將生活實(shí)踐問題情境引入物理課堂

林鴻輝 楊學(xué)切 陳志華

摘? ?要：隨著社會(huì)的發(fā)展與教學(xué)理念的改革，教師們不斷探索著教學(xué)方式的改進(jìn)、延伸、多樣化，挖掘并充分利用優(yōu)秀的教學(xué)資源。生活實(shí)踐情境類的問題能成為很好的教學(xué)資源，讓學(xué)生們從“物”中學(xué)“理”，將“理”運(yùn)用于“物”，增加與社會(huì)的接觸，深刻認(rèn)識(shí)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系。本文以我國神州十三號(hào)發(fā)射過程與進(jìn)駐空間站的視頻為例，展示生活實(shí)踐情境在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生活實(shí)踐問題情境;物理教學(xué);神州十三號(hào)

許多學(xué)生對于物理的印象就是一片黑白，腦子里想起的只有滿滿的概念、公式、定律以及無窮無盡的習(xí)題，感覺物理就是一門“灰色”學(xué)科，沒有任何色彩，因而覺得物理很無趣，學(xué)起來很困難。另外，學(xué)生如果感受不到物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用，便覺得物理“沒用”，漸漸對物理失去了學(xué)習(xí)興趣。做為新時(shí)代的物理教師，需要靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法，盡可能地開發(fā)和利用教學(xué)資源[ 1 ]，給“灰”色的物理增加一抹“紅”色，取得更好的教學(xué)效果。

近些年來，隨著科技的進(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展，國家高度重視教育改革，教師們的教學(xué)理念也不斷更新。基于現(xiàn)代化教學(xué)手段的快速發(fā)展，許多視頻資源被引入物理課堂教學(xué)，其中較多的是科幻類的電影[ 2 ， 3 ]或富含科學(xué)知識(shí)的電視節(jié)目[ 4 ， 5 ]，比如中央電視臺(tái)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目《加油！向未來》。除此之外，生活實(shí)踐情境類的問題也能夠很好地為物理教學(xué)提供素材[ 6 ]。

1 生活實(shí)踐問題情境

1.1? 生活實(shí)踐問題情境的特點(diǎn)與作用

生活實(shí)踐問題情境來自于生產(chǎn)生活或者現(xiàn)代科技，最大的特點(diǎn)就是真實(shí)性，也具有可參與性。將其引入課堂教學(xué)，可以讓學(xué)生基于物理知識(shí)解釋生產(chǎn)生活中一些現(xiàn)象背后的原因，感受物理在解決實(shí)際問題的實(shí)用價(jià)值，從而更好地激發(fā)學(xué)生對物理的興趣。比如，在力與平衡的課堂上介紹圖1所示的伸臂橋，讓學(xué)生從中華民族橋梁建筑藝術(shù)的瑰寶中感嘆物理知識(shí)無處不在，還可以利用易獲取的小材料親自動(dòng)手，感受力的平衡之美，如圖2所示，利用三根火柴組成一定結(jié)構(gòu)就能吊起一大瓶水。

為了凸顯物理基本概念和規(guī)律，教師往往會(huì)構(gòu)建簡單的物理模型進(jìn)行分析。實(shí)際上，教師可以積極利用生活實(shí)踐問題情境來引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，對抽象的理論知識(shí)有直觀的體會(huì)，從中形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維，實(shí)現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走進(jìn)社會(huì)”的目的。

合適的情境素材還可以讓學(xué)生更多地接觸社會(huì)，了解身邊發(fā)生的事情、社會(huì)的進(jìn)步，避免“兩耳不聞窗外事，一心只讀圣賢書”，在課堂上滲入思政教育， 比如，引入“高空拋物”這一社會(huì)熱點(diǎn)問題，讓學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量定理分析其危險(xiǎn)性，杜絕不文明行為。

