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基于核心素养培养的初中物理教学设计

2021-04-28杨新宇

中学教学参考·理科版 2021年4期
关键词:科学思维科学探究杠杆

杨新宇

[摘   要]物理教学目标从三维目标走向物理学科核心素养,这就要求教师在实际教学中,要注意创设真实的、鲜活的活动情境,以问题链为导向,在任务的驱动下,组织学生体验探究过程,进而培养提高学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。文章以《杠杆》的教学设计为例,阐述基于核心素养培养的物理教学设计。

[关键词]核心素养;杠杆;运动与相互作用观念;科学思维;科学探究

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058(2021)11-0056-03

随着教学改革的不断推进,物理教学目标也从三维目标走向物理学科核心素养,实际教学中教师应当通过真实的、鲜活的情境活动,以问题链为导向,在任务的驱动下,组织学生体验探究过程,以培养学生的物理学科核心素养。下面以《杠杆》第一课时的教学设计为例,阐述物理教学的设计和实施。

“杠杆”是最简单的机械,先学习“杠杆”,再学习“滑轮”和“滑轮组”,由简单到复杂,符合学生的认知规律。在认识“杠杆”的过程中,引导学生从生活到物理、从物理到社会,培养学生的物理观念、科学思维、科学探究等学科核心素养,为后续的学习奠定基础。

一、教学目标

(一)认识杠杆

通过生活体验,學会将生产生活中相关的工具归类到“杠杆”这一简单机械类型。同时学会将具体工具抽象成杠杆模型,在模型构建过程中,培养学生的科学思维。

(二)通过观察和实验,了解杠杆的构造

在实验探究过程中,深刻理解使杠杆顺时针和逆时针转动的是什么力,培养学生的相互作用观念。

(三)通过探究活动,深刻理解杠杆的平衡与力的大小及力臂有关

在思维冲突的过程中,培养学生用事实去质疑和论证,从而引出“力臂”的概念。在示范和模仿的过程中学会构建具体情境中杠杆的力臂,培养学生严谨的思维习惯。

二、教学重点和难点

1.了解杠杆的构造,理解力臂概念。

2.画杠杆的力臂。

三、教学过程

(一)教学引入

教师:

活动1.播放视频。

组织学生观看生产生活中常见的机械设备(如挖掘机、吊车、传送带等)的工作过程。

提问1.这些设备工作时可以给我们带来哪些方便?能解决什么样的问题?

学生:观看视频,交流讨论,汇报心得。

设计意图:用真实的场景和活动,让学生在熟悉的情境中体验机械的魅力,感受物理之用之美。体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的教学理念。

教师:

活动2.组织学生体验和使用机械:用撬棒撬石头(如图1),用羊角锤起钉子(如图2)。

提问2.你是如何使用这些机械的?机械的运动具有什么样的特点?

学生:(1)分组使用撬棒、羊角锤;

(2)交流讨论,探讨使用机械的感受;

(3)汇报:①使用撬棒时,将撬棒的一端放在石头下,在撬棒的下方某个位置(图1中的位置B)垫放一块石头撑着,在另一端(A端)用力向下压撬棒,棒向下旋转,石头被翘起。

②使用羊角锤时,用夹口夹住钉子,锤子的尾端部分(图2中的B端)压着桌面,用力扳木柄的上端(图2中的A端),锤子绕着尾端部分旋转,钉子被拔出。

设计意图:让学生在真实的体验中,感受撬棒、羊角锤的工作过程,一个力(如手对锤柄的力)让撬棒、羊角锤朝着需要的方向转动,另一个力(如石头压着撬棒的力和钉子压着铁锤的力)阻碍撬棒、羊角锤转动。为接下来杠杆模型的提炼做好准备。

教师:

撬棒、羊角锤等机械在工作的时候,在力的作用下绕着某一支撑点(如图1中的B点和图2中B端)转动,我们把这类机械称为杠杆。

(二)新课教学

1.杠杆的基本概念

(1)定义:在力的作用下绕着某支撑点转动的坚实物体,叫作杠杆。

(2)支点(O):杠杆绕着转动的支撑点,叫作支点O。

教师:

活动3.展示一系列生活中常见的杠杆(如镊子、手摇式抽水机等)。

提问3.这些工具在工作中,支撑点在哪里?哪些力让它转动?哪些力阻碍它转动?

