“共点力的平衡”教学设计

胡惠琪 刘健智 姚寒青

摘 要：为全面发展学生物理核心素养，基于“高阶性、创新性、挑战度”的金课标准，利用深度教学的“U型学习”理论，在进行教材分析和学情分析后，设定了“共点力的平衡”的教学目标、教学重难点及教学过程。主要创新点：①利用生活用品自制教具与实验仪器，采用“几何画板”进行实验数据处理，改进传统的数据处理方法;②改造教学内容，突出物理规律的探究过程;③采用“递进的探究式教学”，遵循从易到难、从现象到本质的探究式教学规律。

关键词：共点力;平衡条件;实验设计;几何画板;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）3-0033-5

“共点力的平衡”是新人教版高中物理必修一“相互作用——力”单元中的一节课[1]，授课对象为高一学生，主要内容为由二力平衡条件推导出多力平衡条件，即合力为零，再解决生活中有关平衡的问题。该节课是学生初步形成运动与相互作用观念的重要一节，但仅凭教材中简单的理论推导，学生无法形成深刻的物理观念，更不能解决实际平衡问题。实验教学比理论教学更有利于学生主动建构科学的知识体系，帮助学生得到科学探究能力和创新意识的培养[2]。为了全面发展学生的物理核心素养，可在理论推导得出“多力平衡条件是合力为零”的基础上，让学生设计实验，验证推导结论。此外，为了培养学生的信息技术素养，利用几何画板作力的图示，并进行力的合成，有助于在减小实验误差的基础上，极大地缩短数据处理的时间。本文基于“高阶性、创新性、挑战度”这一金课标准[3]，在进行教材、学情分析后，设定了本课的教学目标、教学重难点及教学过程。

1    教材分析

1.1    普通高中物理课程标准的要求

能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题[4]。

1.2    本内容在物理知识体系中的地位

本节是物理规律应用课，即探究物体在共点力作用下保持平衡状态的条件，并在利用共点力平衡的条件解决问题时，综合应用三种性质力、牛顿第三定律、力的合成和分解等知识。本节内容首次将力学问题与运动学问题联系起来，让学生初步形成“运动与相互作用”的物理观念，是学习下一章“运动和力的关系”的重要基础，因此具有承前启后的作用。

1.3    教材内容与体系安排

教材首先从合力的角度推导出二力平衡的条件;然后，通过问题拓展到物体受多个共点力作用的情況;再启发学生利用力的合成将多力平衡的问题转化为二力平衡问题，从而推导出结论，即在共点力作用下，物体平衡的条件是合力为零;最后，通过两道例题，展示如何运用共点力平衡的条件解决问题，其中涉及到合成法、分解法与正交分解法。学习本节内容，不仅能帮助学生应用已学的物理规律，而且能加强学生“运动与相互作用”的物理观念，为“运动和力的关系”一章的学习打下基础。

