基于真實情境的物理概念教學(xué)探討 ①——以“曲線運動”的教學(xué)為例

孫 歡 蔡忠洋

(江蘇省南京市第九中學(xué),江蘇 南京 210018)

1 引言

周光召先生說過：“科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而是應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)觀念，用恰當(dāng)、生動的方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解。”《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在教學(xué)建議中也指出：“創(chuàng)設(shè)情境進行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。”因此，物理概念教學(xué)應(yīng)當(dāng)以生活中的真實情境為載體，通過情境發(fā)現(xiàn)問題，利用問題串引領(lǐng)物理概念建構(gòu)的過程。學(xué)生通過這樣的學(xué)習(xí)過程，所掌握的就不僅僅是一個個物理概念，還有認(rèn)識世界的科學(xué)思維方法。

基于真實情境的物理概念教學(xué)要以課程標(biāo)準(zhǔn)為本，創(chuàng)設(shè)真實、形象、生動、適宜的情境，讓學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而建構(gòu)物理概念。本文以“曲線運動”的教學(xué)為例，緊密結(jié)合教材和學(xué)生的學(xué)情，創(chuàng)設(shè)一系列真實情境，引導(dǎo)學(xué)生形成物理觀念，掌握科學(xué)方法，提升核心素養(yǎng)。

2 基于真實情境的物理概念教學(xué)設(shè)計

學(xué)生通過“直線運動”的學(xué)習(xí)，知道建立坐標(biāo)系的方法，掌握了位移、速度、加速度等物理概念，在理解平均速度、瞬時速度時，初步體會了極限方法，在推導(dǎo)位移公式時運用了微元方法，基于學(xué)生已掌握的知識和方法，筆者對曲線運動的教學(xué)進行研究。本節(jié)的主要內(nèi)容有曲線運動的概念、曲線運動的速度方向和物體做曲線運動的條件，筆者精心設(shè)計4個情境，通過問題串的引領(lǐng)，讓學(xué)生建構(gòu)意義，獲得曲線運動的相關(guān)知識，具體的教學(xué)設(shè)計流程見圖1。

圖1

2.1 創(chuàng)設(shè)游戲情境，感知曲線運動

師：我們先分組做一個游戲：用小球擊打橡皮，橡皮置于前方，在細(xì)繩的一端拴一小球，利用細(xì)繩讓小球在桌面上旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程找到恰當(dāng)?shù)臅r機松手，嘗試讓小球擊中橡皮。

師：請成功的同學(xué)分享經(jīng)驗，你觀察到小球的運動軌跡是怎樣的？你是在哪里松手的？

設(shè)計意圖：在課堂的開始，先帶領(lǐng)學(xué)生親身體驗和觀察小球的運動，建立曲線運動的概念，再松手讓小球擊打橡皮，感受曲線運動的速度方向，學(xué)生在游戲嘗試過程中形成了豐富的表象，對曲線運動會有一定的感性認(rèn)識，為后面理論推導(dǎo)和實驗驗證作了鋪墊。

2.2 創(chuàng)設(shè)實驗情境，明晰運動方向

2.2.1 從理論上分析曲線運動的速度方向

師：小火車從O點出發(fā)，經(jīng)過A、B兩點(圖2),火車的運動軌跡是什么？

圖2

生：圓。

師：把火車視作質(zhì)點，火車從O到A再到B，哪個物理量可以表示位置的變化?

生：位移。

師：畫出從O到A點物體的位移，怎樣描述物體運動的快慢？

生：速度。

師：如何計算出速度大小？

生：用OA這段位移除以對應(yīng)的時間。

師：這是什么速度？

生：平均速度。

師：請同學(xué)們討論A點的瞬時速度能否用OA的平均速度表示？OA兩點距離如何變化，誤差會小一些？

師：可用《幾何畫板》演示曲線運動的速度方向，當(dāng)兩個交點無限靠近時,我們認(rèn)為直線與之相切，也就是位移的方向沿著切線的方向(圖3)。對于圓是這樣，對于其他曲線也是這樣。因為速度方向與位移方向相同，所以曲線上某點的速度方向就是曲線上這點的切線方向。

圖3

設(shè)計意圖：借助軌道將小火車的運動軌跡顯化，曲線運動和必修一中學(xué)習(xí)的直線運動并不相同，如何分析曲線運動的速度方向？這先要回歸到速度的定義上，利用極限方法明確曲線運動中某點的瞬時速度沿切線方向，再從理論上驗證用小球擊打橡皮實驗的猜想。