学生:①阅读图片,交流讨论它们是如何工作的;

②汇报:ⅰ.镊子在工作时,支点在镊子的尾端O,夹起物品时,手对镊子的力(在A处)使镊子转动,夹子内的物品给镊子的支持力(在B处)阻碍镊子转动。

ⅱ.手摇式抽水机工作时,支点位于O,手对摇柄的力(在A处)使摇柄向下转动,活塞对摇柄的力(在B处)阻碍摇柄转动。

设计意图:学生在观察讨论的基础上,结合生活实际,把实际工具抽象成杠杆模型。在实践中培养学生的建模能力,培养学生的科学思维。同时,在体验中明确什么力使杠杆转动以及什么力阻碍杠杆转动,渗透对“压力、支持力”的理解,区分“重力和压力”,培养学生的物理观念。

(3)动力(F1):根据实际情况使杠杆转动的力,叫作动力F1。

(4)阻力(F2):根据实际情况阻碍杠杆转动的力,叫作阻力F2。

(5)杠杆模型(如图5):

2.杠杆的平衡

教师:

活动4.现场展示杠杆在力的作用下静止(结构简图如图6所示)。

把铁架台放在水平桌面上,将一标有均匀刻度的硬质木杆(质量分布均匀)悬挂在铁架台上,调节轻杆两端的螺母,使轻杆水平静止。

提问4.硬质木杆是杠杆吗?如果是,支点在哪里?使木杆顺时针转动的是什么力?使杠杆逆时针转动的是什么力?为什么木杆没有转动起来呢?请构建示意图。

学生:①思考、讨论,互助学习。

②汇报心得:硬质木杆可以看作杠杆;支点位于木杆正中间的悬挂点(图6中的O点);使木杆顺时针转动的力是右半部分木杆(含螺母)受到的重力G1;使木杆逆时针转动的力是左半部分木杆(含螺母)受到的重力G2;因为G1使木杆顺时针转动的效果和G2使木杆逆时针转动的效果一致,相互抵消,所以木杆静止不动。

设计意图:学生在讨论交流的基础上,结合杠杆的概念将木杆抽象成杠杆,培养学生的建模能力;通过分析动力和阻力的来源,培养学生的运动与相互作用观念;通过分析杠杆保持静止状态的原因,培养学生的质疑、论证的素养。

教师:

当动力和阻力对杠杆的转动效果互相抵消时,杠杆将处于平衡状态。杠杆平衡有静止和匀速转动两种情形。

活动5.演示杠杆的状态。

提问5.如图7所示,杠杆处于水平平衡状态。①现将悬挂在A处的钩码向左移动一格,杠杆还能保持水平平衡吗?说明杠杆的平衡和力的什么要素有关?②用悬线将滑轮挂在杠杆A端,如图7,向左和向右推动挂着钩码的悬線,杠杆还能保持水平平衡吗?说明杠杆的平衡和力的什么要素有关?

学生:①观察、思考、讨论。

②交流、汇报:ⅰ.悬挂在A处的钩码向左移动一格,杠杆顺时针加速旋转,平衡被打破。说明杠杆的平衡与力的作用点有关。ⅱ.向左推动挂在A处的挂着钩码的悬线,杠杆逆时针加速旋转,平衡被打破。说明杠杆的平衡与力的作用方向有关。

设计意图:学生通过观察、体验,感受杠杆平衡被打破的情况,杠杆顺时针(逆时针)加速转动,说明力使杠杆顺时针转动的效果加强(减弱)。顺时针转动效果加强(减弱)是因为力的作用点发生了改变,说明杠杆的平衡与动力(阻力)的作用点有关。引导学生在质疑、证实、推理的过程中培养科学思维。

教师:

提问6.当力的大小和作用点不变,改变力的作用方向,杠杆的平衡一定会被打破吗?

学生:①猜想、讨论、汇报。

②猜想不一:平衡一定被打破、继续保持平衡。

教师:大家提出了猜想,我们的猜想是不是一定正确呢?通过实验来验证。介绍实验装置和探究过程(如图8)。

活动6.

