高三物理复习教学中核心素养的培养——以“平抛运动实验”教学为例

高三物理复习教学中核心素养的培养——以“平抛运动实验”教学为例
在新课程改革的背景下，从三维目标的建立走向学生核心素养的培养是课堂转型的关键，高中物理核心素养由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度和责任”四方面组成。

但是，高三学生由于面临高考升学的压力 ，学生的关注点主要落在解题能力的提升上，而教师在实际的复习课教学中，也是以教授解题方法为主，忽略了对学生物理核心素养的培养。

在一次物理复习课上，由于《研究平抛运动》这一实验知识点没有列入考试大纲考察范围，笔者在课堂教学中并未对该节内容展开复习，对实验中提到的“液柱径迹法”更是简要说明，一带而过。

课后，有学生提出疑问：平抛运动的轨迹和初速度大小有关，在利用“液柱径迹法”研究平抛运动实验中，由于液体（水柱）是连续流出的，怎样保证液体（水柱）在流出时初速度始终相同？这位学生的问题让笔者在惊叹他思维活跃的同时，也引起了笔者的思考：这是一次培养学生核心素养的机会。

于是在解答了学生的提问后，笔者课后又精心准备，并利用一节课的时间进一步拓展解决这个问题。

一、理论分析——培养科学思维
引导的第一步就是理论分析，为了使该问题符合高中生的思维能力，笔者建立了一系列的理想模型，且所有理想模型周围的大气压强为一个标准大气压，环境温度保持不变。

然后笔者设计了以下问题来层层推进。

问题1、液体（水柱）从管口流出的速度和哪些因素有关？
模型一：如图1为上端开口，盛有水的容器，水深为h ，在容器底部开一个面积为Δs 的小孔。

请同学计算液体（水）从小孔流出时的速度。

微元法处理，在小孔附近取一段长为L ∆，横截面为S ∆的水柱元，分析：
质量：)(s l V m ∆⋅∆==∆ρρ
所受合力：s gh s P P gh F ∆⋅=∆⋅-+=ρρ])[(0
0 合力做功：22
1mv L F =∆⋅ 解得：gh v 2=
由此可知，水柱从小孔中流出的速度和液面距小孔的高度有关，在此模型中，水柱从小孔中流出的速度随液面下降的高度而不断减小。

问题2：若容器上端密封，液体（水柱）从管口流出的速度和哪些因素有关？
模型二：如图2，若容器上端封闭，且液体（水）盛满整个容器，欲使液体（水）能够从底端小孔流出，水柱高度要满足的条件：0P gh ≥ρ 在一个标准大气压下,解得m h 10≈。

这一高度过高，在实际实验操作中
存在一定困难，最好让液体（水柱）没有盛满整个容器，液面上方存在空气，图1 0P P h + 0P
使得液体上下两面都存在气体压强。

模型三：若容器上端密封，但液体（水柱）没有盛满整个容器，在液面上方存在空气，如图3所示。

设容器内水柱高为，水面上方封闭气体长度为2h ，容器横截面积为s ，
封闭气体为理想气体，容器导热。

当容器内水柱下降h ∆时：
理想气体等温变化：S h h P S h P ⋅∆+=⋅)()(2120 解得0221P h
h h P ∆+= 微元法处理，在小孔附近取一段长为L ∆，横截面为S ∆
的水柱元，对其分析： 质量：)(s l V m ∆⋅∆==∆ρρ 所受合力：s P h h h h h g s P P h h g F ∆⋅∆+∆-
∆-=∆⋅-+∆-=])([}])({[021011ρρ 合力做功：221mv L F =
∆⋅ 解得：])()([2201ρ
h h P h h h g v ∆+⋅∆-∆-= 由此可知，在此模型中，水柱从小孔中流出的速度随液面高度的下降而不断减小。

