基于核心素养的高三物理复习课教学设计

陈国斌，郭丽萍

摘    要：以高三物理复习课“轻绳与弹簧的弹力突变问题”为例，通过“情境—推理—验证”的科学探究过程，强化学生的物理观念，提升学生的科学思维，升华学生的科学态度与责任。通过设计教学核心环节来发展学生的物理核心素养，使之内化为学生的必备品格和关键能力。

关键词：物理核心素养;弹力突变;教学设计;模型建构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）11-0032-4

随着新课改的逐步深入，教育由“知识核心时代”升级到“核心素养时代”，强调发展学生的学科核心素养。2018年初教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》中明确指出：学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的价值观念、必备品格和关键能力，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”4个方面[1]。

基于物理核心素养，以高三物理牛顿运动定律的应用“轻绳与弹簧的弹力突变问题”复习课教学为例，进行渗透核心素养的教学设计。

1   ; 基于核心素养的教学流程

以科学思维为主导，以“情境—模型—推理—验证—应用”为课堂教学架构，以学生的物理知识学习与学科核心素养的发展为目标，设计了如图1所示的教学流程。

2     基于核心素养的“轻绳与轻弹簧的弹力突变问题”教学设计

2.1    教学内容分析

近年高考中，出现了由轻弹簧和质点组成的摆类题型[2]，但教师对于此类问题的教学往往只是反复诱导学生机械地得出结论，学生对其本质含糊不清或将结论“口诀”化，导致迁移运用时似是而非。物理学中的公式和定理、定律很简洁，但只有知其来龙去脉，才能灵活运用这些知识去解决实际的物理问题。“轻绳与弹簧的弹力突变问题”综合了4个核心的物理观念（物质观念、运动观念、能量观念、相互作用观念），只有科学合理地设计课堂探究活动，才能让学生在深度学习过程中体悟此类物理现象的本质，在活动中提升科学思维能力，强化头脑中并不清晰的物理观念。

2.2    教學过程的核心环节

环节一  创设情境，提出问题

创设问题情境：放在地面上的木块与一轻弹簧相连，轻弹簧处于自然伸长状态。现用水平作用力F拉动弹簧，随着拉力作用点的移动，木块起初保持静止，当力增大到一定程度时，保持此时拉力大小不变。其示意图及拉力F与作用点移动距离的关系如图2所示。

问题1：上述过程中拉力做功多少？

学生：通过求解F-x图像中的梯形面积可求出拉力做功为：W=20 J。

问题2：上述过程中在前0.2 s拉力的做功对象是谁？

学生1：木块。

学生2：弹簧。

教师：对于木块，它在这0.2 s没有发生位移;对于弹簧，题目条件“轻弹簧”说明不计弹簧重力，所以拉力在这段时间没有对弹簧做功。

学生3：木块没有位移，所以做功对象不是木块;不计重力不等于不计弹簧质量，所以拉力在这0.2 s的做功对象是弹簧。

设计说明：高中阶段，所谓“轻弹簧”大多时候是在研究其他问题时忽略弹簧重力的影响，但弹性势能的积累需要其质量作为载体，因此其质量在能量的积累与衰减过程中是不能不考虑的[3]。该环节在学生已有知识和经验的基础上，以问题情境引导学生思维活动，能有效强化学生的物理观念，特别是其中的质量观念和能量观念。

环节二  创设情境，建构模型

创设活动情境：教师让5个学生手拉手靠紧排成一排，另外再让两个学生分别拉动队伍两头的学生，相邻学生手被拉直后依次往拉力方向移动，移动过程中手不松开（图3）。

教师：5个学生从紧靠着到手被拉直的过程中状态是如何变化的？

学生1：刚开始可以把5人看成一个整体，在外力拉动后，由外而内顺次向两边加速，状态各不相同，受力也就不一样。

教师：从这个现象中你对拉伸弹簧的过程有什么思考？（教师同时拉动手中的弹簧）

学生2：把弹簧的每一圈看成是一个小物体，拉动弹簧其实是拉动了很多个小物体。

教师：是的，把弹簧看成是由无数个质量很小的微小单元构成[4]，同学们能不能根据这个设想画出相应的物理模型？

学生在老师的指导下进行合作交流，画出拉伸弹簧前后的物理模型（图4）。

设计说明：从物理“情境”到建构物理“模型”的思维过程是物理观念的深度强化过程，也是培养科学态度与责任的过程。模型建构是本节教学内容的难点，通过学生的亲身体验，感悟模型思想。需要注意的是，该活动不能等效为弹簧被拉伸的情形（弹簧各微元间都存在弹力，人是在手被拉直之后才有作用力），只是借助该环节引导学生思维，完成从情境到模型建构的过程。

环节三  建构模型，演绎推理

创设应用情境：如图5所示，甲、乙两图中质量为m1的小球分别用轻弹簧和轻绳与质量为m2的小球相连，并用轻绳悬挂于天花板上，甲、乙图中小球均静止。

问题1：悬挂静止时，甲、乙两图下端的弹簧和轻绳分别具有弹力和张力，两者在状态上有何不同？

学生1：因为都具有弹力，所以两者都发生了形变，但轻弹簧比轻绳的形变更明显。

学生2：可以用刚才的弹簧模型来表示，轻弹簧的各微小单元间被拉伸得更远，轻绳的微小单元间拉伸的距离很小。

教师：非常好，如果现在均从图5中A处剪断，则图甲中的轻弹簧和图乙中下端绳子的拉力将如何变化？

学生3：在同样拉力的情况下，甲图中各微小单元的间距远，需要较长的时间恢复原状;乙图中各微小单元间距短，需要较短的時间恢复原状。

教师：表述得非常准确，这就是“轻绳的弹力可以突变，而轻弹簧的弹力不能发生突变”。其实质就是各自恢复原长的时间不一样，两者在拉伸之后都具有了弹性势能，在剪断上方细绳之后，两者都要恢复原长，即弹性势能要减少，但能量的衰减需要一个过程，轻弹簧具有的能量衰减过程相对较长，不能发生突变;轻绳的能量衰减过程极短，几乎“瞬间”完成，可以突变。

