基于核心素养目标的“弹力”教学逻辑

高 嵩 邵梦媛

( 山东师范大学物理与电子科学学院，250358，济南 )

《普通高中物理课程标准》(以下简称“物理课程标准”)要求物理教学要致力于提升学生的学科核心素养.弹力是中学物理的重点，与之相关的合理的教学活动可以很好地落实核心素养要求.从物理观念来说，本节课有助于学生理解物质世界的相互作用形式，也为以后在更广大的范围理解能量的问题奠定了基础；围绕着认识和理解弹力而组织的多种形式的探究活动，有助于提升学生科学思维和科学探究的能力；而且学生在探究过程中，也有助于科学态度与责任的提升.这节课涉及的范性形变的问题，为学生理解“量变引起质变”提供了一个典型的实例.所以应该基于物理课程标准重新审视以往的弹力这节课的教学过程是否合理，从而继承已有的成果，修正不恰当之处，使教学过程更加符合物理课程标准的要求，更好地提升学生的物理学科核心素养.

1 常见的一种貌似合理的教学流程

鉴于不可压缩或拉伸的面、杆和绳是中学常见的模型，在各种评价中广为涉及，而且对相关情境下弹力的有无和方向的判断一直是学生学习的难点，为使得学生更容易理解，许多教师将相关内容置于“弹力”这一节的微小形变的教学之后，教学流程如图1所示.在课堂上花费相当长的时间和相当大的气力进行面与面、点与点和点与面接触时弹力方向的教学，总结轻绳、轻杆和轻弹簧模型的弹力方向和突变情况之后，再继续“弹簧弹力与弹簧伸长量的关系”的探究，最终得出胡克定律[1,2].

这样的教学流程中，教师差不多要用十几分钟的时间让学生分析和处理各种绳、杆、面等模型的弹力问题.但由于这部分占用时间过长，胡克定律的探究就由于时间不够而显的仓促.

2 对常见教学流程的反思

2.1从物理学的角度分析物理课程的安排是螺旋式上升的，我们在审视学生高中的学习是否合理的时候不仅要考虑他们在作业或测试中是否可以做对题目，更要让他们通过当下的学习为进一步的发展奠定正确的观念.所以，从物理学的角度对弹力及相关问题的论述进行分析，并以此为根据说明本节课的教学重点和任务.

不同版本普通物理学对弹力的描述略有不同.在梁昆淼[3]的《力学》中对弹力的介绍与高中教材相近，指出物体的形变是产生弹力的原因.关于微小形变他是这样说明的：“在不少情况下，物体的变形极为轻微，几乎等于不变形，因此可以将这些物体的大小形状当作是不变的，即认为物体是刚性的.但是，另一方面，在研究它们相互作用的弹性力时，又必须认识到这起源于变形，即认为物体是弹性的，这样，在一定条件下对于同一个物体竟然可以应用刚性与弹性两个互相矛盾的概念.”，作者特别用了“必须”“当做”等词语，字里行间我们可以解读出这样三个意思：第一，在理解这部分内容的时候会出现刚性与弹性间的矛盾；第二，“刚性”只是看上去的，强调再轻微的形变也有形状的变化；所以，第三，弹力必须与形变联系在一起，没有形变就没有弹力.而漆安慎[4]的《力学》是从主动力和被动力的角度来界定的：弹簧的弹力由于其“独立自主”性被归为主动力，而挤压力、绳内的张力等则常常是未知的处于“被动地位”的力.

图1 “弹力”一节常见的教学流程

可见，从物理学的角度来看，弹簧的弹力和可以视为刚体或约束的杆、面、绳的弹力是有很大的差别的，尤其是力的大小与形变大小的关联性方面，弹簧等物体的弹力随形变的大小变化而变化，而杆、面和绳等理想化模型，弹力大小无法与形变关联，需要从物体受力及运动特征来分析.那么高中的物理教材是怎么处理这个问题的呢？

