基于物理核心素养提升的“力的分解”教学设计①

(河南师范大学物理与材料科学学院,河南 新乡 453007)

1 引言

高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程,旨在进一步提升学生物理学科核心素养。它是在初中物理课程的基础上，帮助学生从物理学的视角去认识自然,理解自然,构建关于自然界的物理图景;引导学生经历科学探究过程,体会科学研究方法,养成科学思维习惯,增强创新意识和实践能力;引领学生认识科学的本质以及科学·技术·社会·环境的关系,形成科学态度、科学世界观和正确的价值观,为做有社会责任感的公民奠定基础。物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面，它集中体现了物理学科的育人价值，在教学设计和实施的过程中要明确和落实物理核心素养的培养目标。

2 教学设计

物理学科核心素养的落实,离不开每一节课的点滴积累。按照高中物理课程标准的理念和教学建议,教学设计不仅要关注学生知识的获得,更要重视通过真实情境的创设和生活实际问题的解决,培养学生科学思维和科学探究能力,养成严谨认真的科学态度,进而达到提升学生物理学科核心素养的目标。而教学过程是一个学生、教师、教材和环境相互协同的过程,是学生在教师引导下掌握学习内容的同时对其认知系统从被组织向自组织转变的过程。本节课的教学过程设计依据以教师为主导、以学生为主体的教学原则,在分析教学目标和学情的基础上,选择问题情境探究教学法,引导学生进行科学探究,促进教学目标的达成。

2.1 教学目标

物理观念:学生掌握力的分解的概念、分力确定的原则；通过演示实验，让学生知道力的分解是力的合成的逆运算；通过“斜拉箱子”“盘山公路”“三角支架问题”等生活情境问题的分析,学生能够定性理解并掌握按力的实际效果分解力的方法。

科学思维:学生通过“拉橡皮绳”演示实验,熟悉合力和分力的共同作用效果是等效替代的关系；学生通过解决“斜拉箱子”“盘山公路”“三角支架”等问题，提高现象分析、抽象推理的思维能力。

科学探究:学生通过对具体问题的分析,提出合理猜想、设计实验，对力的作用效果进行验证,与同学进行交流、解释,最终确定力的实际效果。

科学态度与责任:学生通过对实际生活情境问题的分析、解释过程,养成严谨认真的科学态度。

2.2 学情分析

在“力的合成”一节学生已经知道力的合成遵循平行四边形定则,有了“矢量”运算的基础,知道“力的合成”是“合力与分力的作用效果等效”的前提,也了解了一些必要的数学知识。同时学生在初中已掌握二力平衡的基础知识,知道做匀速直线运动、静止的物体所受合力为零。

“力的分解”是“力的合成”的逆运算,是矢量运算法则的重要应用,要为后面学习“正交分解”作初步铺垫,是以后学习“运动的分解”的基础,也是高一学习中的一个难点。力的分解要按照作用效果来分解,可“效果”比较抽象,较难理解,需要学生亲自体验，通过实验展示力的作用效果。

2.3 教学重难点

重点:在“力的合成”基础上继续渗透“等效替代”的物理思想;理解一个力有无数对分力,但是确定分力的方向后有唯一解;探究实际问题中如何根据实际作用效果确定分力的方向。

难点:根据力的实际作用效果确定分力的方向。

2.4 教学方法

根据本节的教学目标以及重难点,教师要重视通过实验来突出重点、突破难点,重视情境创设提高学生解决实际问题的能力,因此本节采用问题情境探究教学法。教学过程按照呈现情境—提出问题—猜想—实验—得出结论的探究模式而展开。教师精心地创设情境设疑激趣，做好实验使力的实际作用效果直观可感,启发学生提出问题、猜想假设、观察或体验、分析力的实际作用效果。教师循循善诱,学生积极思考,师生合作探究,达成教学目标。

2.5 教学过程

2.5.1 创设问题情境

用细线系住一重物,留出两个线端,老师问:“用一根线提与两根线提相比,哪一种情况线更容易断?”学生会毫不犹豫地回答:“用一根线提!”老师不动声色地用一根线提起了重物,故意举得高一些,学生的心也跟着悬起来,而接下来用两根线稳稳的提起重物的时候,学生的心也放了下来,脸上露出轻松的表情,对于老师不断增加两根线之间的夹角这样一个细节动作,学生毫无防备,突然间线断了。教师可不失时机地提出如下问题:为什么用两根线提反而断了呢?一开始就断了吗?什么时候开始断?为什么会断?学了本节课同学们就知道答案了。

