基于物理学科核心素养的综合实践课程的设计
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[摘 要] 自新课标提出各学科的核心素养以来，如何培养本学科的核心素养成为教师和教育工作者讨论的重要话题。课标中指出物理学科的核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。基于物理学科核心素养设计高中物理力学模块相关的综合活动实践课程。
[关 键 词] 物理学科;核心素养;综合实践课程
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）34-0318-02
在新的课标中提到：学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力，基于此物理学科的核心素养为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，其中“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，不仅仅是简单的物理概念或者物理规律，更是物理概念和规律等在学生头脑中转化后而得到的内容，这是学生能从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础，但是由于一些规律与概念本身比较抽象，因此需要在物理教学过程中能升华、强化和迁移，使概念和规律在学生头脑中扎实地转化为概念。“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，也就是构建模型的思维，是对生活中的情景以及模型抽象概括的过程，这个过程中会利用到分析、推理、归纳总结等方法。在学生产生了物理观念之后，根据科学的思维方式将现实问题转化为模型，才能采用科学的方式对问题进行探究，在这一过程中逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度和责任感[1]。因此基于物理学科核心素养的物理教学是培养科学思维的关键。[2]
高中物理中力学是关键，也是其他模块的基础，因而在力学知识模块的学习过程中思维培养非常重要，但由于力的概念比较抽象，学生在学习过程中比较难形成观念，也比较容易与现实脱节，[3]因此在此阶段学习过程中，尤其需要加强学生的科学思维的培养，本文以细小的火柴吊起“蚂蚁吊大象”（三根火柴棒和细棉绳按照要求组合起来，完成三根火柴棒中的一根横在桌面上来吊起十瓶矿泉水的挑战）的情景通过学生完成与生活有关的
趣味综合性活动以及活动后的分析来培养学生的科学思维以及探究物理核心素养，如图1为完成效果图。
课程设计：
本次课程以“蚂蚁吊大象”为主线，采取小组合作的方式（每组三人），在小组合作探究的过程中，共同讨论完成挑战关键的问题，之后运用物理知识来解释活动中存在的力学原理之后给出吊起更多瓶水的各根火柴和绳子之间的位置关系，检验理论分析得出的位置是否能完成十瓶挑战，并解释为什么存在挑战极限。
一、创设情景引入“蚂蚁吊大象”形成初步的学科观念
展示惊心动魄的“蚂蚁吊大象”比赛挑战视频引入活动，视频中挑战者小心翼翼地摆放火柴以及调整绳子和火柴的位置所营造的氛围可以将学生带入紧张的挑战氛围之中吸引学生的兴趣以及注意力，提问完成视频挑战中挑战者用到的材料细绳以及三根火柴，然后要求学生寻找完成活动所需要的材料，以小组为单位利用找到的材料按照视频中方式和顺序放置火柴和细绳。引导学生在搭建过程中摸索火柴位置以及细绳位置的关系如何放置比较稳固，同时鼓励学生不断尝试，并且要求学生记录探究过程中经常出现的问题以及解决问题的思路和依据。
二、在“蚂蚁吊大象”比赛中开展科学探究
要求各小组三位学生挑战“蚂蚁吊大象”并取三位学生吊起的水瓶的平均值为各组最后成绩。在每组比赛过程中要求讲解自己火柴以及细绳位置摆放的心得和每一根木棒的摆放位置，并解释其中的力学原理。此时学生已经在利用学过的知识尝试建立这个复杂问题的模型。对这个复杂的模型的受力情况已经有了一些初步的认识。但是此时模型建立得比较简单或者是无法真正建立出这个情景中复杂而且抽象的，无法正确、全面地解释这一现象。
三、解密“蚂蚁吊大象”展示学科思维
引导学生建模：（1）先提问学生如何区分三跟火柴，进而引导学生对火柴进行编号。如图2（a）从上到下依次给小木棒编号。然后对整个结构中绳、线、桌子之间的交点进行编号：如图2（b）从图中的左到右、上到下依此是：A、B、C、D、E。并且根据探究过程中观察的受力点和受力情况共同明确研究的对象为火柴以及细绳和桌面。由于整个模型的对象比较多，先要求学生画出模型的简图。
（2）引导学生共同对棒进行受力分析
对棒1受力分析：如图四对棒1受力分析，它与桌面的交点B受到来自桌面的支持力N桌1以及摩擦力f桌1，它与绳子的交点B′受到绳子向下拉力F绳1以及摩擦力f绳1。它與棒2的交点受到摩擦力f21以及z支持力F21，棒1是一个杠杆模型，支点是B点，B′B是拉力F绳的力臂，AB是支持力F21的力臂。由于B′B比较小，所以F21较小时可以提起相对较重的水。
对棒2进行受力分析如图五：它与棒1的交点A受到棒1对它的压力F12以及摩擦力f12，它与棒3的交点D的位置受到来自棒3的支持力F32。
对棒3进行受力分析（如图六）：与绳子的两个交点受到绳子向上以及向下的拉力TC、TB、TC'、TB'，以及受与绳之间的摩擦力f3绳，这个摩擦力f3绳是由于棒3受到棒2对它在D点的压力F23而产生的。由于这个力产生了棒1的杠杆里的向上的支持力。根据受力分析得出结果总结出火柴1与细绳接触的位置要尽量靠近、细绳与火柴3形成的夹角要比较小以及火柴2与火柴3接触面要粗糙等条件能保证尽可能多地吊起水。
总之，从学生物理核心素养发展的角度看，该活动是将生活中的问题转换成物理的模型，对科学思维建立有很重要的作用。同时，这个模型中存在各种力，加深核心素养中的相互作用观的理解。作为活动实践探究的形式在学生实践过程中需要自己查找资料，自己来解释和推理分析整个模型的受力，找到木棒、细绳比较合适的位置，这有助于科学思维的科学推理和科学探究的形成。最后，对生活中现象利用严谨的物理知识来解释和分析可以增强学生的科学态度、责任。
参考文献：
[1]彭前程.聚焦核心素养 编好新教材[J].中学物理，2019，37（15）：2-6.
[2]艾蒂，韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践：以“反冲小车”为例[J].中学物理，2019，37（9）：18-20.
[3]韩叙虹.STEM理念创新课堂 培养物理核心素养：以“奇妙的光现象——全反射”为例[J].中学物理，2019，37（11）：21-26.
◎编辑 马燕萍
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