以鲁科版高中物理必修2《向心力与向心加速度》教学设计为例，浅谈在高中物理概念教学中如何转变原有教学方式，有效提升学生的物理学科核心素养。

关键词：高中物理；学科素养；概念教学

新高考评价体系中提出了四层考查目标“必备知识、关键能力、学科素养、核心价值”。为了与新高考方案对接，2017年版高中普通物理课程标准把培养学生的学科核心素养纳入标准，从原有的“三维课程目标”往“学科核心素养”过渡。新课程标准中把物理学科核心素养分为四个维度：物理观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任。物理学科核心素养要求物理教学要更重视物理概念的教学，形成正确的物理观念，能用经典的物理观、运动观、能量观、相互作用观等物理观念解释自然现象和解决实际问题，初步形成现代物理的物理观念。

一、 细化课标要求，建构物理核心观念

物理核心观念包括：物质观、运动观、相互作用观和能量观等。

运动观上：匀速圆周运动是线速度大小不变、角速度不變、周期不变的圆周运动，线速度方向时刻在改变。由矢量特点可知，匀速圆周运动线速度的方向时刻在发生变化，故匀速圆周运动的线速度时刻在改变，匀速圆周运动有加速度。匀变速圆周运动的加速度方向时刻指向圆心，方向时刻在变，因此匀速圆周运动是非匀变速曲线运动。

相互作用观上：向心力是以效果命名的，而非又一性质力。向心力可以由重力、弹力、摩擦力、电场力等力提供，也可以由它们的分力或合力提供。

能量观上：物体做匀速圆周运动时，向心力不做功，物体动能不变。若物体做非匀速圆周运动，则合外力指向圆心部分的分力提供向心力，仅改变速度的方向，沿切线方向的分力改变速度的大小，若合外力与速度成锐角，对物体做正功，动能增加，反之，做负功，动能减少。

二、 对比教材编排，建构物理科学思维

科学思维与创新包括：模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素。

学情上，学生已学过抛体运动，对变速运动、曲线运动有一定了解。同时也对描述匀速圆周运动的快慢的物理量：线速度、角速度、周期有了一定的了解。但对向心力与向心加速度的概念，学生还是普遍感到比较难理解，难以建立正确的新概念。

2011年7月出版的鲁科版物理必修2教材中先给出向心力的概念，再得出向心加速度的概念。如果完全按照鲁科版教材编写思路实施教学，较难建构正确的物理模型，探究向心力的大小与哪些因素有关时，如果没有足够严谨的科学推理，学生很难理解为什么是只和质量、角速度和半径这三个物理量有关。对比教材发现人教版对本节课内容处理顺序正好相反。先构建模型，由加速度的定义式，通过渗透微元、极限思想等方法科学推导得出向心加速度的表达式，再根据牛顿第二定律得出向心力的表达式，最后通过控制变量法定性验证影响向心力大小的影响因素，学生更能理解向心力是以效果命名的，且在对向心力大小的影响因素的实验中不用再假探究，而是真验证。

三、 创设问题情境，建构科学探究模式

科学探究主要包括：问题、证据、解释和交流等。

（一） 游戏引入，提出问题

首先借助“用倒置的玻璃杯搬运乒乓球”的实验创设问题情境，引入新课，激发学生的学习兴趣和探究欲望，又呼应之后教学，为向心力概念建立和向心力来源创设情境。

（二） 寻找证据，建构概念

向心力概念的建立是一个重点，向心力的来源则是难点。学生不易理解，因此创设问题情境，加强学生的感性认识，引导学生积极思维。

实验1：小球在一个可拆卸的环形轨道内壁做圆周运动。当轨道打开一个缺口，小球不做圆周运动时，小球切着轨道缺口沿直线运动。进行受力分析，得出小球做圆周运动的原因是受到环形轨道内壁弹力F的作用。同时说明小球压迫挡板，小球有背离圆心向外运动的趋势。这是做圆周运动的物体的共同特点，也为下面分析实验2静摩擦力使书本做圆周运动做了知识准备。

实验2：让学生站起，用手水平托起物理课本，伸直托书的手臂，让手臂以身体为中心转动，感受书本与手之间的作用力。书本做圆周运动的原因是受到静摩擦力f的作用，静摩擦力f的方向指向身体。