设计意图:创设有趣的演示实验,将学生带入情境,引起学生的思维冲突,激发学生学习和探究物理的好奇心与求知欲。

2.5.2 讲解力的分解定义及遵循的定则

演示实验:如图1所示，橡皮筋两端固定,用力竖直向下拉系在橡皮筋上的悬绳,在该拉力的作用下左右两段橡皮筋都发生了伸长,结点到达的位置为O。将两橡皮筋伸长的方向及拉力画出来并加以表示。如图2所示，再用两根细绳拉橡皮筋,拉橡皮筋的两个力分别为F1、F2,使结点达同样的位置O。

图1

图2

师:用两个力拉橡皮筋和用一个力拉,效果相同吗?

生:相同。

师:那么它们之间就是一种什么关系?谁是分力?谁是合力?

生:等效替代的关系,F1、F2是分力,F是合力。

师:上节课我们学了力的合成，今天我们学习力的分解,给它下一个定义，就是求一个已知力的分力的过程。

师:请同学们思考一下,力的分解和力的合成是什么关系?

生:力的分解是力的合成的逆运算。

师:力的合成遵循什么定则?

生:平行四边形定则。

师:那力的分解应该遵循什么定则?为什么?

生:也应遵循平行四边性定则,因为力的分解是力的合成的逆运算。

师:我们用平行四边形的对角线表示一个已知力,那么谁是分力?

生:与力F共点的邻边是分力。

师:请同学们试一下,已知平行四边形的对角线,看看能画出多少个平行四边形?如果两邻边的方向确定,又能画出多少个平行四边形(教师强调用直尺、铅笔规范做图)?

生:如果确定了两邻边的方向,只能画一个平行四边形,但是若没有限制,可以画无数个,一个力可以分解成无数对分力。分力方向一旦确定,也就确定了。

设计意图：通过演示实验,加深对“等效替代”思想的理解;通过师生的问答促进学生知识的迁移;通过强调规范作图,培养学生严谨认真的科学态度。

2.5.3 讲解分力的确定原则

情境一:用PPT展示大力士拉车、车夫拉黄包车、人拉行李箱的图片(如图3),教师引导学生提出问题:为什么他们不水平拉,要斜着拉?

图3

图4

学生猜想、讨论,教师引导得出斜拉的时候摩擦力小,更容易拉动。

教师请同学们两个人为一组,一个人站着,斜向上拉坐着的人,说出自己的感受——有一种被向上提和向前拉的感觉。

教师：这两种感觉就是斜向上的拉力的实际作用效果,在实际问题中,确定分力的方向的原则就是按实际作用效果。

学生在教师的引导下构建“受斜向上拉力的物理模型”(如图4),确定斜向上拉力的分力方向,画出平行四边形,由几何关系得出两分力F1、F2的大小,验证之前的猜想。

设计意图：从生活中的实际问题入手,培养学生能从物理学的视角观察自然现象,让学生具有将物理学与实际相联系的意识;引导学生对常见的物理现象进行分析,获得结论并作出解释,促进新旧知识的整合;培养学生能将实际问题中的对象和过程转化成物理模型;让学生认识到物理学是对自然现象的描述与解释,培养学生对物理的学习兴趣;在解决问题的过程中,通过实验让学生亲身感受力的作用效果,通过教师示范,强化学生认真严谨的学习态度与习惯。

情境二:用PPT展示盘山公路的图片及引桥的照片,引导学生提出问题：为什么不修一条从山脚直达山顶的路?并引导学生从斜面上的物体的重力的分解方面进行猜想。

学生根据经验似懂非懂,说不出所以然。

教师进行演示实验：在斜面和挡板上分别放上海绵,然后把长方形重物放在斜面上(如图5)。

图5

图6

学生观察后发现了放重物前后海绵的形变状态,突然明白了,自己主动构建,对重力进行分解,并求出分力的大小G1、G2,由数学知识,得出θ越小,G1越小(如图6),也即坡度越小,下坡更安全,上坡更容易。

