基于物理核心素养的PBL教学实践

连彬星 黄晖

摘   要：PBL教学是以学生的学习为中心，强调学生主动学习，教师帮助引导，从真实问题情境出发建构物理模型，引出学习任务。通过小组成员之间团队协作，共同实验探究，对结果进行反思修正。经历问题解决的过程，培养学生物理核心素养，形成解决问题的技能，提升学生关键能力。本文以“共点力的平衡”为例，通过学生小组实验引入共点力的概念，从二力平衡推导三力平衡条件，根据平行四边形定则设计实验并利用力的图示进行作图探究。学生得到三力平衡条件后，在实际情境中进行验证——利用三力平衡条件测量灯笼的重力，最终解决生活中风吹灯笼的实际问题。

关键词：核心素养;PBL教学;共点力;生活情境;问题导向;三力平衡

1  关于PBL教学模式

以问题为导向的教学方法（problem-based learning，简称PBL），是从真实问题情境出发，以学生为中心的教育模式。PBL学习的核心是从传统教育中的被动学习模式转变为“以学生为中心”理念，让学生成为主动学习者而不再是被动学习[ 1 ]。PBL强调学生不能被动学习，不能再遵循传统教学中的以教师讲授为主的模式。学生将沉浸于问题中，在真实的问题情境中，学生通过自主探究和小组合作来解决问题，从而习得隐含在问题背后的与物理相关的知识，提高自主学习的能力和解决问题的技能[ 2 ]。笔者以“共点力的平衡”为例，探讨在PBL教学实践中如何落实物理核心素养。

2  PBL课堂教学准备

在学习之前，先分析好教材、学情和目标，有利于更有针对性的落实物理核心素养。

1.1  教材分析

本节课为鲁科版新教材高中物理必修第一册，第4章力与平衡，第3节共点力的平衡。在初中的时候，学生初步学习了二力平衡的知识，共点力的平衡是在学习了“力的合成”和“力的分解”基础上的进一步学习，它也是下一章牛顿运动定律的基础，它在本章甚至整个高中物理都扮演者重要的角色。这一节会涉及很多生活常见情境，从真实情境中提出问题，建构模型并解决问题，在探索解决问题过程中落实物理核心素养。

1.2  学情分析

本课教学的对象是高一学生，学生已经可以进行简单的受力分析，知道二力平衡的受力特点，初步理解力的平衡和力的分解，在解决问题过程中能运用数学三角函数知识。从生活情境出发，通过小组合作转变为常见的物理模型，运用共点力的平衡条件解决实际问题。

1.3  学习目标[ 3 ]

物理观念：初步形成运动与相互作用观念，能用物理解释一些简单的力平衡现象，能应用平衡条件解决一些简单的实际问题。科学思维：能在简单的力平衡情境中应用常见物理模型，能对简单的平衡现象进行分析推理，能用证据表达自己的观点。科学探究：根据力平衡现象建立模型，提出相关物理问题，能根据已有器材设计科学探究方案并使用基本仪器获得数据得到结论。科学态度与责任：认识到物理能对自然界中力平衡现象进行解释，对自然抱有好奇心，具有实事求是的物理精神。

1.4  重难点

本节课的重点是物体在共点力作用下的平衡条件。难点是平衡条件的应用。

3  PBL课堂教学流程

学习活动流程图（如图1）：

活动1学生实验及讨论：通过实验认识共点力概念。

活动2分组实验：回顾二力平衡，演示三力平衡并探究三力平衡条件。

活动3理论推理：从三力平衡的条件推理到多力平衡，总结出共点力的平衡条件。

活动4实践应用：用实际物体来验证共点力平衡条件，并用其研究解决生活实际问题。

4  主要实施环节

4.1  引入重点知识概念：学生分组实验

四人一组，3人拉住细绳使圆环保持静止，另1人记录拉力的作用点与方向。（如图2）

问1：观察这些力的方向有什么特点？

答：力的方向延长后会交于一点。

观察本组的实验数据，是否延长后都交于一点。

在实际问题中，一个物体受到几个力的作用，如果这些力作用于物体上同一点，或者几个力的作用线（反向延长线）相交于一点，这几个力叫共点力[ 4 ]。从而引出共点力概念。

