基于情境与问题导向 培育学生核心素养

摘 要：以超重和失重课堂教学为例，以发展学生的核心素养为目标，结合生活实际并利用现代信息技术创设了各种场景下的探究情境，引导学生观察、体验、探究、讨论，再现知识产生的过程；以物理情境为背景，以情境问题为驱动，以问题链为引导，培育学生核心素养。

关键词：情境；问题链；科学思维；核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）9-0092-5

《普通高中物理课程标准（２０１７ 年版２０２０ 年修订）》（以下简称“课程标准”）中指出，高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力［１］。其中在教学建议中的第二条指出：在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设；创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用［１］。《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中提出，要积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学［２］，为课堂教学改革指明了方向。

课堂教学的重点是发展学生的核心素养，课程标准中要求学生具有建构模型的意识和能力；能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论；具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测；具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新［１］。

基于课程标准的要求，以高中物理新教材必修一第四章的第6节“超重和失重”课堂教学为例，创设了多场景的探究情境，借助现代信息技术，引导学生进行体验、观察、思考、猜想、推理、论证、解释、交流等过程，深化科学思维，开展科学探究，形成严谨认真的科学态度和正确的价值观，培育学生的核心素养，体现了课程的育人价值。

１ 教学思路设计

本设计的思路如图1所示。

２ 课堂教学设计

２．１ 课堂教学引入

情境１：用体重计称体重。

（１）在手机和电脑上同时安装ｉＶＣａｍ 投屏软件（图2），利用该软件将体重计的表盘投影在大屏幕上（图3），请一个学生站到体重计上，其他学生读出她的体重值。

（２）请站在体重计上的学生做下蹲的动作（图4），其他学生再次读出她的体重值。

（３）师：刚才读数时，同学们基于生活经验，都是在这位同学静止时读出了她的体重值，我们知道，体重计显示的示数反映了人对于体重计的压力。

问题１：为什么当人静止时，人对体重计的压力就等于人的重力？

问题２：刚才这位同学下蹲时，体重计的示数是始终不变的吗？

设计意图：从生活中常见场景——称体重引入，展示称体重的过程，先站稳、再读数，根据这一生活经验提出问题１，引导学生应用二力平衡、牛顿第三定律等相关知识来解决实际生活中的问题，体现学以致用的思想。

在问题２中，根据人不站稳，体重计的示数就会变化的生活经验及刚才的观察，提出本节课的研究主题：在人下蹲的过程中，体重计示数的变化有怎样的规律，其中的原因是什么。

２．２ 探究活动１：人下蹲的过程中，体重计示数变化的规律

（１）学生在体重计上再次做下蹲的动作。

问题３：刚才这位同学下蹲时，体重计的示数相对于自身的重力如何变化？

生：有时变大，有时变小。

设计意图：把平时不太注意的细节放大，引导学生发现其中的规律，然后进行探究。由于体重计指针摆动的视觉快慢受人下蹲快慢、电脑运行速度、网络传输、大屏幕硬件及诸多因素的影响，有时观察不太清楚，只能看出指针摆角有时变大，有时变小。

师：这说明人对体重计的压力有时大于自身重力，有时小于自身重力。我们把压力大于重力的情况称为超重，把压力小于重力的情况称为失重，把体重计显示的示数称为视重。超重时视重大于实重，失重时视重小于实重。在什么情况下发生超重现象，什么情况下发生失重现象呢？

由于体重计的示数变化太快，不太容易观察研究，因此用压力传感器代替体重计继续进行研究。

（２）压力传感器（图5）代替体重计。

情境２ ：压力传感器实验。

①教师分析压力传感器的原理及其优点：可以将压力信号转化为电信号，并通过计算机显示出来，其精度、灵敏度高，可以直观显示出压力Ｆ和时间ｔ图像（以下简称“Ｆ－ｔ图像”），然后引导学生用手反复压压力传感器，并观察Ｆ－ｔ图像的变化，增强传感器实时测量压力形成图像的直观印象。

