基于物理核心素养提升的教学设计，本文主要内容关键词为：素养论文,教学设计论文,物理论文,核心论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、设计意图 “生活中的圆周运动”（第一课时）是人教版高中《物理》必修2第五章第七节的内容。从课型上讲，是一节理论应用课，从生活中抽取圆周运动模型，利用物理学的思维体系解决实际问题。 知识目标：能定性分析火车外轨比内轨高的原因；定量分析汽车过凸形桥最高点和凹形桥最低点的压力问题；知道离心运动及其产生条件，了解离心运动的应用与防止。 能力目标：了解实际问题中向心力来源，能用牛顿运动定律分析圆周运动，会用力和运动观看待生活中的圆周运动。 态度目标：培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识，培养理论联系实际的能力，牢固树立安全行驶的态度与责任。 难点：铁轨的空间想象；火车拐弯的轨道平面是在水平平面内，还是在斜面平面内难以想象；对圆心在何处没有直观的认识。 实验准备：火车转弯对比实验；凹凸形桥演示器；学生实验甩干器；离心机。火车车轮与轨道模具；漏斗剖面模具。 二、教学过程 教学流程：（1）视频1（西班牙火车脱轨事故）引入，认识火车车轮和轨道结构（提供小组模具），实验1（火车转弯对比实验），水平匀速圆周运动建模图片和视频2（直升机转弯），归纳牛顿第二定律的应用。（2）理论推导过桥问题，凹形桥集体完成，凸形桥学习卡展示，实验2（凹凸桥实验演示论证），推广至地球（最大凸形桥）引出离心运动。（3）实验3（学生实验甩干机），总结离心现象的应用及危害视频3（离心现象的应用与危害），案例拓广，实验4（离心机）。 1.案例一 转弯（水平匀速圆周运动） 师：（引入课题）生活中经常遇到运动物体转弯的问题，火车转弯就是常见的一种圆周运动。（视频1），2013年，西班牙发生了一起严重的火车脱轨事故，事发路段是一处弯道，高速转弯的火车冲出轨道。当时列车上总共245名人员，事故导致80人死亡，80条生命瞬间“急转弯”，超过140人受伤。带着这样震撼的画面引发我们对火车安全转弯的思考。现在每四位同学分到了一组火车车轮与轨道模具，先一起了解火车车轮与轨道的特点。教师一边操作一边指导（见图1）。
师：在平直轨道上匀速行驶的火车，受到什么力的作用？ 生1：重力、弹力、牵引力、阻力。 师：请看看车轮在轨道上的运动情况。车轮有什么结构特点和作用？ 生共：学生动手做并回答，学生发现车轮内侧有凸出的轮缘，轨道将两车轮的轮缘卡在轨道里面，这种结构特点有助于固定火车运动的轨迹。 师：火车在水平面弯道转弯时，按建立理想化模型思想，我们把小车在水平弯道上所做的运动视为一小段匀速圆周运动，是什么力提供向心力？内外轨怎么区分？ 生2：因为火车钢轮和钢轨之间的摩擦很小，不可能是摩擦力。结合车轮、轨道模型，外轨道受挤压对火车提供向里的侧向弹力（见图1）。靠近圆心的轨道是内轨。 师：火车质量大，速度大（我国铁路进行了多次大提速，时速达每小时200公里以上，大西客运专线试验速度达每小时385公里，即1 s前进106m）。所需向心力
很大，容易使轨道和轮缘受损，影响使用寿命，造成极大的安全隐患。 师：假设你是一位从事铁路设计的工程师，如何采取有效措施，减少轮缘与轨道间的侧向挤压？ 生3：转弯适当减速，可以增大轨道半径等。 师：先来做一个模拟火车转弯的实验（见图2）。现在我把自制的小车当做运动车厢，让它水平弯道上做匀速圆周运动。 师：演示图2实验（用有机玻璃制成轨道，嵌入木板固定）。火车转弯实验（同步摄像）。倾斜轨道高度控制转弯速度。小车以较小速度顺利通过弯道1；小车速度较大时在弯道处发生侧移。说明什么？
