高中物理復習課的情境創(chuàng)設(shè)探討
——以“牛頓運動定律”復習為例

周 玲

(上海市建平中學，上海 200135)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出了發(fā)展學生核心素養(yǎng)的要求，在教學設(shè)計和教學實施過程中應重視情境的創(chuàng)設(shè)，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的提升。教師應該以物理學科核心素養(yǎng)為導向，在教學設(shè)計和實施過程中引領(lǐng)學生運用科學方法分析、解決問題，提升思維品質(zhì)，領(lǐng)悟科學本質(zhì)，形成物理觀念，發(fā)展核心素養(yǎng)。

筆者在“牛頓運動定律”復習中以山東艦載機起降為背景，以縮短艦載機起降跑道長度的問題串聯(lián)整個單元，引導學生從生活到物理，再從物理走向社會，體會科學技術(shù)的發(fā)展給軍事帶來的影響，激發(fā)學生的愛國情懷。

2 教學的主要流程

“牛頓運動定律”復習的主要教學流程如圖1所示。

圖1

2.1 情境引入，導入主題

情境1：利用視頻展示艦載機在“山東號”航母上起降訓練的場景。

2020年12月17日，“山東號”完成了最大架次的艦載機起降任務。艦載機起降事故在航母甲板事故中占絕大比重，因此航母甲板也被稱為世界上最危險的機場。航母上的跑道寬為29米，長不到200米，艦載機的降落是最困難、也是事故率最高的環(huán)節(jié)，被譽為“刀尖上的舞蹈”。

問題1：我國是世界上第3個擁有雙航母編隊的國家，航母對于強國強軍的意義重大。讓我們一起從物理學視角來探討，可以通過哪些方法讓艦載機在這么短的跑道上實現(xiàn)安全降落？

設(shè)計意圖：(1) 將物理融入學生熟悉的生產(chǎn)、生活、軍事情境之中，易于激發(fā)學生的學習興趣，學生在教師的引導下從實際情境出發(fā)，經(jīng)歷簡化、抽象，建構(gòu)模型，在問題解決過程中提升科學探究和科學思維能力。(2) 將艦載機在我國自主建造的航母上起降的情境貫穿于整個牛頓運動定律的復習過程。(3) 問題引導語中“我國是世界上第3個擁有雙航母編隊的國家”，寥寥數(shù)語自然地激發(fā)了學生的民族自豪感，育德于無形?；谝曨l介紹“刀尖上的舞蹈”，提出“安全降落”的問題，引導學生關(guān)注艦載機飛行員的生命安全，在從物理學角度解決問題的過程中，讓學生有為祖國的強盛貢獻自己的力量的“代入感”，激發(fā)他們的學習內(nèi)驅(qū)力。

2.2 引導建模，復習舊知

導入：安全降落涉及的問題十分復雜，艦載機的整個降落過程要受到天氣、氣流等影響，運動情況也相當復雜，雖然以我們高中所學的物理知識還不可能完全解決，但可通過突出主要因素，忽略次要因素，建構(gòu)物理模型來解決問題。

問題2：若航母靜止在海面上，艦載機著艦時速度v=70 m/s，著艦后的運動可看成勻減速直線運動。設(shè)艦載機著艦后受到的阻力大小恒為f=5.0×104N，它的質(zhì)量m=2.0×104kg。求艦載機滑行的距離為多少？

設(shè)計意圖：從情境過渡到具體的問題，體驗物理建模的過程，提升學生建模的科學思維能力。問題解決會涉及受力分析、選擇恰當?shù)倪\動學規(guī)律，應用牛頓第二定律，達成復習牛頓運動定律主干知識的目標。通過計算發(fā)現(xiàn)艦載機滑行的距離遠遠超過航母的總長度，呈現(xiàn)這一矛盾，一方面讓學生體會到理論與實際之間的距離，另一方面進一步引發(fā)學生的思考，過渡到問題3。

問題3：航母跑道并沒有理論計算的這么長，采用什么方法可以縮短艦載機降落時運動的距離？

有學生指出：航母上有阻攔索。

追問：航母上設(shè)計了4道阻攔索，那么加裝阻攔索是通過改變什么而減小了艦載機降落時運動的距離？

師生交流：阻攔索的作用力增大了艦載機減速的加速度大小，從而快速改變物體的運動狀態(tài)，讓它在很短距離內(nèi)減速到零。通過創(chuàng)設(shè)情境復習牛頓運動定律，學生在用科學、規(guī)范的學術(shù)語言表達問題的過程中，深化了對“力和運動”關(guān)系的認知，逐步形成運動與相互作用觀念。此外，通過教師的引導，讓學生從動力學視角思考問題并表達出來，使其內(nèi)隱的思維過程通過表達外顯化，全體學生在相互傾聽、相互補充的過程中提升思維能力，并體會到合作學習、交流的意義，形成團隊合作的意識。

2.3 嘗試運用，鞏固基礎(chǔ)

問題4：如果艦載機尾鉤掛上阻攔索到停止只用了2 s，求艦載機的著艦距離以及艦載機受到的阻攔索平均拉力的大小。

該情境主要是引導學生復習用牛頓運動定律中第一類典型問題(已知力求運動)的方法；再運用逆向思維方法設(shè)置發(fā)展性問題，著手嘗試解決第二類典型問題(已知運動求力)。在自主解決問題的過程中經(jīng)歷問題解決的過程：分析問題——建構(gòu)模型——運用規(guī)律解決問題，進一步發(fā)展運動與相互作用觀。

