從原型到模型：基于生活情境的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)
——以專(zhuān)題復(fù)習(xí)課“圓周運(yùn)動(dòng)向心力”為例

祁紅菊

(江蘇省奔牛高級(jí)中學(xué) 江蘇 常州 213131)

呂朝陽(yáng)

(江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國(guó)際分校 江蘇 常州 213161)

從原型到模型：基于生活情境的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)
——以專(zhuān)題復(fù)習(xí)課“圓周運(yùn)動(dòng)向心力”為例

祁紅菊

(江蘇省奔牛高級(jí)中學(xué) 江蘇 常州 213131)

呂朝陽(yáng)

(江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國(guó)際分校 江蘇 常州 213161)

利用生活化的真實(shí)情境開(kāi)展教學(xué)，可以拉近學(xué)生與物理間的距離，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣；通過(guò)生活化的實(shí)踐和體驗(yàn)，可以使學(xué)生有效地鞏固、活化所學(xué)的物理知識(shí)和技能，提高學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力.以一節(jié)專(zhuān)題復(fù)習(xí)課的教學(xué)過(guò)程為基礎(chǔ)，闡述從生活原型抽象到物理模型的教學(xué)設(shè)計(jì)及對(duì)模型教學(xué)的一些認(rèn)識(shí).

生活原型 物理模型 教學(xué)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)教育課程改革強(qiáng)調(diào)，教師要加強(qiáng)課程與生活及現(xiàn)代社會(huì)科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注學(xué)生的興趣和經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握終身學(xué)習(xí)必備的基礎(chǔ)知識(shí)和技能.物理知識(shí)來(lái)源于生活并最終服務(wù)于生活，很多物理知識(shí)都能在現(xiàn)實(shí)生活中找到其原型.為此，若能將日常生活情景和物理教學(xué)結(jié)合起來(lái)，從生活原型中抽象、概括出物理模型，會(huì)使物理學(xué)習(xí)變得更加具體、生動(dòng)、直觀(guān)，從而有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，較好地培養(yǎng)學(xué)生的物理應(yīng)用意識(shí)和建模能力.本文以高一專(zhuān)題復(fù)習(xí)課“圓周運(yùn)動(dòng)、向心力”為例，談基于生活情境的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)及對(duì)模型教學(xué)的一些認(rèn)識(shí).

1 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)內(nèi)容與牛頓第二定律、機(jī)械能等聯(lián)系非常密切，對(duì)學(xué)生的建模能力及臨界問(wèn)題的分析能力要求較高，同時(shí)也充分體現(xiàn)了“物理教學(xué)要密切聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用意識(shí)”的教學(xué)要求，是歷年來(lái)高考命題的重點(diǎn)之一，因此學(xué)好本節(jié)課顯得尤為重要.

教學(xué)目標(biāo)：

(1)會(huì)分析向心力的來(lái)源，并通過(guò)實(shí)例分析，使學(xué)生對(duì)向心力的概念有更為深刻的認(rèn)識(shí).

(2)從生活原型出發(fā)，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣的同時(shí)，讓學(xué)生熟練掌握建立兩類(lèi)圓周運(yùn)動(dòng)物理模型(水平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)和豎直面內(nèi)的非勻速圓周運(yùn)動(dòng))的步驟和方法.

(3)滲透理論聯(lián)系實(shí)際的理念，提高學(xué)生在研究實(shí)際問(wèn)題時(shí)觀(guān)察、分析、抽象、建模的方法和能力.

教學(xué)重點(diǎn):

在具體問(wèn)題中，能通過(guò)受力及運(yùn)動(dòng)分析，明確向心力來(lái)源，并結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律、機(jī)械能等知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題.

教學(xué)難點(diǎn):

(1)兩類(lèi)圓周運(yùn)動(dòng)模型的建立.

(2)對(duì)臨界問(wèn)題的討論和分析.

2 教學(xué)過(guò)程實(shí)錄

2.1 創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入新課

師：歡迎大家來(lái)到省奔中游樂(lè)場(chǎng)，快來(lái)看一下這里有哪些你感興趣的游樂(lè)設(shè)施？這些設(shè)施的運(yùn)動(dòng)軌跡有什么共同的特點(diǎn)？(教師通過(guò)PPT展示各種與圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的游樂(lè)照片或視頻)

生：軌跡都是圓.

師：圓周運(yùn)動(dòng)和我們的生活息息相關(guān)，經(jīng)常和平拋運(yùn)動(dòng)、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律等問(wèn)題相結(jié)合，這就要求我們?cè)诶斫獾幕A(chǔ)上能在新的情境中應(yīng)用相關(guān)知識(shí)解決問(wèn)題.現(xiàn)在，你準(zhǔn)備好了嗎？我們要入場(chǎng)咯！

2.2 原型展現(xiàn)構(gòu)建模型

生活原型1:神奇的魔盤(pán)

播放視頻，如圖1所示.

圖1 神奇的魔盤(pán)視頻截圖

師：圓盤(pán)轉(zhuǎn)起來(lái)后，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

生：有的人會(huì)被甩出去.

