指向学生“物理观念”形成与发展的教学实践——以人教版高中物理必修1“弹力”教学设计为例

左祥胜 吴春峰

(江苏省宿迁中学，江苏 宿迁 223800)

1 问题提出

《普通高中物理课程标准(2017版)》明确提出在高中物理教学中要培养学生的物理核心素养．物理核心素养就是学生在物理学习过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展的必备品格和关键能力．学生素养的养成既是课程改革的目标,也是社会发展的必然要求．物理核心素养由“物理观念”、“科学思维”、“科学态度与责任”、“实验探究”4个要素组成．其中,“物理观念”处于物理核心素养的首要位置,因为,“物理观念”既是其他核心素养形成和发展的基础,又是原来三维目标中的“知识与技能”的提炼和升华．“物理观念”在物理教学中的地位与作用,可以用德国物理学家劳厄一句话来阐述,“教育给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下的东西．”“物理观念”就是知识逐渐淡化甚至遗忘后所“剩下的东西”的东西．

2 指向学生“物理观念”形成与发展的教学设计

物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及运用才能逐步形成的．学习概念和规律是学生形成物理观念的有机组成部分.通过对物理概念和规律的逐步学习、系统反思和迁移应用,可促进学生的物理观念、运动与相互作用观念和能量观念不断发展,使其学会这些观念解释自然现象,解决生产生活中的实际问题．指向学生“物理观念”形成与发展的教学设计,就是在教学过程中要关注学生学习过程,创设与生活相关联的真实情境,注重科学方法渗透,突出实验在物理教学的地位与作用,促进学生自主、合作、探究地学习．这就迫使我们在实际教学中,要牢固树立知识学习服务于学科观念建构的意识,摒弃“知识为本”的短期行为．

教学实施过程.

教学情景1(了解学情,教学更有针对性):熟知初中物理教材,适时适度推进学生认知进阶.

在苏科版义务教育教科书8年级下册物理教材中,有一节“力 弹力”的教学内容,教材从力的概念讲起,让学生明确什么是施力物体、什么是受力物体;了解形变的概念,知道弹性形变(形变的物体在撤去外力后能恢复原状);弹力的概念(物体发生弹性形变后,力图恢复其原来的形状,而对另一物体产生力,这个力叫做弹力);介绍了弹簧测力计构造,原理及使用方法,力的大小可以用弹簧测力计来测量．教材中并没有提到弹力方向和胡克定律．看来,学生在进入高中之前对弹力的概念已经有了初步的了解,但对如何求弹力大小和方向还不明确．因此,本节课的教学应达到如下目标:知道常见的形变,通过实验了解物体的弹性;知道弹力产生的原因和条件;知道压力、支持力和绳的拉力都是弹力,会分析弹力的方向;通过实验探究弹力和弹簧形变量的关系,理解胡克定律．

教学情景2(体验弹力的产生):联系生活创设教学情境,实现物理观念有意义构建.

师:体育运动项目是同学们都非常热爱．运动不仅能使我们心理、身体得到放松,还能给我们带来精神上的愉悦．2018年第18届雅加达亚运会上,我们运动健儿顽强拼搏,发扬奥林匹克精神,不负众望,以132金、92银、65铜位于奖牌榜首位．在比赛的过程中,有许多精彩瞬间,值得我们去品味．请同学思考,图1运动项目动作的完成有什么共同特点?

生:一是动作的完成都必须借助于与之接触的物体来实现;二是相互接触的物体都要发生形变．

师:我们这节课就来学习弹力．

(通过学生对日常生活中常见的力进行回忆,创设情境,引出对常见力的分类,直接引出本节的课题)

师:初中物理教材是如何定义力的;力的作用效果有哪些?

生1:力是物体与物体之间的相互作用．

生2:可以改变物体运动状态;也可以使物体发生形变．

师(学生活动):请同学们利用身边的物品,完成如下活动(挤压课桌,弯曲尺子、拉伸弹簧秤、捏橡皮、压海绵等),联系生活中的挤压皮球、捏面团等,观察或回忆它们的形变,看看有什么不同?

生:有的物体发生的形变在力撤去后能恢复(弹性形变),而有的物体发生的形变在力撤去时不能恢复(塑性形变)．

师:用力拉伸弹簧时,弹簧是否一定发生弹性形变呢?

生:不一定．

师(演示实验):用大小不同的力拉伸弹簧,直至发生塑性形变．

(在总结经验与学生观察的基础上,给出弹性限度的概念,向学生渗透“由量变到质变”哲学思想．)

教学情景3(探究微小形变发现过程):巧设实验探究微小形变,渗透科学方法与发展学生思维能力.

师(问题):弹簧、海绵等物体在受到外力作用时都发生了较为明显的形变．那么,是不是物体只要受到了力,物体就会发生形变呢?用力压课桌,你观察到课桌的形变了吗?

生:用力按压桌子,不容易观察到桌面的形变．学生互相讨论,有的学生认为有,有的学生认为没有(课堂气氛活跃)．

图2

师:按图2在讲桌上布置好实验器材,请一位同学上讲台演示给全班同学看,并思考发生这一现象的原因．

生:当在图中沿力F方向向下用力时,光点向下移动;当放手后,光点向上移动．

师:当我们用力挤压玻璃瓶时,能观察到其形变吗?

生:不能(教师演示挤压玻璃瓶)．

师:我们能否采取其它的方式来观察其形变呢?

生:思考．

图3

师:现在,我们在一只空的扁玻璃瓶里盛满有色水,在瓶塞上加一根细管并密封好(图3),这样装置能否观察到玻璃瓶的形变呢?请同学们上台做一做,可以从玻璃瓶的中间、两侧用力挤压来看一看实验现象．

生:从扁玻璃瓶的中间用力,细管的液面上升;从扁玻璃瓶的两侧用力,细管的液面下降．

师:这种实验现象说明了什么?

