核心素养视角下物理课堂教学有效性的思考

韩媚,何章明

（湖南工业大学理学院，湖南株洲 412007)

一、高中物理学科核心素养的主要内涵

物理学科核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生科学素养的重要构成。高中物理课程要培养的核心素养有四方面，主要是物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。[1-3]

失重和超重是高中物理教学大纲中极为重要的内容。本节是在学生掌握牛顿运动定律及其应用的基础上，进一步研究牛顿运动定律在现实生活中的应用.它是牛顿运动定律应用的典型例子，是高考重点关注的内容。本文将以失重和超重教学设计为例，阐述基于物理核心素养如何提高课堂教学的有效性。如表1所示，我们根据物理学科的核心素养来确定本节课堂教学设计的教学目标。

二、体现物理核心素养，提高课堂教学有效性

（一）创造实际情境，提出问题，建构物理观念

在课堂教学中，引导学生从实际生活情境中感知、分析和总结物理知识，构建物理概念。在接下来的文章中，详细阐述了如何通过课堂教学，让学生形成“失重和超重”的概念，体现运动和互动的概念。

教学活动1：创设情景，提出问题：坐电梯时的体验：电梯开始上升有“下坠”加重感，电梯开始下降有“上飘”减轻感，难道体重会发生变化吗？

教学活动2：回顾重力测量的两种方式。

1.测量物体质量，再乘以所测量的重力加速度得到重力G=mg（实重）。

2.利用物体处于平衡状态来测量重力（如图1、图2所示）。

图1

这里给出视重的概念：测量显示的读数（视重）是指物体对台秤的压力或对弹簧测力计的拉力。引导学生根据实验和以往的知识储备初步得到：平衡时，实重等于视重.接着教师提出问题：假设台秤或测力计上的物体处于非平衡状态呢？实重和视重是否还相等？引发学生思考。

教学活动3：观察和思考，体验和探索。

1.用细线挂着一个钩码，分别处于平衡状态和快速往上提状态，观察现象。用弹簧测力计拉重锤做变速运动，观察指针示数的变化，发现：

（1）静止时，细绳没有断，当快速往上提时，细绳断裂。引导学生得出：平衡时拉力等于重力，而细绳断裂是由于向上的拉力大于绳子能承受的力。

（2）弹簧测力计向上运动到静止：示数变大，变小再到不变。弹簧测力计向下运动到静止：示数变小，变大再到不变。现象直观明了，让学生了解到：作用在物体上的力发生变化的原因是物体运动状态（速度大小）的改变。

2.让一学生站在体重计上做下列运动，观察体重计的示数变化。

A：在体重计上静止不动；B：在体重计上迅速蹲下；C：在体重计上迅速站起。

然后可观察到，

静止：视重=实重；

迅速蹲下：先视重＜实重，后视重＞实重；

迅速站起：先视重＞实重，后视重＜实重。

把其中观察到的现象取名——失重和超重，初步形成物理概念.并引导学生认识到：物体运动状态（速度大小或速度方向）的改变将使作用在物体上的力发生变化，从而反映出运动与相互作用的观念。

（二）设计实验，科学探究物理规律

在获得物理概念之后，马上在这个基础上提出新的问题：产生这一现象的原因是什么？或者说产生的条件是什么？实质是什么？因此，我们利用力传感器，观察在磅秤上再现人体快速下蹲和快速站立的过程，分析人的运动情况（如表2所示），探索失重和超重的现象。利用计算机作出F-t图像，记录传感器地力随时间变化的曲线，通过电脑投屏的方式，让学生同步观察曲线的变化过程（如图3和图4所示），增强体验感.

图3 下蹲

图4 起立

表2 力传感器上人运动情况分析

让学生从屏幕上看出：当物体有向上的加速度时，物体出现超重现象；当物体有向下的加速度时，物体呈现失重状态；从而引导学生对科学探究过程和结果进行交流，经过理论分析和实验验证，得到失重和超重现象产生的条件是有加速度，与速度方向无关。

（三）加强实例应用，培养科学态度与责任

为加强巩固从实验探究得到的知识，我们设计了几个典型应用，用牛顿第二定律探究生活中的失重和超重现象，从不同的角度解决动力学问题，培养质疑和创新意识。

教学活动4：播放提前录制好的电梯运行视频，让学生观察放在台秤上的物体在随电梯运行时，台秤示数的变化.