设计意图：通过展示生活中司空见惯的事例和实验演示,引导学生观察、思考,初步形成了力的分解概念,并具有运用所学知识解释生活现象的意识;基于情境一的学习,学生的思维已从被组织向自组织转换,这时就要给学生运用思维自主构建、解决问题的机会。[2]

情境三：通过PPT展示塔吊吊重物的图片，让学生想办法得出三角支架末端挂重物后重物重力的作用效果。

学生基于生活经验猜想三角支架末端力的作用效果，并自主运用身边的物品搭建三角支架(如图7)，验证猜想,观察、感受力的作用效果，交流确定力的作用效果,确定分力的方向。

图7

图8

教师再进行实验演示，如图8所示，三角支架横梁AC、BC分别固定在橡皮膜A、B两点,在C处挂上重物后，可见橡皮膜A向外凸起(如图9),橡皮膜B向里凹陷(如图10)，再次确认三角支架的力的作用效果分别是沿横梁AC向外和沿横梁CB向里。

图9

图10

设计意图：引导学生面对真实的情境,能够运用合适的器材进行实验,验证猜想，解决问题;老师所做的演示实验是对学生实验的一个改进,意在培养学生的反思能力。

2.5.4 小结

教师引导学生归纳总结力的分解的步骤：确定研究对象;根据效果定分力方向;作平行四边形;由几何关系计算分力大小。

设计意图：通过前边三个实际案例的分析,学生对力的分解有了一定的了解,但还处于碎片化状态,教师引导学生总结,有利于学生形成良好的学习习惯。

最后让学生解释引入实验中绳子断裂的原因,提高学生辨别是非的能力,培养其严谨认真、实事求是的科学态度。

2.5.5 布置作业

(1) 思考:在泥泞的路上,一辆汽车陷入了泥潭,你有什么方法能把汽车拉出泥潭?并用所学的物理知识分析解释。

(2) 试用物理原理解释成语“迎刃而解”,即为什么刀刃夹角越小,刀越锋利?

(3) 查阅资料，解释为什么赵州桥千年“屹立不倒”?

设计意图：习题教学的作用,不仅仅是为了得到答案,而是要全面提高学生的问题解决能力。[1]贴近生活的作业,有利于学生对课堂知识的理解,引导学生关注生活,促进其用所学知识分析、解决问题的意识。作业的完成需要学生查阅资料,能够培养学生收集、处理信息的能力。

3 设计反思

落实物理学科核心素养的培养目标,需要在教学设计和教学实施中重视情境创设和开展科学探究活动。同时,值得注意的是创设情境不仅是为了呈现研究对象,而是为了激发学生问题意识，进而提出问题，进行科学探究。

3.1 重视情境的创设

物理概念的建立、物理规律的探究、生活问题的解决需处在情境之中,创设情境就是为学生增加物理感觉。在本节教学中，学生对等效思想的理解、情境的抽象、科学猜想、实验验证均是在情境中进行的。核心素养的落实离不开生活中实际问题的解决,实际问题又都处于情境之中。

3.2 加强演示实验,增加感知量

物理感知量不仅来源于生活情境,还来源于实验。为了让学生对力的作用效果有感知,这节课教学设计多次采用演示实验,使现象变得直观,降低了学习的难度。引入环节的“绳拉重物”实验不仅真实,而且有惊、有疑,不仅能让学生快速进入学习状态,而且能够转变学生的观念。

3.3 渗透科学探究，使教学过程由“静”变“动”

为实现学生的认知从被组织向自组织转变，需要教师从单纯传授向师生共同探究转变。在本节课中,教学前期学生对力的分解法则的认识还处于模糊状态,学生学习力的分解法则需要教师指导。教师的引导示范使学生的学习由被动接受变为主动探究,调动了学生学习积极性,教学过程由“静”变为“动”。在“力的分解”的教学设计中,注重生活问题情境的创设,注意让学生通过探究过程建构知识,有利于培养学生的问题解决能力。“斜拉力的分解”“斜面上重力的分解”“三脚架上重物所受重力的分解”等问题的解决渗透着问题、猜想、实验验证、解释交流等科学探究要素,有利于提高学生科学探究能力，对学生完成课后作业、解决生活中的问题打下基础。