问题驱动下的高中物理高阶思维课堂实践——以“超重和失重”教学为例

以人教版高中物理必修一“超重和失重”为例,从“问题”“活动”“生成”3个维度构建物理高阶思维课堂。课前通过任务驱动学生利用手机、体重秤、便携式手提秤等家用设备探究生活中的超重和失重现象,课上通过问题驱动呈现超重和失重的认识过程,区分超重和失重的方法,运用Phyphox软件测量手机对手掌压力的极值,推理压力为零条件下的手机受力特点并建立完全失重概念,并通过有关太空生活的问题深化对完全失重概念的理解。     

自制超重和失重实验器材

利用自制的实验器材,对2019年人教版《物理》必修第一册“超重和失重”实验进行了创新,以改进教材实验研究的“力和时间的关系”无法突出超重与失重的重点问题这一困境。该自制实验器材可以通过调节配重实现超重和失重,并可以改变加速度的大小;还可以直接测量力和加速度,找出超失重时力与加速度的数量关系,再验证该数量关系符合牛顿第二定律。     

趣探“超重”和“失重”

一、课题的提出 超重和失重是物体在竖直方向做变速运动时产生的现象，在生活中处处可见，有些超重和失重现象还十分有趣。本人在老师的指导帮助下，动手设计了几个“超重”和“失重”实验，现介绍如下。     

“超重”、“失重”探源

对“超重”、“失重”现象的分析是高中物理的难点．应该说“超重”、“失重”只是两句俗语．只要弄清本质，就不难把握．     

“问题—设计—体验—分析—结构”研究性学习模式一例—《超重和失重》教学设计

我们在课堂教学中采用了“问题-设计-体验-分析-结论”的模式数学,这样便于学生更透彻地理解概念、规律,同时也让学生在探究中感悟自身的潜能和享受到成功的喜悦。现以《超重和失重》课为例简介如下: 1 设计方案 [教学目标]①使学生认识超重和失重现象,理解产生超重和失重的条件。了解超重、失重的实际应用。②使学生初步掌握科学研究的一般方法,受到科学方法的训练,培养学生的观察和实验能力,科学思维能力。③培养学生学习科学的志趣和实事求是的科学态度,树立创新意识。     

“超重和失重”的几个演示实验

在讲到“超重和失重”时，全日制普通高级中学教科书以人在升降机中的情况为例，普通高中课程标准实验教科书把升降机换成升降电梯，都是通过分析人对升降机（电梯）的板的压力，帮助学生理解超重和失重现象。为了增加学生感性认识，前者安排了“做一做”观察失重现象，后者在例题旁安排了一幅插图，说明人站在体重计上下蹲或起立时也能看到超重和失重现象。     

麦克斯韦滚摆运动过程中的超重和失重现象研究

1 问题提出。神州五号发射成功以来，人们经常谈到超重和失重。高中物理课本中有一课内容讲解《失重和超重现象》．但实验研究失重和超重现象的都是一些向上或向下直线运动的实验，而宇宙飞船、人造卫星在运动过程中既有直线运动又有曲线运动，而绝大多数是圆周运动和旋转运动的。     

立足学生认知 落实核心素养——以“超重和失重”教学为例

通过学生的实验和问题的设计,让学生在观察和思考中分析现象,得出超重和失重的定义及产生的条件,利用牛顿运动定律解释超重和失重现象的成因,培养学生的物理学科核心素养。     

基于Phyphox软件的实时可视化实验设计——以“超重和失重”为例

基于智能手机Phyphox软件及它提供的实验编辑器,编写了一个超重和失重实验程序,将作为研究对象的手机受到的拉力及其加速度的数据实时可视化,用图像形式完整保存实验数据,帮助学生理解发生超重和失重现象的条件。利用实时可视化超重和失重实验程序做实验,实验现象明显、实验仪器简单、实验成本低,并且还可以突破实验场地的限制。     

超重、失重的另一种认识

超重和失重是牛顿第二定律在实际问题中的应用,在高中物理属于常见问题,下面通过三个实例,探讨分析超重、失重产生的条件以及对超重与失重的另一种认识。     

巧用“滚摆”演示超、失重现象

高一物理在讲述“超重和失重”这一节内容时，用模拟升降机的加速上升和加速下降进行实验时，由于学生可以观察的时间太短。钩码运动的过程交替过快，测力计的指针摇摆晃动很大。有时还会出现现象相互混淆。原有仪器不能明显展现超重失重现象的情景，教学效果欠佳。所以我就制作了滚摆式的超重、失重演示仪。     