综上，如果以上述两个模型来研究平抛运动实验，液体（水柱）从容器中流出的速度会不断减小，实验将会失败。

问题2、课本中容器口为什么要插入两根细管？
模型四：若容器两端密封，开口向下倒置，液体（水柱）没有盛满整个容器，在液面上方存在空气，如图4所示。

设两根细管管口位置分别为Q 点和P 点，高度差为h 。

细管口Q 点取液面分析，由于细管和外界大气连通：气液P P P +=0，可知，
当液体压强和气体压强随液面高度变化时，Q 点压强保持不变。

微元法处理，在小孔附近取一段长为L ∆，横截面为S ∆的水柱元，分析：
质量：)(s l V m ∆⋅∆==∆ρρ
所受合力：s gh s P P gh F Q ∆⋅=∆⋅-+=ρρ])[(0
合力做功：22
1mv L F =
∆⋅ 解得：gh v 2=
由此，从细管P 处流出的液体（水柱）仅和两个细管管口PQ 的高度差有关，只要液体在下落时还未下降到细管口Q 点，液体从小孔P 处流出的速度将保持不变。

二、实验探究——培养科学探究
理论分析解决了实验原理，第二步就要进行实际的实验，并通过实际实验来论证理论的图2
图3 图4 0P P h '+0P 0P P h + 0P
正确与否，由于课堂时间短，笔者采取的是教师演示实验，但是教师在演示之前，师生之间交流讨论，探究总结了以下注意事项：
1、细管的横截面积不能过粗，因为液柱流出小孔P 的速度恒定，若细管的横截面积较大，相同时间内流出的液体（水柱）体积较大，而容器中液体总体积为定值，导致时间短，不便于观察平抛运动的轨迹。

2、建立以细管口为原点，水平方向为X 轴，竖直方向为Y 轴的坐标轴。

为了使液柱流出后的轨迹能够落在整个坐标纸上，实验前，规定液柱能通过坐标轴上的（10cm,20cm)点。

vt x gt y ==，22
1 解得s m v /0.5= gh v 2=， 解得cm h 52.=
因此，实验时两个细管管口的高度差应为2.5cm 左右。

另外，这些实验注意事项的得出由笔者设疑，学生思考得出，目的在于培养学生科学探究能力。

三、误差分析——培养科学责任
通过以上分析，学生对该实验的实验原理，实验操作步骤已经了然于胸，但是以上所有的分析全部是基于理想模型得出的结论，在实际的操作中一定存在误差，对误差的分析时引导的第三步，这一问题笔者留给学生课下查阅资料进一步研究，课堂上只是给出研究的方向：
1、实际环境中的大气压强并非一个标准大气压。

2、实际环境中的温度不能保持不变。

3、容器中液体流动也可能会带来误差。

4、其他。

四、归纳总结——形成物理观念
在课堂结束前，笔者向学生归纳了本节课所用的知识点，1、平抛运动基本规律，2、液体压强公式，3、理想气体中的等温变化，4、动能定理，5、实验基本操作。

这些知识点全部属于考试大纲所考察的知识点，通过对本实验的总结，使得学生在头脑中对这些物理知识进行提炼和升华，发展了学生分析、解决问题的能力。

五、我的一点反思
经过以上过程，笔者感受到物理核心素养是物理学科和教育的有机结合，是物理学科教育在高度、深度和内涵上的提升，本节课的课题虽然并不是考试大纲中列出考察内容，但是要想解决该问题，所用的知识点在高考考察范围之内，而且必须把这些知识点有机的融合起来，综合分析才能解决该实验。

这一点正是现在大部分高三学生所欠缺的，却是物理核心素养所要求的能力。

笔者在以往的高三复习教学中，为了应对高考，往往采取先复习知识点，再讲解习题这种“灌输式”教学，长期使用教学模式容易让学生产生疲惫感，加上物理学科相对于其他学科难度上相对较难，学生对物理的学习会产生畏惧心理，学生变得只会解题，而很少去探究物理本质，对物理核心素养的培养更是无从谈起；从教学效果上来看，本节课达到的复习效果比“灌输式”教学达到的效果要强，学生的课堂参与度更高，而且学生要想解决笔者设置的疑问，他们就必须要将他们整个高中热力学知识有机地结合起来，这样复习知识点更加的系统全面。

因此，我认为高三复习时切不可忽略对学生物理核心素养的培养，让学生融入物理，才能让复习变得更加高效。