问题2：在图5中剪断上方细绳瞬间，甲、乙两图m1、m2的加速度分别是多少？

教师引导学生把图5甲图中m1、m2视为轻弹簧的一部分，分居轻弹簧的上、下端点（图6），并由上而下分析各微小单元的受力情况。

学生讨论、交流并总结如下：

（1）甲图中，剪断上方细绳瞬间，m1所受合力为自身重力和下方全部微小单元及m2的重力之和，往下各微小单元的合力依次减小，加速度也依次减小;若忽略中间轻弹簧各微小单元的重力，则m1的加速度：a1=■g。m2上方的弹簧来不及形变，弹力不变，合力为零，加速度为零（a2=0）。

（2）乙图中，剪断上方绳瞬间，下方轻绳各微小单元在极短时间内恢复原状，弹力“突变”为零，所以m1、m2分别只受各自重力作用，加速度均为g。

设计说明：本环节是“轻绳与轻弹簧的弹力突变问题”教学的重点内容，在环节二已建构出弹簧物理模型的基础上，通过变换情境，利用“微元法”引导学生思维进阶，理解“轻绳与轻弹簧的弹力突变问题”的实质，培养学生掌握解决物理问题的关键能力;抓住知识形成的过程，有效发展学生的物理核心素养。

环节四  实验验证，求真务实

教师：实验是物理教学的灵魂，物理学发展历史上很多定律或规律的发现都是先通过推理论证，再用实验加以验证。现在，通过一个小实验对之前的推理进行实验验证。

活动：教师把课前根据图5安装好的实验器材交与学生1，为了突出现象、对比规律，制作时将甲、乙两图上方用同一细绳连接（图7），待弹簧和细绳稳定之后从上方细绳中间剪断细绳;学生2用手机“慢动作”功能同步拍摄上述过程，并将视频同屏到学生电脑和教室大屏幕中，图8为该视频截图（因过程较短，相邻两幅截图时间不超过0.1 s）。

学生通过慢镜（可拉动视频进度条反复观看）可清晰看到：剪断细绳瞬间，右边细绳拉住的两个钩码自由下落;左边弹簧上端钩码因加速度较大，加速运动明显，弹簧下端钩码有短暂的滞留，在上端钩码下落一段距离之后才开始下落;视频慢放反映出来的现象和环节三得出的规律完全吻合。

设计说明：学生经历前面3个环节的理论推导，通过问题进阶促进思维进阶，实现了“心理结构”上的理论认知，然后通过实验验证使思维影响更加深刻，知识记忆更加长久，思维结构更加丰富。

环节五  拓展应用，内化能力

应用情境1：如图9（a）所示，一质量为m的物体系于长度分别为L1、L2的轻弹簧和轻绳上，轻弹簧L1的另一端悬挂于天花板，与竖直方向成θ角，轻绳L2另一端水平系于竖直墙上，物体处于静止状态。求剪断轻绳L2瞬间物体的加速度？

教学说明：教师引导学生从轻弹簧模型特点出发，利用共点力平衡条件进行分析，容易推导出剪断轻绳L2瞬间物体的加速度（a=gtanθ）;在强化模型思维的同时，也对牛顿第二定律中的加速度与合外力的瞬时对应关系有了更深的认识。

应用情境2：若将图9（a）中的轻弹簧换成长度相同的轻绳，如图9（b）所示，其他条件不变，则在剪断轻绳L2的瞬间物体的加速度又为多少？

教学说明：该情况下有部分学生误以为在剪断轻绳L2瞬间，轻绳L1弹力突变为零，得到物体加速度为g，教师可引导学生根据物体在轻绳L2被剪断后的运动情况进行分析，即物体做曲线运动，由切线方向速度可以得到物体加速度（a=gtanθ）。

设计说明：对所学知识进行适当、有效的拓展，能增强物理观念，强化模型思想，培养应用意识。图9（b）的应用能避免学生形成任何时候“轻绳弹力都突变为零”思维定式。

3    总结与反思

应用“情境—推理—验证”的探究模式，引导学生的思维进阶;通过模型建构，强化物理观念和科学思维;在深度学习过程中体悟和掌握解决物理问题的基本思路与方法，并能灵活地将所学知识迁移运用;通过具体实例，体验物理学家发现物理规律的一般过程，掌握演绎推理的初步能力。

课堂是落实核心素养的主阵地，教师是课堂的组织者和引导者，理应以学生为主体，精心设计课堂教学过程，让学生在科学探究活动过程中强化物理观念、提升科学思维、升华科学态度与责任，并使之内化为必备品格和关键能力，切实践行立德树人的根本任务。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]刘银奎.重视情境创设、培养核心素养——以“动能与动能定理”教学为例[J].物理教学探讨，2019，37（06）：14-18.

[3]汪慧琴，韩美娟.实验探究弹簧摆的运动规律[J].物理教学，2019，41（08）：27-31.

[4]励箭生.弹簧的弹力会突变吗？[J].物理教师，2004，25（04）：30-31.（栏目编辑    邓   磊）