1.2? 生活實(shí)踐問題情境的選取要求

選取合適的生活實(shí)踐問題情境引入課堂教學(xué)，才能事半功倍，取得理想的教學(xué)效果。

首先，所選情境應(yīng)有針對性。以知識(shí)點(diǎn)為依據(jù)，先確定授課目的，再選取相對應(yīng)的情境，對情境進(jìn)行教學(xué)資源挖掘，再將其運(yùn)用到教學(xué)之中。比如，在超重與失重的課堂上引入生活中常見的臺(tái)秤稱重的情境[ 7 ]，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

其次，所選情境應(yīng)具直觀性。所選的情境與所要講授內(nèi)容的聯(lián)系應(yīng)顯而易見，不能過于隱晦與牽強(qiáng)。例如，將擁有“水花消失術(shù)”的我國運(yùn)動(dòng)員全紅嬋在東京奧運(yùn)會(huì)上的跳水過程引入課堂，忽略空氣阻力的條件下，學(xué)生很容易判斷出運(yùn)動(dòng)員在空中做拋體運(yùn)動(dòng)。

除上述要求外，教師可優(yōu)先選擇能夠“立德樹人”的真實(shí)情境，具有正確的價(jià)值取向，引導(dǎo)學(xué)生熱愛自然，熱愛生活，關(guān)注國家重大科技發(fā)展。教師們通常用汽車起步或者同學(xué)起跑的生活情境引入加速度，如果播放亞洲飛人蘇炳添在東京奧運(yùn)會(huì)百米半決賽的實(shí)況，更能增強(qiáng)民族自豪感，厚植愛國情懷。

本文利用神州十三號(hào)載人飛船發(fā)射過程及宇航員進(jìn)駐我國空間站的視頻為例，從該社會(huì)熱點(diǎn)中挖掘其中蘊(yùn)含的物理教學(xué)資源以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

2? 生活實(shí)踐問題情境在物理課堂中的應(yīng)用

2.1? 作為課題引入，形成物理觀念

在新魯科版高中物理必修二“萬有引力的應(yīng)用”第二小節(jié)“人造衛(wèi)星上天”的課堂上，通過播放我國神州十三號(hào)飛船發(fā)射過程引入教學(xué)。觀看結(jié)束后教師通過設(shè)置合適的問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，讓學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)飛船運(yùn)行中涉及的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，加深學(xué)生對萬有引力和向心力的理解。

問題1：通過視頻，發(fā)現(xiàn)飛船順利升空，且進(jìn)入預(yù)定軌道。飛船在預(yù)定的軌道上繞地運(yùn)行，近似為圓周運(yùn)動(dòng)，向心力由誰提供？

學(xué)生回答：飛船做圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力來自地球?qū)︼w船的萬有引力。

問題2：站在地面上拋出一物體，最后這個(gè)物體都落回了地面。那飛船怎么能夠繞地做圓周運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生回答：因?yàn)轱w船的發(fā)射速度很大。

問題3：為了保證飛船在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，發(fā)射速度應(yīng)該多大？

學(xué)生討論后回答，最后教師作出解釋：飛船在近地繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛船距地面的高度遠(yuǎn)小于地球半徑，則飛船軌道半徑可近似等于地球半徑R。設(shè)地球質(zhì)量為M，飛船質(zhì)量為m，則地球施加的萬有引力F=G;萬有引力提供向心力，即G=m，由此求得發(fā)射速度，此速度稱為第一宇宙速度v=0.79 km/s，也稱為環(huán)繞速度。

得出第一宇宙速度之后，教師可以再根據(jù)太空探索發(fā)展史的重要事件進(jìn)一步引出第二、第三宇宙速度：我國登陸月球的嫦娥五號(hào)以及到達(dá)火星的天問一號(hào)，對于這些航天器來說需要增大速度擺脫地球引力，與之相對應(yīng)的速度稱為第二宇宙速度，也稱脫離速度;美國發(fā)射的旅行者二號(hào)飛出太陽系，它還需掙脫太陽的引力作用，其發(fā)射速度必須大于第二宇宙速度，稱為第三宇宙速度或逃逸速度。