師：請(qǐng)同學(xué)們猜測(cè)影響游戲勝負(fù)的因素可能有哪些？

生甲：與人的質(zhì)量有關(guān)，瘦的人先滑出去.

生乙：還與動(dòng)摩擦因數(shù)有關(guān)，應(yīng)穿粗糙的褲子；與距離圓心的遠(yuǎn)近也有關(guān)系，應(yīng)坐在靠近圓心的位置.

繼續(xù)觀(guān)看視頻.

師：和你的判斷一致嗎？是否先被甩出去到底取決于什么？怎么分析？

師生共同討論分析，將其簡(jiǎn)化和抽象后建立了一個(gè)合理的物理模型，人相當(dāng)于如圖2中的物塊A，B，C，并運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理知識(shí)解決.

圖2 “神奇的魔盤(pán)”物理模型

對(duì)物塊，即將滑動(dòng)時(shí)有μmg=mω2r，則

由上可知，能否先被甩出去與人的質(zhì)量無(wú)關(guān)，而取決于動(dòng)摩擦因數(shù)μ和離圓心的距離r.

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)往往與臨界問(wèn)題相結(jié)合，正確找出臨界狀態(tài)是解題關(guān)鍵，兩者即將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的臨界條件是靜摩擦力達(dá)到最大值.

師：剛才的魔盤(pán)若有豎直側(cè)壁，如圖3所示，人甩至側(cè)壁處，只要轉(zhuǎn)盤(pán)角速度滿(mǎn)足一定條件，人就可以離開(kāi)盤(pán)面，貼著側(cè)壁和魔盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即使地板塌落人也不會(huì)掉下去，為什么？

圖3 有側(cè)壁的魔盤(pán)

師：假設(shè)人質(zhì)量為m，與側(cè)壁間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，筒半徑為R，為使人不掉下來(lái)，圓筒的角速度至少是多大？

師生共同討論分析(略).

生活原型2：玩飄的空中飛椅

播放視頻，如圖4所示.

圖4 空中飛椅視頻截圖

師：空中飛椅.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)得越快，人就飛得越高，為什么？轉(zhuǎn)得快慢與人的質(zhì)量有關(guān)嗎？

師生共同討論分析，并建立如圖5所示的物理模型.

師：設(shè)圓盤(pán)半徑為R，繩長(zhǎng)為L(zhǎng)，人與飛椅組成的整體質(zhì)量為m.請(qǐng)回答，穩(wěn)定后飛椅在空中做什么運(yùn)動(dòng)？圓心在哪？半徑有多大？受到哪些力的作用？誰(shuí)提供了向心力？角速度與θ之間的關(guān)系是什么？

生：飛椅做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則有

Fn=mω2rFn=mgtanθ

又r=R+Lsinθ，所以

ω越大，θ越大，與人的質(zhì)量無(wú)關(guān).

圖5 空中飛椅物理模型

師生共同小結(jié)：處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)應(yīng)首先構(gòu)建物理模型，如果物體在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，解決問(wèn)題的方法就是利用牛頓第二定律F合=F向=ma向，落實(shí)3個(gè)“找”：找圓心、找半徑、找向心力來(lái)源.

反饋練習(xí)：如圖6所示的圓錐擺,擺線(xiàn)與豎直方向的夾角為θ,懸點(diǎn)O到圓軌道平面的高度為h,下列說(shuō)法正確的是( )

圖6 圓錐擺

A.擺球質(zhì)量越大，則h越大

B.角速度ω越大，則擺角θ也越大

C.角速度ω越大，則h也越大

D.擺球周期與質(zhì)量無(wú)關(guān)

生活原型3：瘋狂的過(guò)山車(chē)

播放視頻，如圖7所示.

師：坐過(guò)山車(chē)時(shí)害怕嗎？在最高點(diǎn)整個(gè)車(chē)都倒過(guò)來(lái)，車(chē)內(nèi)的人為什么不掉下來(lái)？是因?yàn)橛邪踩珟幔?/p>

圖7 過(guò)山車(chē)視頻截圖

演示：用小球從斜軌某處由靜止釋放模擬過(guò)山車(chē)，如圖8所示.

圖8 模擬過(guò)山車(chē)

師：球在最高點(diǎn)時(shí)掉下來(lái)了嗎？有安全帶嗎？是什么原因使得球掉不下來(lái)呢？小球開(kāi)始釋放的高度會(huì)影響它完成圓周運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？

師：假設(shè)軌道光滑，小球在經(jīng)過(guò)豎直圓軌道的最高點(diǎn)時(shí)的最小速度是多少？若球恰能通過(guò)最高點(diǎn)，則在最低點(diǎn)時(shí)小球的速度需滿(mǎn)足什么要求？為使小球不脫離軌道，h的取值范圍應(yīng)為多大？

學(xué)生思考、討論、分析、解決(略).

最后師生共同小結(jié)：處理豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往抓住最高點(diǎn)和最低點(diǎn)兩個(gè)特殊位置，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行正確的受力分析，然后確定向心力來(lái)源，根據(jù)向心力公式列出方程，并由方程中的某個(gè)力的變化與速度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而分析找到臨界值.最后再利用動(dòng)能定理把兩個(gè)特殊位置聯(lián)系起來(lái).