不同版本的普通高中物理教材对弹力内容的编排各有特色，以人民教育出版社和山东科技出版社出版的两本教材来看(以下简称“鲁科版”和“人教版”)[5,6]，二者在内容的选取、展开的顺序都很不相同，但是这两部教材的基本思路是一致的，都是先从形变和弹力的关联性出发，给出一系列的概念，然后指出压力、支持力、拉力等都是弹力，最后进行实验探究弹簧弹力与形变量的关系，根据实验结果得到胡克定律.从内容的选取和安排上，两部教材的重点都放在了弹力概念的形成和以弹簧为研究对象，探究弹力与形变的关系，并最终得到胡克定律.结合前面从物理学的角度对弹力的讨论可以知道，这两层意义是承接顺畅的.弹力的概念强调了弹力的大小与形变大小是有关系的，这就形成了学生理解弹力的概念框架，而围绕弹簧的探究则相当于给出了概念框架中的典型案例，不但弹力随形变的增大而增大，而且是正比关系，而绳、杆等约束问题，仅仅做了个简短的介绍.讨论至此前面给出的那个教学设计的问题就比较明显了.对于学生来说难以理解的、而且并不能反映弹力最根本特征的面、杆、绳模型问题，在本节课的教学中占了相当长的时间，而本节课的重点是探究弹力与形变关系，进而得到胡克定律的部分却仓促结束，这样的教学过程，不能让学生很好地理解“弹力”的根本特性，教学思路不符合教材编写者的意图.

2.2从物理课程标准的要求分析物理课程标准要求物理教学要致力于提升学生的学科核心素养.首先，教学的目标确定要基于物理课程标准.教学要落实物理学科的核心素养，教师应围绕着即将展开的教学考虑：学生可以在物理观念上有哪些发展；学生经历的是否是一个探究的过程；在此过程中学生都经历了什么样的思维过程；他们在学习过程中，会有怎样的情感体验.其次，教学过程的设定要基于物理课程标准的要求.物理课程标准建议学生的学习过程也是科学探究的过程.所以，学生经历的是否是一个发现问题和解决问题的过程，是否有问题的生成，是否有推理，是否有证据的搜集，是否有机会让学生条理、逻辑地表达自己的见解，所有这些，是否顺畅连贯且逻辑一致.第三，教学内容的选择和情境的创设要基于核心素养.学习过程是探究的过程，是以活动推进的.活动的对象是什么，伴随着活动，学生会感受到什么，生成什么，如何兼顾学生个体的探究和统一的进度，教师需要围绕着教学目标和教学过程的需要，选择恰当的学习内容，并设计相匹配的情境.

由此，整节课应该做到教学活动、学生的思维以及物理知识的建构，合成为一个统一的顺畅的整体.结合我们前面从物理学角度对“弹力”这节内容的分析，发现当在弹力的概念和探究弹簧弹力与形变关系的中间插入对面、杆、绳等约束的讨论，从逻辑上，打断了“弹力大小与形变有关联”这一推理进路，从物理课程标准对教学的要求来看，不利于学生主动地形成问题展开探究.而物理课程标准对于弹力的教学也有明确的要求：“认识弹力.通过实验，了解胡克定律.”强调了弹力概念的建立和围绕着胡克定律的探究过程.所以前面介绍的那种常用的教学流程无论是从理念上，还是从对本节课的细节上，都与物理课程标准的要求是不相符的.

3 基于物理课程标准的“弹力”一节的教学构想

3.1教学目标由于人教版是把重力和弹力的内容合在一起，内容比较多，这里我们以鲁科版的教材为依据，进行“弹力”一节的教学设计.首先，根据前面对物理课程标准的分析设定本节课的教学目标：

3.1.1 物理观念 通过弹力与形变概念的学习，认识弹力，知道形变是弹力产生的原因，从物理学视角形成关于相互作用的基本认识.

3.1.2 科学思维 通过探究实验，体会建构弹簧这一物理模型的过程，通过证据的搜集得到弹力与形变量的对应关系，理解胡克定律.通过微小形变的概念，理解面、杆、绳模型与弹簧模型的区别，并能初步分析和判断这些约束情况下的弹力的方向和大小.

3.1.3 科学探究 通过常见的弹力现象萌发探究问题，形成关于弹力与形变关系的猜想和假设，在小组合作中设计实验并获取数据，基于证据得到胡克定律.

3.1.4 科学态度与责任 通过弹力与形变关系的学习，领会量变引起质变的哲学思想；在弹力概念与胡克定律的实验中，形成严谨认真、实事求是的科学态度.