设计意图：通过学生实验，引出共点力概念，不仅可以活跃课堂气氛还能为之后研究共点力平衡条件做好铺垫和准备。

4.2  问题驱动：从二力平衡到三力平衡

问2：如果一个物体只受两个力的作用，这两个力等大反向共线，那这个物体处于什么状态？答：物体处于静止或匀速直线运动。这两种状态是平衡状态。

问3：那如果物体受到三个共点力作用，并保持平衡，请问这三个力要满足什么关系？

带着这个问题前我们來看一下讲台桌前的这些仪器。忽略绳子重力和滑轮摩擦力，同一根绳子上力的大小处处相等，三个力同时作用于一点，使这个点保持静止，请问这三个力有怎样的定量关系？（如图3）

学生可以相互讨论。请一个小组来分享。

答：OA、OB这两个方向上力的合力与OC方向的第三个力等大反向。

问4：思考怎样才能说明真的是等大反向？眼见为实，我想看到力，怎么办到？

引导回答：画力的图示，用平行四边形定则把三个力精确画出，两个力的合力与第三个力进行比较。

设计意图：回顾初中二力平衡条件，先理论上从二力平衡推导到三个力平衡的条件。平衡时三力合力为零，也就是说其中两个力的合力与第三个力肯定大小相等、方向相反，这对于学生来讲是比较容易说出的。但是怎么证明真的就是大小相等方向相反，需要眼见为实，给出确切的证据，引导学生用力的图示来表示。由于学生已经做过验证平行四边形定则的实验，所以容易联想到类似的操作与原理。

4.3  团队协作、反思修正：设计实验并探究三力平衡的条件

凌空画图比较困难，能不能利用桌上的仪器（三个弹簧测力计、绳套、白纸、刻度尺）来设计实验：探究三力平衡的条件？请大家讨论一下。请一个小组派代表来说一说。

问5：你们打算怎么做？要测量记录哪些量？

请一个小组派代表说说，组员可以相互补充，引导说清楚步骤。

开始实验探究（四人一组）。

探究之后，请两个小组派代表来投影分享。（如图4）

本组学生自评：评价本组的数据记录和作图方面做得还不够的地方。其他小组互评：评价其他组做得好，值得大家学习的地方。教师点评细节并鼓励。（多提供机会，让学生能够主动地、积极地表达自己的观点，提高学习的内在动力及热情）

通过观察大家的实验结果，尽管或多或少存在有一定的误差，但都趋于指向同一个结果：其中两个力的合力大小与第三个力接近相等;方向与第三个力接近相反。从大量的实验数据中，有理由相信：当三力平衡时，两个力的合力与第三个力等大反向共线。

问6：如果四个力呢？它们的平衡条件是什么？答：将三个力合成一个力，与另一个力等大反向。

问7：如果是N个力呢？答：除一个力外，其他所有力的合力与剩下的这个力等大反向。

问8：最后这两个力再合成后将是什么样？——合力为零。

问9：请用一句话概括一下共点力平衡的条件？——物体所受的合外力为零。

问10：我们学过力的分解，如果把这些力分解到两个垂直的方向，问在这两个方向上的合力？——分别也都是零。

设计意图：通过对三力平衡的条件进行实验设计并探究，再次体会力的等效替代法，学生以小组为单位设计实验方案，使用弹簧测力计、细绳等常见器材收集数据，利用力的图示精确画出三个力的大小与方向，寻找两个力的合力与第三个力的关系，得到初步结论后与猜想进行比较。通过交流分享，能使用收集的证据表达自己的观点。通过追问，引导学生说清共点力平衡的条件。从三个力过渡到N个力，最终得到共点力平衡的条件——合外力为零。