本節(jié)課的導(dǎo)入視頻片段讓學(xué)生直觀感受航天器的發(fā)射及繞地運(yùn)動(dòng)，正確判斷中心天體、環(huán)繞天體，結(jié)合合適的引導(dǎo)，加強(qiáng)學(xué)生的物理觀念：掌握天體間滿足的萬有引力定律，進(jìn)而會(huì)計(jì)算第一宇宙速度，并知道第二宇宙速度和第三宇宙速度[ 8 ]。

2.2? 利用視頻提出問題，促進(jìn)科學(xué)思維

教師可以進(jìn)一步挖掘飛船發(fā)射視頻中的教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生去思考更高階的問題，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維，能夠?qū)︼w船的圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更深層次的分析推理，并獲得結(jié)論，從而更好地將向心力應(yīng)用于解決實(shí)際問題。

在神州十三號(hào)與空間站成功對接后，宇航員進(jìn)駐空間站。教師繼續(xù)播放視頻，讓學(xué)生觀察宇航員在空間站中工作與生活的狀態(tài)：他們不能和地球面上一樣腳踩艙底自由移動(dòng)，需要通過推拉艙壁來幫助移動(dòng);同時(shí)又可以完成地面上做不到的動(dòng)作，如圖3所示，在微重力作用下，翟志剛雙腳離地懸浮著，王亞平的馬尾辮“沖天”，書本也飄起來了。基于如此吸睛的場景，教師可以進(jìn)一步提問：《星際穿越》等科幻電影中，宇航員在空間站中的活動(dòng)與地面上一樣自如，理論上可以實(shí)現(xiàn)嗎？有什么辦法可以做到？

學(xué)生討論后回答：可以。在繞地球運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，空間站再圍繞著自身一中心點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，宇航員就可以踩到艙底，進(jìn)而能夠正常行走。

教師引導(dǎo)學(xué)生一起作出更具體的解釋：如果要讓宇航員在空間站中和地面上一樣行動(dòng)自如，首先得讓宇航員與空間站內(nèi)的艙底接觸，然后艙底還須對其施加大小等于重力的支持力。當(dāng)空間站再繞著自身某一中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)的宇航員可以接觸艙底，相互作用力提供為宇航員隨空間站轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力。旋轉(zhuǎn)速度越大，宇航員所需要的向心力就越大，當(dāng)向心加速度等于重力加速度時(shí)，宇航員可以感受到“人工重力”的作用。

在物理教學(xué)的過程中讓學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行思考是極其重要的。利用自己所學(xué)的知識(shí)嘗試著去解決生產(chǎn)、生活中有一定高度的實(shí)際問題，容易讓學(xué)生獲得成就感，更激發(fā)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣。

2.3? 嘗試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行科學(xué)探究

在理論分析之后，可以帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)簡單實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬探究，讓學(xué)生了解科學(xué)研究的一般過程。下面就空間站旋轉(zhuǎn)時(shí)宇航員可以接觸到艙底做簡易的實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，透明的塑料瓶用細(xì)繩懸掛，瓶子裝滿水;宇航員模型在水中處于懸浮狀態(tài)（不與瓶底接觸），此塑料瓶可模擬空間站。邀請兩位同學(xué)配合著完成以下實(shí)驗(yàn)操作：其中一位同學(xué)讓裝置做圓周運(yùn)動(dòng)，另一同學(xué)利用手機(jī)慢拍攝功能拍攝轉(zhuǎn)動(dòng)過程，結(jié)束后播放視頻，便可讓所有同學(xué)清晰觀察到塑料瓶運(yùn)動(dòng)過程中宇航員模型與瓶底接觸的狀態(tài)，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生分析運(yùn)動(dòng)過程：塑料瓶做圓周運(yùn)動(dòng)的初始，宇航員模型受力平衡，沒有向心力來源。當(dāng)使得塑料瓶做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)模型做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力大于供給的向心力，模型做離心運(yùn)動(dòng)，飛出去后接觸到瓶底，瓶子底部對其施加指向圓心的支持力，提供圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，這個(gè)過程就好比空間站旋轉(zhuǎn)時(shí)宇航員會(huì)與艙底接觸，從而感受到“重力”。