生:当我们用力挤压玻璃瓶时,玻璃瓶发生了形变．

师:教师总结学生的回答,并进一步讲解、分析桌面发生微小形变的过程,同时讲解放大法在观察微小形变过程中的应用．最后归纳得出结论:一切物体在外力的作用下都会发生形变．(渗透小量放大的科学方法教育)

教学情景4(寻找弹力产生的原因、弹力的方向):揭示物理概念的本质,促进学生物理观念的形成.

视频播放： 撑杆运动员撑杆跳高.

教师:(引导学生观察,思考撑杆跳高的原因)教师在学生思考的基础上,引导学生得出:发生弹性形变的杆子在恢复原状的过程中,对运动员产生了一个力的作用．

实验探究(带有四轮的小车、钩码、弹簧)，如图4所示.

图4

演示实验1:发生形变的弹簧在恢复原状的过程中改变与它接触的小车的运动状态(图5)．

图5

演示实验2:在实验室里取一个废弃的弹簧,让弹簧发生塑性形变,不能改变与它接触的小车的运动状态．

师:小车的运动状态为什么要发生改变?

生:小车受到弹簧给力的作用．

师:当小车与橡皮泥接触时,小车为什么没运动?

生:橡皮泥没有给小车力的作用,橡皮泥发生的塑性形变．

师:只有发生弹性形变的物体,由于要恢复原状,会对与它接触的物体产生力的作用,这个力叫做弹力．

师(学生活动):请同学们利用身边的物品,体验感受一下弹力,相互交流．可以使一位同学举例,其他同学指出弹力的施力物体是谁?受力物体又是谁?并探究弹力的产生条件?

(设计意图:通过演示实验的对比分析,引导学生思考实验现象,得出弹力产生的原因．弹力产生的原因与条件是该节内容的难点,教学节奏应适当放慢速度．学生活动的设计,让学生学以致用,感受到弹力在我们身边．)

师: (实例分析)实例1:如图6所示,将一本书放在水平桌面上处于静止状态,分析桌面对书支持力方向及书对桌面压力的方向?

图6

为了使同学们更好了解弹力产生的过程,做了以下的演示实验.

演示实验3:把水气球放在泡沫板上,观察水气球与泡沫板的形变(图7)．

图7

泡沫板:形变方向向下，恢复原状方向向上，支持力方向向上．

泡沫板对水气球的支持力方向:总是垂直于接触面指向被支持的物体．

水气球:形变方向向上，恢复原状方向向下，压力方向向下．

水气球对桌面的压力方向:总是与施力物体恢复原状的方向相同．

压力方向:总是垂直于接触面指向被压的物体．

师:如图7所示,观察水气球下端的形状,比较前后变化,画图分析．

实例2:绳子的弹力方向.

如图8所示,用绳子悬挂一个白炽灯,处于静止状态,分析绳子对白炽灯拉力的方向．

图8

为了使学生们研究问题的方面,做了如下的演示实验(图9).

图9

类比成:用橡皮条拉水气球,观察橡皮条与水气球的形变．

橡皮绳:形变方向向下，恢复原状方向向上，拉力方向向上．

水球:形变方向向上，恢复原状方向向下，压力方向向下.

拉力的方向:总是指向绳子恢复原状的方向．

(设计意图:弹力的产生原因是由于施力物体发生弹性形变而要恢复原状,会对它接触的物体产生力的作用．因此,弹力的方向总是指向施力物体形变恢复的方向,通过实验使学生真切地感受到塑料板、橡皮绳和水球的形变情况,用实验降低学习的难度．)

教学情景5(测定弹簧的劲度系数):亲历实验探究,通过问题解决来发展学生的物理观念.

演示实验:请同学们上台拉伸两根原长相同的软、硬弹簧(完成以下体验:两根弹簧拉伸相同的长度;同一根弹簧拉伸到不同的长度,并让学生尽力把弹簧拉长并谈谈自己的感受．)

实验猜想:弹力的大小与弹簧软硬程度有关,与弹簧的伸长量有关．

实验探究:

(1) 实验器材:粗细不同的弹簧(2根)，50 g的钩码若干,铁架台，刻度尺.

(2) 实验需要解决的几个问题:弹力大小如何测量、弹簧的长度怎么测量、弹簧形变量如何测量、如何改变弹簧的形变量,如何设计表格记录实验数据．

(3) 实验过程(图10):把弹簧的一端固定在铁架上,先不挂钩码,使弹簧自然下垂,用刻度尺测量弹簧原长L;把弹簧挂钩上挂50 g的钩码,测量并在表1中记下弹簧总长L,并计算出弹簧的伸长量x=L-L0不断增加钩码的数量(确保在弹性限度内),记下每增加1个钩码对应的弹簧伸长量.

图10

表1

(4) 实验数据处理.

以弹簧形变量为横坐标,弹簧弹力为纵坐标,描点绘出图线,在误差范围内为一条过原点的倾斜直线．

思考:当弹簧被压缩时,弹簧弹力与弹簧缩短量有什么关系?

3 教学反思

“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实,而是应当慎重选择一些重要的科学观念,用恰当、生动的方法,帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解”．物理学科知识往往是零散的、分离的．学生即使掌握了大量零散的具体知识与技能,如果在头脑中不能形成关于对物理世界的正确图景,就不能从物理学的视角去认识自然、理解自然、改造自然,也就谈不上具备物理核心素养．因此,在实际教学过程中,教师要引导学生将物理知识与生产、生活密切联系起来,重视物理情境的创设,还原物理概念、物理规律的建构过程,培养学生的科学思维能力．