基于核心素养的生态课堂实践

王益华

【摘要】从教学实践出发，对人教版必修第二册第六章第四节“生活中的圆周运动”中的“火车转弯”专题做了一些探讨和尝试.对教材内容进行精加工、细处理、再拓展，彰显了物理学科的核心素养，让学生在掌握知识的同时提升思维品质.

【关键词】核心素养；火车转弯道；外轨超高

1 引言

“生活中的圆周运动”是一节规律应用课，是“曲线运动”全章内容的总结与提升.教材的编写意图很明显，让学生体会到“理”在“物”中，属于应用所学理论知识解决现实问题的典型事例.然而，“火车转弯”这一专题的实际教学效果并不理想，究其原因有三：其一，火车弯道这一真实情境不为学生关注，坐过火车且真正关注到火车车轮的独特结构的学生少之甚少［1］；其二，教材给出的文字和图片信息过于简单，不利于学生开展有效自主学习；其三，教师自身对该内容的科学知识本质认识不够，同时缺乏对教材内容的系统研究.

课堂教学的目的是通过教学活动把知识发生、发展的逻辑过程，转化为学生的思维过程.为此，教师需要揭开教材严谨抽象的面纱，整合各种教学资源，把真实的物理现象和过程呈现给学生，丰富学生对概念和规律生成过程的体验，形成主观性理解和判断，理解物理概念和规律的内涵与外延.2017版普通高中物理课程标准提出：“物理核心素养是学生在学习物理学科知识的过程中逐渐形成的正确价值观、必备品格和关键能力，主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等4个要素构成.”其中的“物理观念”表现水平有如下表述：具有物理观念，能从物理学的视角描述和解释自然现象，能应用物理知识解决实际问题［2］.那么“火车转弯”如何呈现给学生，如何指导学生应用已有物理知识解决这一实际问题.教师只有在课堂设计过程中充分突出学生的主体地位，在学生的就近发展区组织、开展教学活动，才能引导学生建立正确的科学本质观，把核心素养的培养落实到位.

2 引入

随着城市化进程的加快，相比于火车弯道，汽车弯道更常见，更易让学生在认知上产生共鸣.可以对转弯过程中的汽车进行运动和受力分析，以建立力与加速度之间的联系.图1是苏州绕城高速一处匝道的路面，设计明显外侧高于内侧.

问题1 为什么路面需要有外高内低的设置？

问题2 若忽略次要因素，将这一转弯过程简化成圆弧路面上的匀速圆周运动，如何确定汽车向心加速度的方向？

问题3 引导学生进行运动和受力分析，找寻力和加速度之间的联系.

（1.先画出汽车圆周运动的轨迹圆，确定其圆心和半径.2.沿半径方向的合外力提供向心力，如图2所示.）

问题4 表达式是怎样的？汽车做匀速圆周运动的最大速度与什么因素有关？

（关系式如下：tanθ=manmg=v2Rg ）

点评 基于身边易感知的真实情境，循循善诱，符合学生认知规律，学生更感兴趣，课堂氛围更好.

3 新课

相较于汽车，火车的运输效能更大.但其质量巨大，需要特别的车轮和运行轨道，如图3.介绍车轮独特构造：“踏面”用于承重，“轮缘”用于引导火车运行.

教师 火车的弯道应如何设计？

学生 外轨高于内轨.

教师 现实中如何操作？

播放视频 老师在铁路弯道上现场调查，与技术员交流，按现实生活中数据计算弯道外轨需要垫高的高度［3］.其中涉及到的数学、物理知识有：

sinθ=hL ，  tanθ=v2Rg ，  sinθ=tanθ（当sinθ很小时），

最终得出火车转弯速度v的表达式：v= hRgL（其中h为内外轨高度差，R为火车的弯道半径，L为火车轮距）.

教师 如果火车经过弯道时实际运行速度与规定速度不相等会如何？

学生思考、讨论.

教师总结 速度偏大，火车改变运行方向需要的向心力大，车轮踏面所受弹力沿水平方向的分力不足以提供向心力（俗称“供不应求”），此时外侧车轮轮缘与轨道发生挤压，产生向内的弹力作为补充，容易损坏外侧轨道；反之，速度偏小，火车需要的向心力小，踏面所受弹力沿水平方向的分力大于转弯需要的向心力（俗称“供大于求”），内侧车轮轮缘与轨道发生挤压，产生向外的弹力用于抵消，容易损坏内侧轨道.