生共：在弯道要适当控制速度，速度大会发生脱轨。 师：小车以同样较大的速度却能顺利通过另一弯道2。把轨道拿给学生看，弯道不同，学生发现玄机，轨道高度不同，外轨高内轨低。 师：在不同现象的背后我们需要寻找理论的支撑。先进行安全速度行驶时的受力情况。 师：火车在倾斜轨道上圆周运动受到哪些力？圆心在哪里？何处是圆心？沿斜面还是水平面？ 生4：重力，弹力。 师：教师将漏斗剖面模型给学生看，由轨道平面确定倾斜轨道的圆心在水平面上，加深学生对圆心位置的认识（见图3）。
师：由圆心位置确定合力方向，现实生活中，在建筑铁路时，必须根据转弯处轨道的半径（半径尽可能大，达几千米）适当选择内外轨高度差对应的倾角。请列出规定的安全速度
，即使轮缘与铁轨之间无侧向挤压力。 生5：
师：如果火车在转弯处的速度不等于规定速度，会发生怎样的情况？ 生共：当v=
时：轮缘不受侧向压力，当时v＞
时：轮缘受到外轨向内的弹力，当v＜
时：轮缘受到内轨向外的弹力。 师：西班牙火车脱轨事故，限速为80 km/h的弯道，当满足以上安全速度时，没有侧向挤压力。如果车速稍大于或小于，会对内外轨道产生一定的侧向挤压，而此次事故车速竟达190 km/h。超速转弯引起脱轨是造成事故的主要原因。 生活中还有很多通过倾斜来获取水平转弯所需的向心力的实例。图片和视频展示，比如英国布里斯托尔赛车场在倾斜路面上转弯，类同于小球在光滑倒立漏斗中做匀速圆周运动，都由重力和接触面弹力的水平合力提供向心力；展示摩天轮（实物图：加州新版高中物理教材208页摩天轮插图和抽象图），由重力和拉力的水平合力提供向心力；直升机（播放视频2，转弯倾斜）和鸟水平转弯倾斜，由重力和空气升力的水平合力提供向心力。人和自行车等快速转弯时向内适度倾斜的圆周运动模型等，抽取出共同的水平匀速圆周运动模型，圆锥摆模型（见图4）。
2.案例二 过桥（竖直平面内的圆周运动） 师：接下来，我们一起研究生活中另一种圆周运动，生活中经常会看到美丽的凸形桥，而很少见到凹形桥。请问凸形桥有哪些优点呢？ 生共：凸形桥更加坚固，可以让更大的船只通过，利于通航…… 师：今天我们学习有关凹凸桥的圆周运动知识。设桥面圆弧半径为r，质量为m的汽车在凹形桥上以速度v前进，问汽车通过凹形桥最低点时对桥的压力多大？（PPT相应把汽车抽象成小球，从凹凸桥抽象成凹凸面，并且显示整个圆，说明凹凸面也是圆周运动的一部分。提示分析步骤：受力分析、确定向心力、列方程。） 生6：重力和支持力的合力提供向心力
（向心力大小公式，因此应该大的力减小的力，或者以前所说以加速度方向为正方向），根据牛顿第二定律和牛顿第三定律，汽车对桥面的压力比重力大。 师：速度的随机变化，挤压力却发生了规律性的变化，发生了超重现象。 师：汽车过凸形桥，在最高点，对桥的压力又怎样？ 生7：学生在学习卡上完成，并展示。发生了失重现象（指导学生中用铅笔画图，不列平衡式）。
师：接下去，我们通过凹凸桥实验进行验证（如图5所示凹凸桥演示实验：调节轨道间距，使钢球能静置于最低点“凹桥”，钢球有速度经过凹处时掉落。减小凹处间距，使小球顺利通过。静置于凸处下落，有速度时能顺利滑过）。
师：生活中，这种现象的应用很多，比如过山车，风驰电掣般地冲上一个圆形轨道。或者当你骑自行车快速通过不平的路面时，在这些酒窝大道上，会有颠簸感觉，在加速度忽上忽下，弹力忽大忽小，超重和失重的体验中特别刺激过瘾，花钱买的就是这种感受。当然也存在着安全隐患，比如在凹处的超重现象，影响道路和轮胎的使用寿命，在凸处的失重现象，不易掌握驾驶方向。 总结：竖直平面内的圆周运动最高点和高低点，沿半径方向的合外力提供向心力。因此需要学会进行受力分析、运动分析，用牛顿第二定律相联系，这是爱的等式。 师：当物体过凸桥速度逐渐增大（图片显示逐渐增大的凸形桥），对桥面的压力越来越小，直到压力为零，如果桥半径越来越小，汽车速度越来越大，压力都可以为零。当桥半径等于地球半径，汽车速度足够大也可以脱离地球表面，因此，地球是最大的凸形桥。这就是接下去我们一起学习的离心运动。 3.案例三 离心现象 实验3：学生4人一组动手做离心现象实验（一钢丝一端折弯从药桶壁穿出并固定，另一端穿过瓶盖，在桶身上打一些小孔，最后在药桶里放一团棉花。指导学生通过瓶盖把水倒满，多余水接在水杯里）。