②请一个学生站到压力传感器上保持静止，此时Ｆ－ｔ图像为一条横线。教师提示，此时人对传感器的压力就等于人自身的重力。

③请这个学生做下蹲的动作，并实时显示出Ｆ－ｔ图像（图6）。

问题４：图中什么区域出现了超重现象，什么区域出现了失重现象，你是怎么看出来的？

问题５：我们发现，在人下蹲的过程中，先失重后超重，既有失重又有超重。可见，超重、失重的产生和人的运动有关。在人下蹲的过程中，人做了什么性质的运动呢？

生：向下加速，向下减速。

问题６：物体的运动可以用速度ｖ和加速度ａ 同时来描述，在人下蹲的整个过程中ｖ、ａ的方向如何？ｖ、ａ这两个物理量哪一个和超重、失重有关呢？发生超重和失重时，这个物理量具有怎样的特征？

学生讨论得出结论：和超重、失重相关的物理量是加速度。超重时，加速度方向向上；失重时，加速度方向向下。

问题７：我们本章的主题是运动和力的关系，请同学们用运动和力的关系进行证明：为什么加速度方向向上时就会出现超重现象，反之就会出现失重现象。

设计意图：借助压力传感器，即时展示人下蹲过程中的压力Ｆ－ｔ图像，让学生明显感觉到下蹲的过程不是单一的超重或失重，而是先失重后超重，和学生的原有认知有冲突，激发学生的探究兴趣。对人下蹲的动作进行探究，得到其运动性质，并反映到速度ｖ和加速度ａ的方向上，然后找出和超重、失重相关的运动学物理量，并探究得出发生超重、失重时这个物理量的方向特征，引导学生从运动和力的理论层面来证明已发现的规律。整个过程经历了模型建构、科学推理、科学论证等科学思维过程，遵从学生的认知规律，从现象到本质、从感性到理性、逐层进阶，发展了学生的科学思维。

问题８：人在站起的过程中，是否有超重、失重现象？如果有，会是下列图像（图7）中的哪一个呢？

生：选Ｃ，先超重后失重。

然后，请一个学生先蹲在压力传感器上保持静止，听指令站起，通过传感器显示出Ｆ－ｔ图像加以验证。最终显示出下蹲、站起整个过程中的Ｆ－ｔ图像（图8），由学生再次总结出超重、失重的运动学特征：在下蹲和站起的过程中，如果加速度方向向上（包括向上加速、向下减速），就会出现超重现象；如果加速度方向向下（包括向下加速和向上减速），就会出现失重现象。

设计意图：通过下蹲过程中人对传感器压力规律的探究得到了超重、失重的运动学特征和动力学解释，通过问题６把分析方法迁移到站起过程中，巩固学生的科学思维，通过问题７，则对整个下蹲、站起的过程进行抽象、概括，归纳出本质特征。

２．３ 探究活动２：电梯中的超重、失重现象

情境３：电梯内实验（图9）。

（１）课前把压力传感器搬进电梯，请学生站到压力传感器上，让电梯从一楼运动到五楼，然后又从五楼运动到一楼，用压力传感器记录了人对传感器的压力随时间变化的情况，同时利用手机记录了电梯的加速度随时间的变化情况。

（２）展示电梯上行、下行整个过程中传感器即时记录出的Ｆ－ｔ图像和同时用手机记录的ａ－ｔ图像（图10）。

（３）对比整个过程中的Ｆ－ｔ图像和ａ－ｔ图像（图１1），请学生再次总结出在电梯情境下超重、失重的运动学规律。

（４）例题：从传感器图像上可知，电梯静止时该同学对传感器的压力是４９３ Ｎ，可算出ｍ＝４９．３ ｋｇ，电梯加速上升时，电梯的加速度最大值可达到ａ＝０．６７ ｍ/ｓ２，请同学们计算一下此时该同学对传感器的压力，ｇ＝１０ ｍ/ｓ２。

