基于“大情境”主線的物理復習教學探討

陸永華

（南京航空航天大學蘇州附屬中學，江蘇 蘇州 215000）

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“課標2017年版”）指出“創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用”.［1］在物理復習中基于“大情境”主線開展教學實踐，有利于解決情境“碎片化”問題，系統優化學生的物理認知結構，培養學生的問題解決能力.

1 物理核心素養視域下的“大情境”

物理核心素養視域下的“大情境”是指為了發展學生的物理學科核心素養，把課程標準及教材所呈現的理論知識與真實的問題情境相關聯，以問題或任務為中心構成的深度加工的接近真實客觀世界的活動場域.結合“課標2017年版”“大情境”主要源于貼近學生、貼近生活、貼近時代的“生活實踐問題情境”和真實的物理科學研究過程、學生實際的探索過程，涵蓋學習探索與科學探究過程中所涉及問題的“學習探索問題情境”兩大類.“課標2017年版”涉及的“問題情境的復雜程度”可分為“簡單”的情境和“復雜”的情境，對應素養不同的水平層次，分為常見的去情境或抽象的情境、新穎的簡單抽象的情境、常見的復雜但有指向性的情境、新穎的復雜結構良好情境或簡單結構不良的情境等.

2 基于“大情境”主線的物理復習教學路徑

認知過程的本質是由情境決定的，情境是一切認知活動的基礎.物理核心素養視域下的“大情境”復習教學從真實“大情境”出發，通過“大情境”主線與課堂教學環節有機融合，以“大情境”和分解的“子情境”為載體，輔以“知識問題化、問題情境化”的復習教學路徑，“通過問題解決促進物理學科核心素養的達成”.具體來說，如圖1所示，創設教學任務“大情境”，將“大情境”中呈現的“原始物理問題”進行剖析，結合學情關聯學生的具體情境認知，挖掘優化情境，構建情境中的物理模型，將教學目標的落實有機融合到對“大情境”的逐層分析之中，通過分解系列“子情境”，設置不同層次的任務“問題鏈”，多線并進，驅動學生解決系列“問題鏈”，將原本孤立的、碎片化的知識方法等進行深度加工，構建系統化的物理認知結構，發展科學思維，培育科學態度與責任，通過“大情境”和分解“子情境”的問題解決培養學生的物理核心素養.

圖1

3 基于“大情境”主線的物理復習教學案例

在物理復習教學過程中，依據“課標2017年版”相關內容要求，把復習內容嵌入到“大情境”之中，為知識的意義建構提供問題解決的載體，幫助學生“形成把情境與知識相關聯的意識和能力”.［1］

3.1 依據“課標2017年版”要求，創設任務“大情境”

“課標2017年版”中提出“觀看有關人造地球衛星、神舟飛船、航天飛機、空間站的錄像片，與同學交流觀后感”“收集我國和世界航天事業發展歷史和前景的資料，寫出調查報告”“認識科學定律對人類探索未知世界的作用.”［1］基于“大情境”主線的教學要求將復習主題內容與真實世界的情境相結合，依據“課標2017年版”中“萬有引力與航天”的內容要求，按照教學實際需求合理地增減或重構等方式，確定以中國探測月球的“嫦娥工程”為主線任務“大情境”進行復習教學.

3.2 整合“原始物理問題”，增進具體情境認知

嫦娥五號是中國首個實施無人月面取樣返回的月球探測器，圖2是嫦娥五號的運行過程示意圖.2020年11月24日，嫦娥五號成功發射升空進入預定軌道，經過兩次軌道修正，進入環月軌道飛行，然后從橢圓環月軌道變為近圓形環月軌道，最后在月球正面預選著陸區著陸.嫦娥五號主要科學目標包括對著陸區的現場調查和分析，以及攜帶月球樣品返回地球以后的分析與研究.嫦娥五號任務是中國探月工程的第6次任務，也是中國航天最復雜、難度最大的任務之一，實現了中國首次月球無人采樣返回，助力月球成因和演化歷史等科學研究.中國人的探月工程，為人類和平使用月球做出了新的貢獻.通過對圖2所示的嫦娥五號的運行過程示意圖及相關視頻等資料的整理分析，幫助學生了解嫦娥五號探月工程相關“原始物理問題”的具體情境內容，有意識滲透并篩選出所需“大情境”的物理信息.