接著請學(xué)生計(jì)算：為了使宇航員在空間站中獲得與地面一樣大的重力，空間站的旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)臂應(yīng)滿足什么關(guān)系？假設(shè)宇航員的質(zhì)量為m，空間站旋轉(zhuǎn)半徑為r、旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，地球表面的重力加速度為g。

學(xué)生解答：空間站旋轉(zhuǎn)時(shí)，艙底對宇航員的支持力大小F等于他在地面上的重力，即F=mg，此支持力提供宇航員圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，根據(jù)向心力公式可得：

mg=mrω2

解得 ω=

通過小實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對理論知識(shí)的直觀感受，并掌握一定的實(shí)驗(yàn)技巧，例如如何創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件、遇到問題如何解決等，還可以讓他們了解前沿科學(xué)技術(shù)背后的原理也是來自于所學(xué)的物理基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)好物理能解決的遠(yuǎn)不止試卷上的問題，物理與生活、社會(huì)的發(fā)展息息相關(guān)。

2.4? 利用視頻片段培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

中華民族是一個(gè)具有飛天夢想的民族，從浪漫的嫦娥奔月到敦煌莫高窟飛天壁畫，無不透露著我們祖先對那片遙遠(yuǎn)星辰大海的渴望。明朝時(shí)期，萬戶在凳子上綁火箭一飛沖天的慘烈實(shí)踐，成為了古代中國航天事業(yè)的第一人，在此之后我們也不曾放棄過對星空的向往。1956年航空工業(yè)委員會(huì)的成立標(biāo)志著我國航天事業(yè)創(chuàng)業(yè)的開始;在堅(jiān)持獨(dú)立自主、自主創(chuàng)新的原則下，1970年，“東方紅一號(hào)”的成功發(fā)射標(biāo)志著我國成為繼蘇聯(lián)、美國、法國、日本之后世界上第五個(gè)能夠獨(dú)立研制和發(fā)射人造衛(wèi)星的國家，表明我國具備進(jìn)入太空的能力;2003年，楊利偉乘坐“神舟五號(hào)”飛船遨游太空，使我國成為世界上第三個(gè)能獨(dú)立自主地將宇航員送入太空的國家，這是我國人民自強(qiáng)不息、自主創(chuàng)新的又一輝煌篇章;2007年，“嫦娥一號(hào)”月球探測衛(wèi)星升空，成為了世界上第五個(gè)能夠獨(dú)立發(fā)射探月航天器的國家，意味著我國在外太空開發(fā)和探測上占有一席之地并具有發(fā)言權(quán)[ 9 ]。2021年6月、10月，“神州十二號(hào)”“神州十三號(hào)”分別載著聶海勝、劉伯明、湯洪波與翟志剛、王亞平、葉光富前往我國空間站“天和”核心艙，標(biāo)志著我國即將成為除國際空間站之外獨(dú)立擁有空間站的國家。一次次的突破，一步步的發(fā)展，背后都是無數(shù)工作人員的辛勤付出，但我們并不會(huì)止步于此，浩瀚的宇宙需要我們不斷探索，作為祖國的未來我們身負(fù)重任，要為中華名族偉大復(fù)興而奮斗才不辜負(fù)這來之不易的美好年華。

在進(jìn)行完相關(guān)教學(xué)后，可以針對著知識(shí)內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)展。本視頻片段主要關(guān)于宇宙飛船，通過向?qū)W生科普有關(guān)我國航天的發(fā)展歷史，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，燃起學(xué)生的愛國之情。

3? 結(jié)語

生活實(shí)踐問題來自于身邊真實(shí)的情境，將其引入課堂已成為重要的教學(xué)方法。對學(xué)科而言，能夠使得物理與生活、社會(huì)、科技更好地聯(lián)系，展現(xiàn)出物理學(xué)科的魅力;對學(xué)生而言，可以讓其學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去處理一些生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題，增加學(xué)生的成就感，并且可以接觸一些社會(huì)事件，了解國家前沿科技發(fā)展或社會(huì)熱點(diǎn)問題，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面;對教育而言，這種方法的有效性促進(jìn)了新資源的開發(fā)和新方式的探索，使得教育隨著社會(huì)和科技的發(fā)展而發(fā)展。

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