4.4  自主学习、持续研究：用实际问题来验证三力平衡条件

运用三力平衡的条件，测量实际物体的重力，比如灯笼的重力。还是利用刚才的器材，滑轮、细绳与钩码来测量。

问11：怎么利用刚才的器材来测灯笼的重力？ 答：把灯笼挂OC（图3），为了计算简便在两边OA、OB挂一样数量的钩码。先进行受力分析。

问12：对哪个点进行受力分析？——结点（强调选对研究对象的重要性）。

问13：实验中需记录哪些物理量？——每个钩码的重力、个数和两个拉力之间的夹角。

在两边各挂两个钩码，用带角度的圆规（如图5）测出两绳拉力的夹角大小。

请学生计算结束之后交流分享。（大部分学生都能算出正确的结果，灯笼质量28 g左右）再用电子天平验证，质量27.6 g（如图6）。

把两次结果进行对比，发现误差很小，其中绳与滑轮的摩擦力是误差主要来源之一。同时也验证了三力平衡条件的正确性。

设计意图：通过测量灯笼的实际重力，让学生体会用共点力的平衡条件来分析和解决生产生活中的实际问题。在計算过程中学生能运用数学中的三角函数、几何关系等对力与平衡的问题进行定量计算。通过对比理论和最后的实际结果，也很好地验证了三力平衡条件的正确性。根据力平衡现象建立模型，提出相关物理问题，能根据已有器材设计科学探究方案并使用基本仪器获得数据得到结论，在研究过程中提升学生科学探究的能力。

4.5  真实情境、成果展示：解决实际问题

现实情境引入：播放风吹灯笼视频（如图7）

问14：想要测量实际的风力大小，请问该如何根据真实情境进行研究？答：把情境转化为物理模型（建模）。

问15：需要构建怎样的物理模型？让学生讨论后画一画（如图8）。

问16：在上个实验中我们已求得灯笼的质量，现在要想计算水平风力与绳受到的拉力大小，还需要测量哪些物理量？答：倾斜角度，即细绳与竖直方向的夹角。

用电风扇模拟水平稳定风力，灯笼用细绳挂铁架台上，风吹起灯笼发生倾斜。

如何测量倾斜角度？在铁架台上固定示教量角器，让学生读出角度，由于角度不特殊，需要学生用计算器算出此角度的正弦与余弦值。然后再请学生说说解决这个问题思路。

答：以灯笼为研究对象，对其进行受力分析，由于灯笼受到三个力的作用并处于平衡状态，可以用合成法或者正交分解进行求解。

请两位学生上来板书，其他同学在草稿本上计算水平风力与绳子拉力大小。提醒用刻度尺作图。两位学生写好后，请学生先来点评，之后教师再对二者分别点评，特别注意解题规范要求。发现合成法和正交分解两种方法殊途同归，都能很好地解决这个问题。

现在能计算水平风力大小，课后同学们可以通过查资料，寻找风力大小与风速、风的级数之间的关系，并思考天气预报中如何预测风的等级。

设计意图：从现实情境引入，最后再回到现实生活。体现物理源于生活，从物理走向社会的理念。体会在真实情境下物理学方法的作用及意义，培养学生转化物理模型的能力，能用不同的方法解决共点力平衡相关问题，提高解题规范性与严谨性，传达爱生活爱物理更要爱悟理的思想。

5  总结反思

对共点力作用下的物体，学生在初中学过二力平衡，通过实验探究得出一般的三力平衡的条件，实验要求用力的图示精确画图，让学生有更多感性认识和培养严谨求学的态度。从三力平衡再到多力的情况，进一步理解共点力平衡条件。在生产和生活的具体情境中用共点力平衡条件来分析物理问题，对学生而言不简单。要注意引导，把具体情境转化成学生熟悉的物理模型，用相关的物理规律来分析。在学生做题时候要重视解题过程的规范性，作图的严谨性，及时作出点评。最后提出天气预报中风力的等级问题，给学生留点悬念，以便课后进一步探究。

物理源于生活，生活亦是悟理。PBL教学理念与核心素养的达成相辅相成，学生通过生活实际问题的发现和提出，促进物理观念的形成;从生活情境出发，建构物理模型可以提升学生的科学思维;对问题定量分析，通过小组合作的探究过程离不开科学探究;在解决问题过程中实事求是、尊重事实、并回馈于生活，形成科学责任和态度。

参考文献：

[1]  林静静. PBL教学模式在初中物理中的应用策略研究[J].中学物理教学参考，2021（21）：36-37.

[2] 李黎. 高中物理PBL教学法中的“问题构建”[J].湖南中学物理，2014（4）：6-7.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[4] 蒋勇. 共点力作用下物体平衡问题讨论[J].数理化学习（高三）.2014（8）：21-22.