经过计算，得出该同学对传感器的压力为５２６ Ｎ，然后再显示传感器显示的压力数值（图１2）和同学们计算的结果相同。

设计意图：从生活实际出发，对电梯问题进行研究，采用现代信息技术，同时显示人对电梯的压力和电梯的加速度随时间变化的关系，增加了超重、失重运动学特征的直观证据。从实验现象到运动性质、动力学解释、实验论证逐层递进，对超重、失重形成了完整的认知体系，并在这一情境下设置例题，推算电梯加速时人对传感器的压力，计算结果和传感器显示的值一致，体现了理论和实际的完美融合。

２．４ 实验：拉力情境下的超重、失重现象

情境４：把钩码挂在弹簧测力计上（图１3），从静止开始分别向上、向下运动直至静止，观察测力计示数的变化。

设计意图：前面人下蹲站起及电梯实验反映的都是压力情境下的超重、失重现象，在拉力情境下是否也能产生超重、失重现象呢？通过这个实验可以把拉力情境下发生的超重、失重情况补充进去，从而把超重、失重的定义补充完整。

２．５ 实验：完全失重现象

情境５：测力计落体实验（图１4）。

（１）自制教具：将圆盘测力计固定在整理箱内，测力计的挂钩上挂上一个钩码。如果这套装置做自由落体运动，请同学们计算一下，钩码对圆盘测力计的拉力为多少？

生：为０。

（２）静止释放该装置，请同学们观察测力计的示数，再慢放课前录制的视频，发现圆盘测力计的示数为0，然后给出完全失重的定义。

设计意图：在课堂上展示出物体完全失重时的作用效果，激发兴趣，给学生直观的印象，用实际来验证理论。

２．６ 视频：超重、失重的应用与防止

情境6：播放王亚平太空授课、神舟十六号的部分视频。

通过我国航天员王亚平的太空授课，让学生了解在完全失重条件下，液滴呈现标准的球形，水中气泡浮力消失。根据这些现象，人们思考利用完全失重的环境制作理想滚珠和高品质的泡沫金属（图１5）。播放神舟十六号飞船升空、运行、返回部分过程，介绍中国航空航天领域取得的成就，引导学生分析出在航天器中如何操作才能减少超重、失重对人体带来的伤害。

设计意图：介绍超重、失重的应用与防止，落实立德树人的根本任务，提高民族自豪感，鼓励学生努力学习、报效祖国，体现科学态度与责任担当。

２．７ 实践性作业

作业１：图１6为某位同学缓慢下蹲站起、快速下蹲站起的图像，通过标出的数据，分别求出两种情况下人加速下降时的最大加速度。

作业２：利用自制教具——完全失重演示仪，在课堂上演示实验（图１7）：两个蹄形磁铁Ｎ、Ｓ极相对，间隔一定距离放在整理箱底部，静止时两个磁铁没有吸引到一起，释放后，两个磁铁吸到了一起，请分析原因。

作业３：请利用完全失重演示仪在课下研究更多的完全失重实验。

设计意图：从图像中获取信息，用理论来解释实际问题；设置情境化作业，维持探究的热情，促进核心素养的形成与发展。

３ 总结与反思

物理学是一门自然学科，因此物理教学不能脱离情境，物理学也是在解决不同的情境问题中逐步发展和完善起来的，因此物理课堂上尽可能创设真实的情境，引导学生观察、体验。另外，物理学不是对客观事物的简单描述，而是对其本质属性的抽象和概括，这就需要设法引导学生进行模型建构、科学推理及科学论证，逐步养成和发展学生的科学思维能力，从而培育学生的物理学科核心素养。

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2020年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20．

［２］中华人民共和国教育部.国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见［ＥＢ／ＯＬ］．（2019-06-１１）［２０２４－０６－２６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｅ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｊｙｂ＿ｘｘｇｋ／ｍｏｅ＿

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（栏目编辑 李富强）