2.3 回顧總結(jié)變式升華

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)應(yīng)用物理規(guī)律分析兩類(lèi)圓周運(yùn)動(dòng)模型的步驟和方法，并適當(dāng)變式拓展.通過(guò)設(shè)計(jì)不同層次的練習(xí)，使學(xué)生在解決新的問(wèn)題中加深對(duì)模型的理解.(略)

3 教學(xué)過(guò)程反思

3.1 依托熟悉的生活原型提高課堂教學(xué)效能

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，在日常的生活情境下學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)去“同化”當(dāng)前學(xué)習(xí)的新知識(shí)，從而賦予新知識(shí)新的意義.所以在教學(xué)設(shè)計(jì)中，若將學(xué)習(xí)內(nèi)容置于熟悉的生活情境中，幫助學(xué)生在這種情境下去發(fā)現(xiàn)、探究并解決問(wèn)題，既符合教育學(xué)理論和心理學(xué)規(guī)律，又會(huì)使課堂教學(xué)變得生動(dòng)高效.本節(jié)課以熟悉的生活原型為載體，通過(guò)設(shè)計(jì)活動(dòng)，使學(xué)生參與并讓學(xué)生成為探索問(wèn)題的主體，讓學(xué)生在討論中明知，在爭(zhēng)論中解惑，在思考中提升.濃郁的生活氣息充盈著整個(gè)課堂，充分彰顯了物理學(xué)科的學(xué)科魅力，使得物理學(xué)習(xí)不再是“紙上談兵”，學(xué)生真切地體會(huì)到了生活中的物理，感受到了物理與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，從而激發(fā)了學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)物理、應(yīng)用物理的意識(shí).

3.2 重視原型到模型的過(guò)渡凸顯模型的建構(gòu)過(guò)程

將生活中的實(shí)際問(wèn)題經(jīng)過(guò)分解、提煉、抽象后成為物理模型，并用學(xué)過(guò)的物理知識(shí)求解、驗(yàn)證模型的合理性，再用該模型所提供的結(jié)論來(lái)解釋現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，這一過(guò)程就是建模.它使學(xué)生經(jīng)歷了表征、抽象、概括的過(guò)程，學(xué)會(huì)了解決實(shí)際問(wèn)題的策略和方法，有效地促進(jìn)了知識(shí)的遷移，提高了物理思維能力.而學(xué)生的能力發(fā)展水平，不僅取決于其自身思考與探索的積極性和主動(dòng)性，也取決于知識(shí)生成與發(fā)展進(jìn)程中參與的深度和廣度.因此在教學(xué)中，我們要將教師的有效導(dǎo)學(xué)和學(xué)生的主動(dòng)探究有機(jī)地結(jié)合，通過(guò)多種教學(xué)手段讓學(xué)生充分經(jīng)歷探究的全過(guò)程，體驗(yàn)建模的各個(gè)環(huán)節(jié)，達(dá)到活化知識(shí)、發(fā)展能力的目的.本節(jié)課以學(xué)生活動(dòng)為中心，有目的地創(chuàng)設(shè)層次性的問(wèn)題情境，引領(lǐng)學(xué)生在探究解惑、分層推進(jìn)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)物理模型的自主建構(gòu)，并在對(duì)建模過(guò)程的回顧和反思中，感悟模型的魅力，形成模型的思想.

3.3 注重拓展與應(yīng)用培養(yǎng)學(xué)生模型遷移能力

在教學(xué)過(guò)程中，既要注重學(xué)生建模思想的形成，更要注重物理模型的拓展應(yīng)用.模型的建立不是最終目的，而是讓學(xué)生先理解并掌握科學(xué)的建模方法，再學(xué)會(huì)應(yīng)用新建的模型去解決問(wèn)題.所以教師應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行適度的生成和拓展，繼續(xù)提供新的類(lèi)似的問(wèn)題情境，使學(xué)生利用已建立的物理模型來(lái)解決新的問(wèn)題，以達(dá)到鞏固模型和培養(yǎng)學(xué)生模型遷移能力的目的.在應(yīng)用模型的過(guò)程中，不能讓學(xué)生簡(jiǎn)單地套用模型，而應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生掌握解決問(wèn)題的思維過(guò)程，并對(duì)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行剖析，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)物理模型的理解，促進(jìn)模型的內(nèi)化.

1 陳雪梅．高中物理“貼近生活、聯(lián)系實(shí)際”教學(xué)策略的研究．物理教師，2016(3)：28～31

2 郉紅軍.高中物理高端備課.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2014.175～180

祁紅菊(1975- )，女，中教高級(jí)，常州市骨干教師，常州市優(yōu)秀教育工作者，主要從事物理教學(xué)及研究.

呂朝陽(yáng)(1969- )，男，中教高級(jí)，江蘇省物理特級(jí)教師，江蘇省優(yōu)秀教育工作者，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.

2016-11-27)