2.2.2 用實驗驗證曲線運動的速度方向

筆者給每個小組提供了如下實驗器材：泡沫軌道、質(zhì)量較大的金屬小球、白紙、復(fù)寫紙、鉛筆等。

師：理論推導(dǎo)的結(jié)論是否正確呢？我們需要通過實驗進行驗證，請按照以下步驟進行實驗：(1) 將實驗裝置放在墊有復(fù)寫紙的白紙上，一位同學(xué)使軌道固定不動，另一位同學(xué)將小球放在軌道起點，并給小球一個初速度進入軌道(圖4)，在白紙背面會得到小球的運動軌跡；(2) 更換白紙，用力改變軌道形狀，重復(fù)上述步驟；(3) 用鉛筆將軌跡描出，在軌跡上標(biāo)出離開軌道的位置，畫出此時的速度方向(圖5)。

圖4

圖5

師：通過實驗我們發(fā)現(xiàn)：曲線運動的速度方向沿運動軌跡的切線方向。回到我們開始的游戲，可將裝置簡化成如圖6所示的模型。

圖6

思考：如在A點正前方松手，小球沿什么方向飛出？應(yīng)該在什么位置松手，小球才有可能到達(dá)A點？請同學(xué)們再次嘗試用小球擊打橡皮。

設(shè)計意圖：利用泡沫軌道，可以讓學(xué)生直觀地觀察到小球的運動情況，小球開始沿軌道做曲線運動，離開軌道后做直線運動。復(fù)寫紙記錄了小球的運動情況，通過分析軌跡進一步明確小球的運動情況。實驗簡單、易操作、貼近生活，學(xué)生通過這樣的實驗情境，加深了對曲線運動的認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.3 挖掘情境共性，探究曲線運動條件

師：通過學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)初步了解了曲線運動，物體為什么會做曲線運動？給你一個小球，能否讓它在空中做直線運動？

學(xué)生演示向上拋、向下拋。

師：能否讓它做曲線運動？

學(xué)生演示水平拋出、斜向上拋出等。

師：請同學(xué)們觀看小球做曲線運動的視頻，在學(xué)案中定性地描繪出小球的運動軌跡，并在軌跡上取5個點，畫出速度的方向。

師：如果在完全失重的情況下，小球的軌跡會是曲線嗎？

生：不會。

師：看來物體做曲線運動和力相關(guān)。請同學(xué)們對處于不同位置的小球進行受力分析，畫出小球受力的方向。

學(xué)生畫出小球在運動中受到的重力。

師：小球做直線運動時，在空中也受重力的作用。對比兩次小球的運動情況，討論曲線運動有什么條件？

生：曲線運動的條件是合力方向和速度方向不在同一條直線上。

師：曲線運動是否要求所受合力一定是恒力？觀看羽毛球運動的慢動作視頻，進行受力分析。

生：羽毛球所受阻力大小和速度有關(guān)，所以合外力不是恒力，但羽毛球依然做曲線運動。

設(shè)計意圖：通過對比小球做直線運動和曲線運動時的情境，讓學(xué)生自己分析物體做曲線運動的條件，再通過觀察阻力不能忽略的羽毛球運動的慢動作視頻，讓學(xué)生體會只要合力和速度不在一條直線上，就能做曲線運動。

2.4 回歸生活情境，解決實際問題

師：生活中有很多曲線運動的應(yīng)用，比如下雨天會發(fā)現(xiàn)有些騎自行車人的后背上有一道泥水印記，這是因為泥水脫離輪胎后會飛濺到人后背上，那如何規(guī)避這個問題呢？請同學(xué)們在自行車后輪虛線位置設(shè)計一塊最省材料的圓弧形擋泥板(圖7)，將虛線描成實線表示擋泥板，并簡述你的理由(泥水從輪子邊緣飛出的運動在短時間內(nèi)可近似看作直線運動)。通過希沃軟件上傳你們的設(shè)計作品，并對自己的作品進行介紹。

圖7

師：學(xué)習(xí)完本節(jié)內(nèi)容，同學(xué)們會對泥水在空中的運動情形有更深的理解，感興趣的學(xué)生可以成立課題研究小組，進一步研究擋泥板的設(shè)計。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，給學(xué)生展示的機會，同時為本章的拋體運動作鋪墊。

3 結(jié)語

在物理教學(xué)中，我們要創(chuàng)設(shè)有趣、貼近學(xué)生生活、富有挑戰(zhàn)性的情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激活學(xué)生的思維,引領(lǐng)學(xué)生主動建構(gòu)物理概念。本節(jié)教學(xué)創(chuàng)設(shè)的情境讓學(xué)生對曲線運動有了基本的認(rèn)識，再通過問題串的引導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生從情境中抽象出物理模型，進一步提高了學(xué)生的思維能力。由此可見，情境教學(xué)是提升學(xué)生思維能力、促進學(xué)生能力發(fā)展的有效方式。