基于CPS模型的“超重和失重”教学案例分析

沈祖荣

(江苏省木渎高级中学，江苏 苏州 215101)

高中物理学科核心素养包括物理观念、科学探究、科学思维及科学态度与责任等，创新能力和创造性思维是其重要内容。CPS模型关注学生创新能力和创造性思维的培养，笔者“以超重和失重”教学为例，介绍CPS模型及其应用。

1 CPS教学模型简介

美国学者帕恩斯(Parnes)提出了CPS模型(CPS是Creative Problem Solving的英文缩写，意为创造性问题解决)，它以问题解决过程为基础，强调发散思维与聚敛思维的结合。该模型首先以发散思维为先导，提出多种多样的问题解决方法，然后再聚敛思维，形成最佳、最合适的解决方案，最后进入执行或下一阶段的准备，从而提升问题解决者的创造力及解决问题的能力，美国的特芬格教授将CPS教学分为四成分、八阶段(表1)。

表1

2 “超重和失重”教学案例分析

课程标准对超重和失重的要求是：通过实验认识超重和失重现象。为了认识超重和失重现象，应以实验为基本方法。笔者以“超重和失重”的教学为例，基于CPS模型，设计教学过程，培养学生的物理学科核心素养。

2.1 寻找时机

教师播放视频：在竖直升降的电梯里，学生站在体重计上，当电梯升降时观察体重计示数的变化。

师：为什么体重计示数会时大时小？

生：可能与该生站不稳有关，可能与电梯的不稳有关……

2.2 寻找资料

师：学生身体状况没有问题、电梯的安全质量也没问题，多次实验，体重计示数均会时大时小，可考虑是一个物理现象，请同学查阅资料，探索成因。

生：把电梯里的学生抽象成一个质量为m的物体，物体放在桌面上，物体对桌面的压力即为体重计的示数(称为视重，注意质量单位与力单位的换算)。当物体向上加速、向下减速、匀速或静止时，视重会不同，从而导致体重计示数会时大时小。

师：分析正确，体重计示数时大时小的现象，在物理上称之为超重或失重现象。

2.3 生成问题

师：体重计示数会时大时小，是随机出现的，还是有规律性？

生：有规律性，电梯加速上升时示数变大，匀速运动时示数不变，加速下降时示数变小。

2.4 生成想法

师：那为什么会出现上述现象？

生：因为物体的运动状态变化的情况不同。

图1

2.5 寻求方法

师：如何解释上述现象呢？

生：可对物体受力分析，运用牛顿第二定律。

教师引导学生画出物体的受力分析图(图1)。

师：当物体静止或匀速运动时，视重如何？

生：因为物体处于平衡状态，a=0，所以FN=G=mg。

师：当物体加速上升时，视重如何？

生：当物体加速上升时，物体具有向上的加速度，FN-mg=ma，则FN=mg+ma，视重FN大于物体所受重力mg。

师：在物理学中，把视重FN大于物体所受重力mg的现象叫作超重现象。

运用同样的思路可讲授失重、完全失重现象。

2.6 寻求接受

教师运用学生能够接受的方式，对教学内容进行总结(表2)，请学生归纳出结论。

表2

学生得出结论：物体的加速度向上，出现超重现象；物体的加速度向下，出现失重现象；做自由落体运动(或在宇宙飞船等中)的物体处于完全失重状态。

师：一同学站在竖直升降电梯里的体重计上，当电梯升降时，体重计示数发生了变化，如何解决该问题？

生：通过受力分析，针对每一个运动状态，用牛顿第二定律列方程、解方程，即可作出明晰解释。

师：以上我们通过观察现象、寻求方法、利用规律、解释现象，学到了新知识。

2.7 评估课题

学生在观察视频后，通过理论分析，初步认识了超重与失重现象，

为了能够证明结论的可靠性，将理论与实验结合起来，设计实验来进行检验。

2.8 设计过程

教师准备好体重计，请一位同学在体重计上从直立到蹲下，并请三名学生代表观测体重计的示数，向全班同学汇报观测结果。

生：体重计示数不变、变小、变大、最后不变。

师：结合该生的运动状态及其变化，请同学们讨论、并解释这一现象。

生：该生下蹲的过程有向下加速和向下减速两个过程。当该生向下加速时，加速度向下，出现失重现象；当该生向下减速时，加速度向上，出现超重现象。结合具体过程即可解释这一现象。

3 结语

本教学设计基于CPS模型，首先创设问题情景，引出成分一(寻找时机、寻找资料、生成问题)；学生心中产生问题，自然会生成各种各样的想法，然后自然引出成分二(生成想法)；有的想法对解决问题可行，有的想法不可行，通过学生讨论，引发“头脑风暴”，变发散思维为聚敛思维，在师生的共同参与下，找到解决问题的方法并寻求全体同学接受，自然引出成分三(寻求方法、寻求接受)，最后为问题解决的成分四(评估课题、设计过程)。

通过教学实践，不仅顺利完成了“超重和失重”的教学任务，还培养了学生发现问题、寻找方法并采用合适的方法解决问题的能力，培养了学生的发散思维、聚敛思维能力，提高了学生的核心素养。