实验3：乒乓球在倒置的玻璃杯中快速转动。重力和支持力的合力使乒乓球做圆周运动，合力的方向指向圆心。呼应课堂导入游戏中的疑问，再次激发学生的探究学习欲望。

将三个模型列表归纳，可发现做圆周运动的物体都要受到一个指向圆心的力，进而归纳得出向心力的定义及匀速圆周运动的特点。

（三） 科学解释，得出概念

应用微元思想、极限思想通过加速度的定义式a=ΔvΔt来推导向心加速度的大小。建立模型：一个物体顺时针做匀速圆周运动，线速度为v，半径为R，0时刻物体处于A点，经过时间Δt，物体第一次到达B点，如图1所示。

如图2所示，将A点速度平移至B点，连接AB，速度矢量三角形与几何三角形OAB相似，由相似三角形的特点知：Δvv=ABR，即Δv=ABRv。由a=ΔvΔt得，a=AB·vR·Δt，当时间Δt→0时，如图3所示，弦长AB的大小趋近于弧长S的大小，即a=AB·vR·Δt=vR·SΔt=vR·v=v2R。故得出向心加速度a的表达式：a=v2R=ω2R，方向：不断变化，始终与速度方向垂直，即时刻指向圆心。

通过上述的理论推导，可以加强学生对矢量运算的理解，同时渗透微元、极限的物理思想。

（四） 实验验证，讨论交流

由牛顿第二定律F=ma得向心力的大小：F=mv2R=mω2R。

通过实验，定性验证向心力大小的影响因素。借助向心力演示仪，通过控制变量法定性验证向心力的大小与物体的质量、半径、角速度（或线速度）的关系。

要研究它们的关系，首先要解决如何测出向心力的大小。教师先出示向心力演示器，然后通过提出问题，引导学生悟出在圆周运动中只有圆心处是不转动的，更好认识向心力演示仪的工作原理。为了更精确得出向心力大小，也借助力传感器来代替弹簧秤。

实验原理明了后，教师引导学生讨论实验方法——控制变量法，从而设计实验方案、步骤并进行实验操作。学生通过分组实验，可以验证得向心力的表达式：F=mrω2=mv2r。

这部分教学采用教师引导下科学探究的方式，解决了向心力大小与质量、半径和角速度的关系，来突出教材的重点。教师用“问题”的形式组织课堂，条理清晰，逻辑性强。通过有效的师生互动，培养学生科学的态度和提高学生实验设计能力、数据分析处理能力。

四、 结合多手段教学，培养科学态度责任

新课程理念更加关注学生的科学态度与责任。高中物理学科核心素养把科学态度与责任细分为：科学本质、科学态度、科学伦理、STSE的关系等。

课后布置小组任務：

1. 观察火车在拐弯时，火车轨道的特点。

2. 尝试解释中国古代杂技“水流星”完成技巧。

3. 收集自然界中涉及向心力的现象。通过完成这个任务，帮助学生理解科学与社会、生活、环境的关系，感受物理研究的魅力及创造性。

通过提出问题结合演示实验，为学生创设真实的情境，借助传感器及多媒体帮助学生切实体验严谨的科学态度、科学精神。运用微元法与极限思想导入向心加速度，由牛顿第二定律推导出向心力的公式，真实可靠，学生容易接受，要比教材上安排的顺序更为符合学生的认知发展规律，让学生在课堂学习过程中感受、体验、生成、同化、内化，提升了学生在科学方法与应用上的素养，也培养了学生的科学本质与科学态度。

物理概念教学的最终目的不仅要使学生掌握概念本身，而且在学习概念的过程中形成完整的概念体系，对该概念进行发展及应用，从而完善学生认知结构，建立正确的物质观，发展学生的思维能力，提升学生的物理学科核心素养。

参考文献：

[1]陈志盛.考查素养体现四翼——对2017年高考全国理综卷Ⅰ物理试题的印象[J].福建教育，2017（18）：45-47.

[2]林明华.高中物理核心素养的内涵与培养途径[J].福建基础教育研究，2016（2）：4-6.

[3]陈心焕.例谈《向心力与向心加速度》新课教学[J].中学物理，2015，33（13）：37-38.

作者简介：毛吓梅，福建省漳州市，福建省漳州第一中学。