既然已经探究出了产生失重和超重的条件，那就可以解释人坐电梯为何会有上漂或下坠感，用理论解释课程开头创设的情景，真正做到学以致用，引导学生对物体的运动情况和受力情况进行分析（如图5所示）。

图5

这里正确引导学生按照下面逻辑思考：确定研究对象→进行受力分析→规定正方向→列式求解→结合牛顿第三定律对结果进行分析与讨论。

电梯加速上升：F-mg=ma F′=F=ma+mg

电梯减速上升：mg-F=maF′=F=mg-ma

电梯加速下降：mg-F=maF′=F=mg-ma电梯减速下降：F-mg=ma F′=F=ma+mg

教学活动5：构建弹簧振动模型，还原生活实例——蹦极（如图6所示）。运用牛顿第二定律解释蹦极运动中体现的超重和失重现象，利用这个模型把本节课的重难点（产生失重和超重现象的原因和条件）巩固加强.这里体现了物理源于生活，从生活到物理，从物理到社会的教育育人理念，进一步培养学生分析和解决实际问题的能力。

图6

教学活动6：认识完全失重现象。

1.课堂小实验：在矿泉水瓶的瓶口处开一个小孔和靠近底部开两个小孔，装满水拧紧瓶盖，这时，由于水的重力作用，会使水从靠近底部的小孔射出。接着将这个装水的瓶向各个方向抛出，让学生观察水是否会从底部小孔射出。结果是：水不会从小孔射出来。

引导学生讨论得出物体做自由落体运动，即加速度a=g时，物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）等于零，从理论和实验两个角度给出完全失重现象的概念。

2.完全失重环境下的太空授课及质量的测量。

播放“神舟十号”宇航员王亚平在太空授课的动画视频，介绍宇航员在完全失重的情况下完成悬空打坐、小球做单摆运动和液体表面张力三个小实验，让学生对完全失重有个更加直观的感受，可以反问学生：为什么在完全失重的环境下所有靠重力效应工作的仪器都失效？引导他们自己获取答案。并介绍宇航员在为人类进军宇宙和探索宇宙中所作的重大贡献，重点介绍我国在航天航空方面取得的成就和发展，激起爱国情怀，点燃航天梦。同时，在“自觉观察自然和社会规律，努力探索和发现事物运行和发展规律”中渗透着航天员的科学精神，在“自觉维护、追求和关注人的尊严、价值和命运”中渗透着人文精神。

回应课程开始对物体质量的测量，让学生思考：在完全失重的情况下，如何测得人的质量？

播放太空授课视频（链接中国首次太空授课全程回顾 测航天员质量.mp4）：给介绍学生在失重的情况下如何应用牛顿第二定律测量物体的质量，并简单介绍一下牛顿第二定律的适用范围。

（四）科学推理，科学论证，提升科学思维

在对本节课进行的教学讨论过程中，主要考虑从以下的三点着手来帮助拔高学生们的科学思维。

1.超重、失重现象的归纳、概括和推理论证过程

通过列举日常生活中不同场景的例子和创设的场景，一方面引出“失重和超重”现象，另一方面，让学生知道“失重和超重”现象是日常生活中常见的现象。我们还知道，当物体相对静止时，物体对支持物的压力（或对悬挂物体的张力）等于物体的重力（事实）。当物体运动时，物体的重力不变（事实），但对支持物的压力（或对悬挂物体的张力）发生了变化（现象）。根据以上事实和现象，我们可以推导出：引起压力或张力变化的原因是物体的速度（结论）。

2.“失重和超重”现象的本质的分析、条件的探究设计

速度是引起失重和超重的原因，具体是因为速度方向还是速度大小呢？我们设计了探究实验：重现人在体重计上快速下蹲和快速起立过程，并利用计算机作出F-t图像，记录传感器的力随时间变化的曲线，引导学生对实验结果进行分析。

当人快速下蹲时，出现先视重小于重力，后视重大于重力，即出现了先失重后超重的现象；当人快速起立时，出现先视重大于重力，后视重小于重力，即出现了先超重后失重的现象。至此就可以推出：速度方向不是引起失重和超重的原因，速度大小的变化才是导致失重和超重的原因，得到失重和超重现象的条件和实质是：有加速度。

3.失重和超重、视重、与重力的辨析

学生学习这一节内容，大部分学生误以为发生失重和超重现象是因为物体的重力产生了变化，而完全失重现象则是物体没有受到重力，重力为零。所以在设计实验探究的过程中，F-t图像记录传感器的力随时间变化的曲线可以直观说明物体重力没有变，变的是视重。完全失重则是物体受到的压力或者拉力为零的特殊情况，而重力并没有变化。这里纠正学生的思维误区。

三、结束语

综上所述，本次教学活动的创新点是在开展前先分析了学生学情，知道学生虽然学了牛顿第二定律，但对“从亲身感受的现象当中—提出探究的物理问题—分析现象背后的物理本质—设计实验进行验证”的研究思路和方法还不熟。所以，首先，创设学习情境，通过引导学生对生活实例的切身观察和感受，提出几个与学生感兴趣的知识密切相关的问题，构建物理学概念。其次，引导学生在科学实验探究的基础上探索新知识，进行理论分析和实验验证，从而提高思维判断能力，得到实验结论。最后，运用这一知识点，发挥学生的自主性，解决生活中的问题，回应引入环节的驱动问题，渗透爱国情怀和人文精神，将物理核心素质的培养付诸实践。