师：如果我们想把浸在棉花里的水尽快与棉花脱离，从四周的小孔里钻出，请学生动手操作，并解释这些现象。 生：水与海绵之间有粘附力，这种吸引力使得水不会轻易脱离海绵。随着药筒转动加快，它们之间存在的吸引力不足以提供水做圆周运动所需要的向心力，水就沿着所在的圆周的切线方向运动，离圆心越来越远。 这便是生活中洗衣机脱水筒的工作原理。 共同完成学习卡上离心定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合外力突然消失或者不足，或者物体的速度突然增大，使得物体所受外力的合力不足以提供圆周运动所需的向心力，物体就做逐渐远离圆心的运动。这种运动叫做离心运动。 师：离心现象有很多应用，也有不少危害，观看视频3，有棉花糖的制作，科幻片（人和机器大战时的离心），汽车转弯处的脱轨，过桥时的离心。因此，结合水平平面匀速圆周运动和竖直平面圆周运动模型，我希望同学们谨记“安全行驶：转弯过桥请减速，大半径适倾斜”。 师：圆周运动还有许多拓展实例（图片展示）。比如圆周与古代文明（水车），与科学实验（回旋加速度器），与生命运动（人体结构，洗过手后，我们经常会甩手，可以绕肩转、绕肘转，绕手腕转，还可以绕手关节转，不同的半径，会有不同的离心效果），圆周运动还与工业技术有关。 师生一起演示实验4：离心机工作介绍，
和NaOH，反应生成蓝色沉淀物
，并用水稀释，搅拌后分别装入2个试管，一个倾斜放入离心机，一个静置。离心机如图7所示。 实验结论：离心沉淀比重力沉淀快。
师生共同小结：有物，有力，有运动和变化规律，有牛二！牛顿第二定律不仅适用于直线运动，也适用于曲线运动。安全行驶，你我有责。 作业：完成学习卡上的作业（略）。 三、基于物理核心素养提升的教学设计 新一轮课改“学生发展核心素养体系”从文化修养、社会参与、自我发展三个维度展开。物理核心素养是科学素养的一部分，科学素养是文化修养的一部分。物理核心素养主要有四方面内容：实验探究、科学思维、物理观念、科学态度与责任。本节课较好体现了学生物理核心素养的提升目标。 1.实验探究 整个教学过程，作者提供了2个模型，学生在轮缘与轨道之间推动和左右拨动中，有助于理解轮缘和轨道的结构和作用。而漏斗剖面模型解决另一个难点：火车转弯倾斜时圆心的位置。课堂上的4个实验，第一个火车转弯对比实验，重在突破难点。通过低速度和高速度不同实验现象；通过控制速度和轨道半径相同，水平转弯和倾斜转弯的不同实验现象，引出减速转弯和适当倾斜的结论。第二个凹凸桥实验，是在理论分析的基础上进行实验验证。把超失重不易显现的现象转化为容易显现的球掉与不掉的实验现象。第三个甩干器实验，设计实验“体验探究过程”，让学生亲身经历“获得感性认识”经过思维加工“上升到理性”，教师在这一环节中为学生创造良好的探究资源和环境，给予必要的指导和帮助。充分加强学生动手做的体验，模拟脱水桶工作原理，增加趣味性和探究性。第四个离心机实验，在融合化学学科知识的基础上，通过对比实验，拓展圆周运动的知识，加强知识的应用能力。 2.科学思维