3.2教学过程分析鲁科版教材的弹力的知识结构是先介绍形变的概念，再说明微小形变，接着指出弹力的概念，最后再科学探究胡克定律.对鲁科版教材的教学过程进行分析和重构，提出以“形变与弹力”的关系为核心，以胡克定律的探究为重点，将微小形变及面、杆、绳模型作为拓展应用部分的教学思路(图2).教学围绕物理课程标准对科学探究、物理实验的要求所设计，突出胡克定律的实验地位，学生在发现问题、生成问题和推理论证中，逐步加深对弹力本质的理解，理清弹力与形变的一一对应关系及各种模型的建构过程，进而发展核心素养.

图2 基于物理课程标准的“弹力”一节的教学过程

第一环节，创设情境，认识弹力.在这一环节中，需要思考如何让学生通过大量现象认识到形变是弹力产生的原因，让学生对形变量和弹力大小的密切关系有所启发.这里教师可以先通过跳板跳水、蹦极绳被拉伸、弯弓射箭等生活现象，引入形变概念，然后以某一现象的具体过程展开分析.比如以弯弓射箭为例，教师可让学生以刻度尺为弓、橡皮筋为弦、中性笔为箭，在保证安全的条件下进行实验，学生亲身感受到自己给橡皮筋的力、橡皮筋的形变和橡皮筋给中性笔的力，这三者之间的因果关系，教师顺势给出弹力的概念；逐渐增大给橡皮筋的力，观察弦的改变量和中性笔运动的距离，启发学生对物体形变量和弹力的关系提出猜想.

上述过程中，从感性认识来看，学生能够理解一系列物体因为受到外界的作用发生弹性形变，从而对外界产生反作用的各种现象，能够在情境中感受和体验弹力的产生和变化，发展相互作用的物理观念.从推理角度来看，随着活动的推进，在观察形变和弹力的关系时，学生领会此过程中的因果关系推理.从学生的认知水平来看，通过各种现象、操作和讨论，认识到弹力的大小与形变的大小密切相关.

第二环节，生成问题，展开探究.通过前面的学习，学生这时已经对弹力的概念有了清楚的认识，理解了弹力的大小与物体的形变量有关，接下来将展开对弹力的大小与物体形变量大小之间的定量关系研究.而在展开探究之前，需要解决的是如何让学生生成可供实验探究的物理问题.这里教师可以使用复习旧知识法，在回顾完初中所学的弹簧测力计的使用方法后，教师引导学生思考：因为力的大小看不见、摸不着，而弹簧长度的变化却是可以直接观察和测量的，于是人们发明了弹簧测力计这一工具，这体现了许多测量工具都蕴含的间接测量的原理.那么，弹簧测力计是如何通过弹簧长度的变化来量度力的大小的呢？力与弹簧长度的变化有怎样的定量关系呢？此时，学生们意识到要想用长度量准确的表示力的大小，需要探究弹簧形变量与弹力大小之间关系的规律.

学生生成问题后，接着分组展开探究.比如学生可能采取这样的方式：在铁架台横杆上竖直安装好刻度尺，再把弹簧上端固定在铁架台横杆上，标注弹簧自由下垂时下端所到达的位置，在下端悬挂钩码，然后逐渐增加钩码个数，依次记录钩码个数和弹簧伸长的长度.学生分析数据可以发现，弹力改变量与弹簧的伸长量一一对应，数学表达式为ΔF=kΔx，其中k为常数；有的小组或许分别以弹簧所受的弹力和弹簧的伸长量为轴建立了直角坐标系，将实验记录表格中的数据用图像的方式呈现出来.当然，不同小组也会有不同的探究方案，例如，有的小组同时将数根相同规格的弹簧，依次固定在铁架台横杆上，使其自由下垂时下端位置相同，使第一根弹簧自由下垂，在第2根弹簧上悬挂1个钩码，在第3根上悬挂2个钩码，以此类推，保证钩码的规格相同，观察各个弹簧下端位置，再记录各个弹簧的钩码个数和弹簧的伸长量，最后分析数据得到表达式.

接着，教师可以请各小组展示自己的探究思路与结果，当各种形式的方案和结论都展示出来的时候，学生们就会发现虽然各有不同，但它们的意义应该是一致的.接着学生通过讨论并参考教材，得到弹簧产生的弹力大小与形变量成正比的关系，即F=kx，随后让学生了解劲度系数与弹簧的粗细、长短和材质等因素有关，是由物体本身的性质决定的.最后，总结得到胡克定律的内容.