核心素养导向下的“超重和失重”教学设计

以核心概念“超重和失重”为例,以“情境、问题”为导向,在真实情境和问题中引导学生亲历超重和失重概念的形成过程,在问题解决中完成对概念的深度探究并提升物理学科核心素养。     

《超重和失重》教学设计

由电梯实验入手研究超重、失重现象,得出超重、失重概念,并运用牛顿运动定律分析超重、失重规律.用钩码和橡皮筋模拟"蹦极跳",利用力传感器、数据采集嚣在电脑中得出橡皮筋拉力随时间变化的图象.由图象分析蹦极中的超重、失重和完全失重过程,培养学生识图能力、分析问题能力、合作探究能力.     

自制超重和失重演示仪

超重和失重是高中物理教学的重要组成部分，是牛顿运动定律应用的典型实例。新课程标准的要求是通过实验认识超重和失重现象，能运用牛顿运动定律解决的实际问题之一，最能使学生体验到科学知识的作用之处。实验的展示直接影响到学生对知识的认识。但在普通高中课程标准实验教科书《物理必修1》中，     

气体和液体中的超重与失重创新实验

实验在高中物理学习中起着重要的作用，它是科学探究的重要方式，也是教师多元化教学的体现，因此有必要开发和创新实验教具，提高课堂教学效果.基于新课标的要求，在讲授超重和失重时，都尽量使用实验仪器进行实验探究学习，有电子秤，有传感器，但都存在一些不足，前者的观察角度较窄，只有站在电子秤上才能获得真实的体验，电子秤的数字会瞬间发生变化，不利于实验观察；后者使用先进的仪器，只能在条件好的学校进行.为了提高演示的可视性和对比性，自制演示实验装置，实现在气体和液体中探究超重与失重现象，提高超重失重实验的演示效果.     

物理情境化教学视角下“超重和失重”教学的综述与启发

新课标颁布以来,高考物理情境化试题明显增多,如何在日常教学中进行有效情境创设越来越受到重视。以“超重和失重”为例,对新课标颁布后2018—2022年间的文献进行整理归纳,以情境化教学设计和情境化实验创新为主要关注点,分三个部分进行综述,并对超重和失重的情境化教学提出一些想法与思考。     

超重与失重

《超重与失重》是物理1（必修）司南版（山东科技出版社）第6章的第4节。本节课是在学完牛顿运动定律的基础上,来探索和研究超重和失重的问题。通过本节课的教学,不仅有利于学生对牛顿运动定律等前面知识的综合和深化理解,而且有助于培养学生分析问题和解决问题的能力。超重和失重现象可以从运动学和动力学两个角度理解：从运动学角度来看,当物体加速上升或减速下降时,物体处于超重状态;当物体加速下降或减速上升时,物体处于失重状态。从动力学角度来看,当物体受到的合外力向上（具有向上的加速度）时,物体处于超重状态;当物体受到的合外力向下（具有向下的加速度）时,物体处于失重状态。前者为表象,后者为本质,两者为递进关系。     

“超重与失重”中DISLab实验的改进与创新

2019年人教版高中物理教材将“超重与失重”单独列为一节内容,突出了这节课在牛顿运动定律应用中的重要性,教材中利用DISLab传感器实验演示超重与失重现象,但只记录了力随时间变化的关系,没有记录人下蹲和站立的速度随时间变化关系,学生分析时只能靠回忆,并不能很好地体现证据意识。在DISLab系统的演示实验改进装置中,将位移传感器和力传感器创新性地结合在一起,可同步记录F-t图和v-t图,学生从图中获取信息,对信息进行加工,培养学生的证据意识。     

在实验中学习“超重和失重”

为了能使学生亲自体验超重与失重现象,加深对超重与失重的理解,教师可以在教学过程中设计实验。引导学生自主探究。下面介绍几个与超重和失重有关的实验。     

课,不妨“倒置”来上

新程理念下的教学更需要加强教学反思．三年前对“超重和失重”一节课的设计,虽说当时认真挖掘教材,按照新课程的教学要求,遵循课本编者的思路,先由电梯的超重和失重情境导入。得出超重和失重的概念,然后给出超重失重的条件,再来解决习题,接着点明超重和失重实则是牛顿第二定律的应用规律,但实际教学效果与预设相去甚远．