整堂课注重科学思维的展开，主要表现在三个方面。（1）调查表，了解学情。在浙江省物理年会的展示课上课前，作者发了一张“生活中的圆周运动调查表”，统计数据显示，授课班的学生42.5%没坐过火车；对于确定圆的三要素（圆心、半径、圆平面），选全的只有25%；超过80%的学生没有仔细观察过火车车轮与轨道的构造；有30%的学生认为火车弯道应该内轨高于外轨；而对于火车倾斜轨道平面的圆心只有5%同学认为在水平平面上。因此，基于对学情的了解，提供火车模型和提供漏斗剖面图，给学生直观的了解。（2）学习卡，突出问题。在学习卡上，将知识问题化，目标问题化，将问题融入一幅幅生活中的图片中。一张图，几个问题：第一，运动物体。第二，运动建模，建立匀速圆周运动或竖直平面圆周特殊位置，从轨道平面、圆心、速度和半径关系入手。第三，受力分析，在方框内画好受力图。第四，力和运动关系。从速度的增加，图片显示骑车倾斜提示学生转弯倾斜的重要模型，速度变化引起凹凸处超失重程度等等。这样的学习卡，利于学生在课前完成基础问题的掌握，课堂内则着重从科学思维中概括推理物理模型、规律总结等内化成能力提升的过程[1]。（3）教学自主转变。自组织转变理论告诉我们：教学过程是一个学生、教师、教材和环境相互协同的过程，是学生在教师引导下完成对教学内容掌握的同时其认知系统从被组织向自组织转变的过程[2]。比如，在本节教学过程中，通过实验展示火车倾斜转弯是被组织过程，提出水平倾斜转弯模型是引领学生走进了“临界区域”，而拓展到圆锥摆模型是实现自组织转变。再比如，教师与学生一起通过凹处的受力与运动分析，列式说明，是被组织过程。然后放手让学生独立完成凸处的力和运动关系并进而引发速度越大，失重越厉害，直至在地球上做离心运动，是自组织过程。 3.物理观念 物理核心观念主要有物质观、相互作用观、运动观和能量观。第一，物质观。比如从火车转弯，拓展至汽车倾斜转弯，小球，摩天轮，飞机和鸟的水平转弯。从汽车过桥、荡秋千等抽化成小球，图片把桥逐渐变大拓展至地球这个最大的凸形桥。离心运动中强调学生确定研究对象，不是药筒和棉花，而是水滴。第二，相互作用观。本节课从火车做匀速直线运动的受力，到水平匀速转弯时的受力，到这个轮缘和轨道间的弹力太大，说明西班牙脱轨事故，为引出倾斜轨道的必要性做铺垫。凹凸桥面受力，和水滴做圆周运动和离心运动时的受力。整个课堂围绕受力展开。第三，运动观。从匀速直线运动，到两种水平面上匀速圆周运动，到变速圆周运动，即竖直平面内最高和最低点。建立水平面上匀速圆周运动模型，合力提供向心力，建立竖直面内圆周运动模型，两特殊点沿半径方向的合力提供向心力。 4.科学态度与责任 生活中的圆周运动，告诉我们这节课的教学要与生活融通，从书本和符号中回归生活。在设计价值取向上，确立人本意识和生命意识；在教学方法上，强调学生的感悟、体验和实践。在整个教学过程中，作者提供了三个视频，第一个视频西班牙交通安全事故。第二个视频突出快速飞行的直升机在转弯时倾斜的画面。第三个视频以离心现象的应用特别是离心现象的危害为主，不仅仅给学生展示高速转弯时悲惨的交通事故，还提供高速过桥时的危害实例。此外，作者提供的图片都源自生活，有人教版书本上火车转弯、汽车过桥、洗衣机的脱水桶，还有玻璃漏斗等。有源自网络2张凹凸桥图片，还有英国布里斯托尔赛车场图片，加州新版高中物理教材208页摩天轮图片。很多版本教材中的插图都出现在学习卡上。通过对这些视频或精致图片的感知，相似经验的触发，引发学生的思考与感悟。 整个教学设计从西班牙交通过安全事故，到轨道和驾驶火车的安全措施。从凹处超重易爆胎凸处易飞离，到离心现象的危害视频，时时告诉我们，教天地人事，育生命自觉，建立安全行驶的态度与责任：转弯过桥请减速，大半径适倾斜。整堂课以“生活中的圆周运动”为明线，以“安全行驶”为暗线。因为教学不仅仅是知识的传递，能力的提升，更具有态度与责任的浸染。知识与能力后天能够习得，但素养的养成却要靠经历、反应、等待、领悟、升华，如同对待生命的态度与责任。
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