圖2

3.3 深度加工解構，構建物理模型

“大情境”不是真實情境的原版，只是盡可能接近真實情況，限于學生知識、能力的發展水平，需要從促進學生物理核心素養發展的目的出發對真實情境進行簡化、剪輯、凝練.［2］在圖2所示的嫦娥五號探測器運行軌道過程示意圖分析基礎上，把嫦娥五號成功送到月球，簡化為大致經歷“發射→轉移軌道→環繞與變軌→著陸”4步，把圖2中的部分過程進行解構并模型化處理，構建如圖3所示的過程模型示意圖，以此作為復習“大情境”載體，以“發射→轉移軌道→環繞與變軌→著陸”4步為上課的“情境”主線，通過設置系列“問題鏈”把相關的碎片化知識結構化、系統化.

圖3

3.4 分解“子情境”，設置“問題鏈”

在任務“大情境”的基礎上，依據學習任務要求設計分解“小情境”，圍繞“嫦娥五號探月”核心問題的解決，結合“小情境”設計系列“問題鏈”呈現復習的內容，把研究的核心問題分解為具體問題.將核心問題解構為系列“問題鏈”是問題解決的關鍵能力之一.

3.4.1 子情境1：發射階段

2020年11月24日4時30分，長征五號遙五運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空.已知地面附近的重力加速度為g，地球半徑為R，萬有引力常量為G.

問題1（1）：從地球發射“奔向”月球的過程中，用h表示“嫦娥五號”與地球表面的距離，F表示它所受的地球引力，能夠描述F隨h變化關系的圖像是圖4中的

圖4

問題1（2）：假設在“嫦娥五號”艙內有一平臺，平臺上放有測試儀器，儀器對平臺的壓力可通過監控裝置傳送到地面.在發射起始過程中，艙內物體處于超重還是失重狀態？

問題1（4）：我國多次成功使用“冷發射”技術發射運載火箭，如圖5所示，發射艙內的高壓氣體先將火箭豎直向上推出，火箭速度接近0時再點火飛向太空.從火箭開始運動到點火的過程中

圖5

（A）火箭的加速度為0時，動能最大.

（B）高壓氣體釋放的能量全部轉化為火箭的動能.

（C）高壓氣體對火箭推力的沖量等于火箭動量的增加量.

（D）高壓氣體的推力和空氣阻力對火箭做功之和等于火箭動能的增加量.

3.4.2 子情境2：軌道轉移階段

2020年11月24日22時06分，嫦娥五號探測器3000 N發動機工作約2 s，順利完成第1次軌道修正.11月25日22時06分，嫦娥五號探測器兩臺150 N發動機工作6 s，順利完成第2次軌道修正.12月14日，嫦娥五號軌道器和返回器組合體順利完成第1次月地轉移軌道修正.

問題2（1）：嫦娥五號飛向P點過程中，嫦娥五號的速度和加速度如何變化？

問題2（2）：嫦娥五號要從P點進入環月段做勻速圓周運動，在P點需要采取什么措施？

3.4.3 子情境3：環繞與變軌階段

2020年11月28日20時58分，嫦娥五號探測器經過約112 h奔月飛行，在距月球表面400 km處成功實施3000 N發動機點火，約17 min后，發動機正常關機，順利進入環月軌道.11月29日20時23分，嫦娥五號探測器在近月點再次“剎車”，從橢圓環月軌道變為近圓形環月軌道.將過程簡化如下：嫦娥五號探測器從地球表面發射后，進入地月轉移軌道，軌道修正后近月制動變軌進入圓形軌道Ⅰ，在軌道Ⅰ上經過P點（遠月點）時再次變軌進入橢圓軌道Ⅱ，之后將擇機在Q點（近月點）著陸月球表面.已知嫦娥五號探測器圍繞月球在軌道Ⅰ做勻速圓周運動，月球的半徑為R，探測器的質量為m，距月球地表高度為h，運行周期為T，引力常量為G.

問題3（1）：求月球的質量和密度.

問題3（2）：月球的第一宇宙速度是多大？

問題3（3）：求探測器在軌道Ⅰ上的向心加速度，角速度、線速度（動能）.