介绍2013年7月西班牙客运火车发生脱轨事故，如图4所示.引导学生分析形成事故的原因.

点评 循序渐进，突出物理知识的建构过程，符合教学逻辑.

4 巩固

例 某同學设计了一种能自动转弯的轮子.如图5所示，两等高的等距轨道a、b固定于水平桌面上，当装有这种轮子的小车在轨道上运行到达弯道略微偏向轨道外侧时，会顺利实现转弯而不会脱轨.图6所示的轮子中，能实现这一功能的是（  ）

试题分析 由图可知，轨道a为外侧轨道，转弯时应保证外侧高于内侧.其中（A）选项车轮向a轨侧移，a轨上外侧车轮抬升，b轨上内侧车轮下降，形成“外高内低”.（B）选项结论与（A）相反.（C）（D）选项：内外车轮同升同降，不符合题意.故选（A）.

点评 立足教学实际，让学生学有所用，体会到学习快乐，增强学习自信.

5 拓展

师者学高，核心素养的落实也体现在课堂知识的广度和深度上，这源于教师日常知识的储备和积累.

5.1 踏面、轮缘

实际上压向钢轨的“踏面”（和钢轨顶部接触的部分）也不是圆柱体.一般踏面斜度分为1：20和1：10两段.前者是经常和钢轨顶面接触的部分，可以调整内外车轮的滚动直径，便于通过曲线，也可以在直线上自动调中并使踏面磨耗比较均匀.后者只在曲线上才能与钢轨顶面接触.这样设计的目的是保证火车在弯道时由于离心作用致使外轨侧车轮轮缘紧贴钢轨侧面，内轨侧车轮轮缘与钢轨侧面留有一个间隙，使火车很容易顺利地通过曲线.为防止车轮脱轨，火车车轮踏面的内侧制成凸缘，通俗地称为“轮缘”.

5.2 外轨超高

外轨超高就是把内侧钢轨保持在原来的水平，而把外侧钢轨抬高一定的高度.曲线上的外轨超高一经设置，便成为一种固定设施.当行驶速度v与规定速度v0不一致的列车通过时，实际需要的外轨超高和实际设置的外轨超高就不适应.若前者大于后者，就称为曲线上外轨“欠超高”，反之称为“余超高”.为确保行车安全和旅客舒适，延长钢轨的使用寿命，我国铁路规定：一般情况下，欠超高Δh不得超过60～75mm，在困难情况下，不得超过90mm.按最大容许欠超高Δh的规定，通过超高为h曲线的最高允许行车速度：vmax= h+ΔhR11.8.

5.3 轨距加宽

轨距加宽是指将曲线外轨保持在原来的位置上，把内轨向曲线中心方向移动.曲线上，为使固定轴距较大的机车车辆能顺利通过，避免车轮被卡住，并尽量减少轮轨摩耗及对轨道的破坏作用，可以通过“轨距加宽”让车辆以“自由内接”（即车辆转向架上的最前軸外轮与曲线外轨接触，最后轴则位于曲线半径的方向上）的方式顺利通过.但轨距过大，车轮压在钢轨面上的宽度太小，有掉道的危险，而且行车也不平稳.根据计算：曲线上的最大容许轨距应为1450mm，即最大加宽15mm（直线地段的轨距为1435mm）.

点评 生态课堂的建设需要教师在教学设计中主动突破“是什么”的教学瓶颈，多引导学生思考“为什么”和“还有什么”.

6 教学建议

学生是知识的主动建构者，不是被动盛装的容器.教育的目的也不是把篮子装满，而是将学生唤醒，把他心中的灯点亮.物理知识、思维、方法的习得只有通过学生实践、亲历，才能内化于脑海.这要求日常教学中教师更应多从真实情境着手，多营造实验氛围，彰显教学逻辑，突出知识的建构过程.让学生养成见物讲理，勇于探究的学习习惯.只有这样的课堂才是“接地气”的、生态的；才能真正培养学生的正确价值观、必备品格和关键能力.

参考文献：

［1］杨亚芳.基于物理核心素养提升的教学设计——以“生活中的圆周运动”为例［J］.物理教学，2016（5）：11-15.

［2］田春凤，郭玉英.教师对科学知识本质的认识及其教学影响——基于对一线教师的调查［J］.物理教师，2018（11）：2-4+9.

［3］童大埙.铁路轨道基本知识［M］.3版北京：中国铁道出版社，1997.