2    学情分析

2.1    认知层面

学生已经对运动和力有一定的认识，生活中也有相关的经验及体会，并且具备一些对解决生产生活中问题的认知，但仍需要熟悉强化。

2.2    知识层面

掌握了二力平衡的条件、三种性质力、力的合成与分解、牛顿第三定律等基本力学知识。

2.3    能力层面

学生已经具备了一定的观察分析、类比推理、模型构建以及实验设计等能力，有自己的一套科学探究的思路，但仍需要在实践中加强。

3    教学目标

3.1    物理观念

通过下列知识目标的实现，初步形成运动与相互作用观念：

（1）学生建立共点力及平衡的概念，知道共点力作用下物体的平衡状态。

（2）学生掌握共点力作用下物体平衡的条件，并能用此分析生产生活中的实际问题。

（3）学生通过具体的平衡现象，渗透运动及相互作用观念。

3.2    科学思维

（1）学生通过探究多力平衡的条件，得到等效替代、类比推理等科学思维能力的培养。

（2）学生通过解释生产生活中的平衡现象，得到构建物理模型的科学思维能力的培养。

3.3    科学探究

（1）学生设计探究三力平衡条件的实验方案，得到方案设计、动手操作等能力的培养。

（2）学生能解释生产生活实际中的平衡现象，得到解释交流等能力的培养。

3.4    科学态度与责任

（1）学生通过小组间相互交流讨论解决问题，得到小组合作探究的意识以及团队精神的培养。

（2）学生通过生活中奇妙的平衡现象，体会物理源于生活，并用于生活，提升探索兴趣。

（3）学生通过实验探究静止和匀速直线运动状态下共点力平衡的条件，体会严谨认真的科学态度。

4    教学重难点

（1）教学重点：探究物体在共点力作用下保持平衡的条件，并用此条件解决实际问题。

（2）教学难点：设计实验方案，探究物体在三个共点力作用下平衡的条件。

5    教法与学法

（1）教法：讲授法、演示法、实验法。

（2）学法：观察法、讨论法、自主学习法。

6    教学流程（图1）

7    教学过程（表1）

8    板书设计（图17）

9    教学创新点

本教学设计紧密围绕“培养学生问题解决能力”这一教学目标，发展全体学生的物理学科核心素养，在教具、教学内容、教法三方面进行了创新，具体说明如下：

9.1    教具创新——做促进学生理解知识的教具

（1）利用生活中常见的物品，设计一个趣味演示实验，通过学生对倾斜拉着水杯的绳子为何会先断的猜想，引出探究主题——共点力平衡的条件，并利用探究结论解释演示实验中的现象，做到首尾呼应，使学生对新知识印象更深刻。

（2）本节教材没有实验，且仅在理论层面上从二力平衡的条件直接推导出多力平衡的条件，知识跨度较大，学生不易理解。因此，该教学设计从三力平衡开始进行实验探究，让学生利用自制的简易道具设计探究方案，得出三力平衡的条件，再进行知识和方法的迁移，得出多力平衡的条件。再者，由于传统的力的合成实验存在较大的作图误差，为了优化实验，该教学设计利用信息技术手段，将实验画面拍照上传到几何画板来作力的图示并进行力的合成，较好地减小了实验误差。

（3）由于学生不了解处于匀速直线运动状态的物体的受力情况，因此，该教学设计中还展示了一个实验视频，用以说明物体在匀速直线运动状态下的受力情况与静止时一致，从而完整地证明了处于平衡状态（静止或匀速直线运动状态）的物体合力为零，在提高学生科学探究能力的同时，培养其严谨认真的科学态度。

9.2    內容改造——做重点突出的教学内容设计

本节课属于物理规律应用课，需要学生学会应用基础的力学、运动学等知识，得出共点力平衡的条件，并用此解释与平衡有关的现象。但是，应用的前提是牢固的理论基础，而许多关于本节课的教学设计，多为习题课，在学生知识基础不牢的情况下，急于让学生应用知识，效果欠佳。因此，本节课的重点在于从理论和实验两个层面，探究出共点力平衡的条件，再解决与平衡有关的问题。

9.3    教法创新——做教会探究新知的物理课堂

本教学设计采用“递进的探究式教学”，遵循从易到难、从现象到本质的探究式教学规律，让学生逐步进行知识层面和方法层面的迁移，最后顺利归纳出共点力平衡的条件。这种教学方法符合“深度教学”所推崇的“U型学习”理论[5]，让学生在真实的生活情境中，将书本知识还原为“经验”，建立起书本知识与个人经验的联系，再通过探究过程进行知识的自我加工，形成深刻的理解，从而得到物理学科核心素养的发展，让学生感受到探索新知、创新创造的魅力。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册[M].北京：人民教育出版社，2019： 76-79.

[2]熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020， 37（05）： 1-4，16.

[3]李孟军，杨克巍，赵青松，等.本科教育课程质量建设的新视角——“金课”的开放性要求及闭环运行机制[J].高等教育研究学报，2019，42（03）：18-21.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：12.

[5]郭元祥.论深度教学：源起、基础与理念[J].教育研究与实验，2017，36（03）：1-11.

（栏目编辑    邓   磊）