上述过程中，学生能够在回顾弹簧测力计的使用方法中，发现使用弹簧测力计需要科学规律的支撑，因而生成科学探究问题，在教师的推动下展开探究，最终得到胡克定律的内容.验证了之前对弹簧产生的弹力大小与形变量成正比的猜想，加深了弹力与形变一一对应的关系的理解.学生真切的经历科学探究的过程，沉浸在问题的发现和知识的探寻过程中，尽管不同小组采用了不同的操作方案与研究方法，但在各小组之间的实验数据共享中，学生能发现不同的实验仪器和方案对实验结果的影响，感受合作在科学探究中的作用，发展科学思维和探究能力，完善自身的科学责任与态度[7].

第三环节，应用规律，加深理解.胡克定律解释了弹簧形变与弹力的因果关系和定量关系，教师可以以弹簧这一模型作为支撑，以此解释更为广泛的问题.被视为刚体或约束的面、杆、绳是与弹簧截然不同的理想模型，即使力很大，面、杆、绳的形状都视为不发生改变，弹力大小无法与形变关联，那么教师可以将其作为拓展部分，一方面，避免打破学生对“弹力与形变”认识的连续性，更重要的是，教师让学生在不同的场景反复运用弹力大小与形变量一一对应的原理来解释问题，加深了学生对弹力本质的理解.

教师可以利用放大的思想，用激光器、平面镜来观察桌面的微小形变，让学生认识到看似形状不发生变化的物体，实际上可以利用放大的手段来观察，并且力越大，物体的形变越大，这仍符合弹力的本质，因而不能把微小形变当成独立于弹力和形变关系以外的内容.最后，承接微小形变，教师适当梳理面、杆、绳弹力方向和大小的分析方法.

上述过程中，学生观察到了与以往认知经验不同的微小形变，并学习了放大的科学方法，经历面、杆、绳模型的构建过程，学会抓住主要因素，忽略次要因素的思维方式，发展自身的科学思维.

课堂的尾声，教师可以让学生回到课堂的开始，用形变与弹力关系的解释更多的形变现象，并让学生根据形变能否恢复原状分为弹性形变和范性形变，感受物体的弹性和范性之间存在着一个临界值—弹性限度，让学生体会不同物体由于材质等因素的不同，弹性限度也有所差，启发学生体会到量变引起质变的思想，发展其物理观念.

4 结 语

本节课围绕弹力教学，从物理学及物理课程标准两个角度梳理了“弹力”一节课的教学逻辑，通过分析发现在学习弹力概念后，引导学生展开对弹簧弹力与形变关系的探究，根据弹簧模型再进行微小形变及其它弹力模型的教学，这样的教学过程落实了物理课程标准对发展学生物理核心素养的要求，一定程度上加深了学生对弹力本质的理解.教师在设计教学时可以从以下三个角度思考，以落实物理课程标准为目标，遵循知识的内在逻辑，顺应学生的认知规律，将物理概念和规律、科学探究过程和物理思想融汇到以学生为中心的课堂中，使得学生在物理观念、科学推理和探究、科学态度上都有所提升.

4.1落实物理课程标准目标教师所设计的教学应从教学目标、教学过程、教学内容等数方面考虑，是否符合物理课程标准的要求，是否发展了学生的物理学科核心素养.其中物理概念和规律的学习要让学生在物理观念和思维方式上都有所发展；科学探究的过程要注重情境的有效性，使学生在情境中发现并表征问题，使课堂知识的推进过程就是学生问题解决的过程，使学生在探究中体会小组合作、感受推理论证的意义，使学生在课堂上有积极的思想碰撞和升华.

4.2遵循知识的内在逻辑物理知识与生活、发展联系之密切，使得教师不应仅从考试层面来设计教学，而要采用更加开阔的视野来分析物理教学.教师应充分分析教学内容的物理学本质，遵循知识的内在逻辑，帮助学生构建清晰的物理知识结构，为学生正确观念的养成和长久发展打下坚实的基础.

4.3顺应学生的认知规律科学探究的过程应以充分发挥学生的主观能动性为前提，学生是探究的主体，教师要顺应学生的思维规律，创设合适的情境帮助学生发现问题，思考并解决问题，实现情感、思维和能力的发展.