①用细线悬挂两个钩码吊在杠杆的A处。

②在B处悬挂细线,分别沿BC方向和BD方向拉弹簧测力计,让杠杆水平平衡。读取弹簧测力计的示数F1和F2。

③在E处悬挂细线,沿EH方向拉弹簧测力计,让杠杆水平平衡。读取弹簧测力计的示数F3。

④比较F1和F2、F3的大小关系。

提问7.F1和F2、F3的作用点、作用方向和大小三个要素都一样吗?F1和F2、F3的作用方向有什么共同点?

学生:①观察、思考、讨论、交流。

②汇报:

ⅰ.F1和F2的作用点相同,大小相等,作用方向不同,杠杆水平平衡。杠杆的平衡与力的作用方向没有关系。F3和F1、F2的大小相等,作用点和作用方向不同,杠杆水平平衡。杠杆的平衡与力的作用点、作用方向没有关系。

ⅱ.F1和F2、F3的作用线到圆盘的中心即杠杆的支点O的垂直距离相等。疑惑:是不是杠杆的平衡与力的作用线到支点O的垂直距离有关呢?

设计意图:在学生思维冲突(活动5和活动6中,实验获得的结论不一致)的情况下,开展思维的递进性训练(为什么不相同?寻找F1和F2、F3的作用方向的共同特征),以及学生实事求是的科学态度和责任。

教师:

在F1和F2、F3作用过程中,作用线到圆盘的中心即杠杆的支点O的垂直距离相等,杠杆始终保持水平平衡。物理学中为了便于描述,引入了力臂的概念。

力臂定义:从支点O到力的作用线的距离叫作力臂L。

动力臂:从支点O到动力F1的作用线的距离叫作动力臂L1。

阻力臂:从支点O到阻力F2的作用线的距离叫作阻力臂L2。

教师:

力臂是由力的作用点和力的方向共同决定的,包含了力的两个要素。我们在讨论力对杠杆的作用效果时,确定了杠杆的支点后,只要考虑力的大小和力臂就可以了。

活动7.构建具体情境中动力和阻力的力臂。

情境:用镊子夹取物品,请构建力臂。

①将镊子抽象成杠杆模型,如图9中OAB。(模型构建)

②画出手对镊子的压力F1和物品对镊子的支持力F2。

③沿着F1和F2的作用方向画它们的作用线,如图9中的虚线。

④过支点O作F1和F2的作用线的垂线,同时用大括号标注出来,标记L1和L2。

学生:模仿构建力臂。

请大家构建图10中工具OAB的力臂。

设计意图:将学生的学习与生活实际紧密地结合起来,使学生经历建构模型的过程,培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。帮助学生学会抽象实际问题,建立物理模型,即将情境中工具OAB建模成杠杆OA;帮助学生按照合理的解题思路形成良好的解题习惯。教师可以做一些必要的引导,例如杠杆的支点在哪里,使杠杆逆时针(顺时针)转动的是什么力。

四、教学小结

1.知识结构思维导图

2.杠杆模型

五、作业布置

作业1.开展社会实践活动,写出调查报告。结合新课学习,调查自己身边的机械工具,哪些属于杠杆?它们在工作过程中,会给生产生活带来哪些影响?并构建出对应的杠杆模型。

设计意图:引导学生观察身边的杠杆现象,应用自己所学的物理知识分析现象、解决问题,拓展自己的观察视野和知识面。

作业2.比较图11中甲(普通剪刀)、乙(铁匠剪刀)和丙(理发剪刀)的不同,说明各自的特点。

设计意图:让学生在对比中体会杠杆模型的构建,感受它们工作的优点和缺点,巩固杠杆的五要素,同时为下一节课学习杠杆的分类以及后续学习“功的原理”做准备。

在教学过程中,通过真实的情境,以问题链为导向,以解决问题为任务,驱动学生思考、讨论、交流和汇报,引导学生主动生成知识,提升能力。

布置开放性的作业,引导学生走出学校、走向社会,从生活走向物理、从物理走向社会,学以致用,同时拓展学生的视野,增加知识的深度和广度。

[   参   考   文   献   ]

[1]  中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[S].北京:北京师范大学出版社,2012.

[2]  陈琪兮.物理[M].北京:教育科学出版社,2019.

[3]  刘锋.物理教师教学用书[M].北京:教育科学出版社,2016.

(责任编辑 易志毅)

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