2.4 情境深化，鋪墊進階

相比較降落過程，艦載機的起飛在技術(shù)方面要求就更高、更難，如何縮短艦載機起飛所需的距離呢？下面我們一起了解“山東號”航母和殲-15艦載機的部分參數(shù)(表1、表2)

表1 “山東號”航空母艦參數(shù)

表2 殲-15艦載機參數(shù)

2.5 問題驅(qū)動，認知進階

問題5：在有關(guān)航母和艦載機的參數(shù)中，哪些與艦載機起飛有關(guān)？

交流和討論：艦載機的起飛與跑道長度、最大推力、起飛速度、艦載機質(zhì)量有關(guān)。在學習過程中，學生要將動力學相關(guān)規(guī)律羅列出來，并根據(jù)給出的參數(shù)進行分析、篩選，提升了提取有效信息和處理信息的能力。通過對艦載機降落過程的分析，學生已經(jīng)回顧了解決問題的方法，容易想到把艦載機起飛過程視為勻加速直線運動，然后選出和勻加速直線運動相關(guān)的參數(shù)即可解決。用類似情境與恰當?shù)膯栴}來引導學生積極主動地加工信息，運用科學方法，在學以致用的過程中活化了知識，提高了思維能力。在相互交流、傾聽、討論中發(fā)展認知，從而增強團隊合作的意愿。

問題6：假設(shè)艦載機在最大推力的作用下由靜止起飛，請描述艦載機起飛過程的運動性質(zhì)。

設(shè)計意圖：(1) 要描述運動的性質(zhì)，須從初速度、加速度和運動軌跡三方面進行闡述，情境1涉及勻變速直線運動，而情境2中艦載機做初速度為零的變加速直線運動，可使學生體會牛頓第二定律的瞬時性，促進他們對牛頓第二定律的認知發(fā)展進階。(2) 通過提供新信息，使學生利用已掌握的知識和技能，經(jīng)過閱讀和思考創(chuàng)造性地解決問題，不僅能夠促使學生實現(xiàn)認知水平進階，從而提升學生的思維能力與品質(zhì)，而且通過解決新問題獲得了成就感。

問題7：艦載機的陸地起飛距離是多大？

運用運動學公式可以計算出艦載機的起飛距離為243 m，還是遠遠大于航母起飛跑道的長度。

問題8：如何縮短起飛距離，確保飛行員的起飛安全？

這一問題的解決重在基于真實問題的討論，不是讓學生生搬硬套物理規(guī)律，而是能關(guān)注到規(guī)律使用的前提條件，體會到實際艦載機起飛受到多種因素的影響，能基于證據(jù)進行問題分析，同時提升思維的發(fā)散性，提升科學探究能力。關(guān)于艦載機順風起飛，還是逆風起飛的問題，部分學生認為是順風起飛，風推著艦載機可以使艦載機更容易達到起飛速度。形成這一認識的原因是由于沒有理解起飛速度的概念，更主要的是學生在學習物理之前，通過生活經(jīng)驗，在頭腦中形成了前概念，而這種前概念可能是膚淺的甚至是錯誤的。通過這個問題的設(shè)置，幫助學生通過獨立思考、交流、討論，糾正錯誤的前概念，建立科學認知。在學習中遇到與已有認識相沖突的情形時，易產(chǎn)生學習動機，迫切希望知道自己的前概念的錯誤之處，從而激發(fā)學生的求知渴望，此時教師只要適當給予提示，便可以活躍學生的思維，幫助學生轉(zhuǎn)變概念。

2.6 回扣主題，回歸育人

問題9：我們稱艦載機的降落過程是“刀尖上的舞蹈”，這個過程不僅對技術(shù)的要求很高，對于飛行員來說也具有很大的危險性。艦載機降落時飛行員會出現(xiàn)“紅視”、身上出現(xiàn)烏青塊的原因是什么？

設(shè)計意圖：艦載機白天復飛的概率約為5%，夜間達到12%—15%。這也是事故率最高的環(huán)節(jié)，需要飛行員具有優(yōu)秀的心理品質(zhì)和高超的技能。通過上述問題滲透學科德育，讓學生崇尚英雄，學習英雄們不畏犧牲的精神，體會我們之所以歲月靜好，是有這么多的英雄為我們負重前行。

3 教學反思

(1) 在教學中基于一個情境：航空母艦上艦載機的起降，圍繞一個核心問題：如何縮短艦載機的起降距離？創(chuàng)設(shè)真實的情境，引導學生探究艦載機的安全起降問題，極大地激發(fā)了學生的興趣，通過教師引導和學生的思考、討論，讓學生經(jīng)歷建模、信息加工等過程，形成運動與相互作用觀念，提升學生的科學探究、科學思維能力，滲透思政教育，達成了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。

(2) 復習教學應從知識本位向核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，從解題方式的教學到學科原理的理解和應用的轉(zhuǎn)變，從題海戰(zhàn)術(shù)到實際問題解決的轉(zhuǎn)變，從學生基本知識和能力的評價到核心素養(yǎng)的評價的轉(zhuǎn)變，為實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變，創(chuàng)設(shè)情境是一種有效策略。

(3) 針對艦載機是順風起飛還是逆風起飛這個問題，課上是通過討論得出結(jié)論。要是時間允許的話，這里可以設(shè)計實驗，讓學生動手探究，將物理過程生動地展現(xiàn)在學生眼前，更有利于對知識的理解和掌握。