問題4（1）：比較探測器分別經過軌道Ⅰ和Ⅱ上同一P點時的速度和加速度大小.

問題4（3）：若PQ＝2QS，則在軌道Ⅰ上由P點到S點的時間與軌道Ⅱ上P點到Q點的時間之比為多少？

3.4.4 子情境4：著陸階段

2020年12月1日22時57分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體從距離月球表面約15 km處開始實施動力下降，7500 N變推力發動機開機，逐步將探測器的相對月球速度從約1.7 km／s降為0.期間，嫦娥五號探測器進行快速姿態調整，逐漸接近月球表面.此后進行障礙自動檢測，選定著陸點后，開始避障下降和緩速垂直下降（如圖6所示）.

圖6

問題：“嫦娥五號”登月探測器在月球著陸過程如下，在反推火箭作用下，探測器在距月球表面h處懸停（速度為0，h遠小于月球半徑），通過對障礙物和坡度進行識別，選定相對平坦的區域后，開始以加速度a垂直加速下降.當4條“緩沖腳”觸地時，反推火箭立即停止工作，隨后飛船經時間t減速到0，停止在月球表面上，每條“緩沖腳”與地面的夾角為60°，已知探測器總質量為m（不包括燃料），地球和月球的半徑比為k1，質量比為k2，地球表面附近的重力加速度為g，4條緩沖腳的質量不計.求

問題5（1）：月球表面附近的重力加速度大小.

問題5（2）：探測器垂直下降過程中，火箭推力對探測器做了多少功.

問題5（3）：從“緩沖腳”觸地到探測器速度減為0的過程中，每條“緩沖腳”對探測器的沖量大小.

3.4.5 子情境拓展：從月球返回地球階段

“嫦娥五號”探測器在月球安全著陸區進行現場調查和分析，鉆表取樣等，然后在月球表面起飛，把樣品轉移到返回器，之后進入月地轉移軌道，返回地球.“嫦娥五號”探測器是如何實現上述過程的？請課后查閱資料并撰寫研究報告.

3.5 優化物理認知結構，提升問題解決能力

我國各地高考涉及“萬有引力與航天”模塊的考題多以我國處于世界領先地位的航天作為命題情境，培養學生愛國情懷和健康的科學態度與責任.“嫦娥五號”探測器“大情境”的復習是一種基于實踐的深度學習，是將“嫦娥五號”“大情境”解構為系列“子情境”的過程模型，通過設置層進式的系列“問題鏈”，如圖7所示，活化具體概念，整合重要概念，并將其提煉和升華，在情境問題解決中形成大概念.將“萬有引力與航天”模塊內容中零碎、淺層知識的內涵和外延系統化、結構化，完善優化學生的認知結構，有助于將學生的學習應用遷移至各種具體情境之中，培養物理學科核心素養.

圖7

4 基于“大情境”主線的物理復習的教學思考

4.1 物理復習教學中“大情境”呈現的教學實踐取向

以“大情境”為載體改變教學實踐取向，凸顯從知識記憶到知識理解，從知識解析到促進認識轉變和發展，從知識結論到彰顯知識的功能價值，從“知識為本”向“核心素養為本”轉變.物理復習教學中的“大情境”創設的實踐形式，根據教學主題知識模塊內容以及教學課時等維度，主要以“大專題”和“微專題”，以及“單元復習”為主.“大專題”和“單元復習”的模塊內容的融合程度相對較高，系統性較強，所用教學課時也有不同要求.“微專題”是“大專題”的補充與細化，教學課時一般為1－2課時.教學實踐表明，“微專題”利于精準實施定點打擊，利于知識的深度加工整合，有助于實現“一課一得”，是促進深度學習的有效途徑.

4.2 通過“大情境”教學促進“解題”向“解決問題”轉變

“課標2017年版”指出“習題教學的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學生的問題解決能力”.［1］問題解決能力是發展學生物理核心素養的關鍵能力.“解題”向“解決問題”轉變需經歷知識點掌握→知識的內化和理解→知識的應用→知識在真實性情境中的靈活與創造性應用的進階發展過程.以真實性情境為載體，將知識與實際問題融入有意義的真實情境之中，讓學生經歷問題解決的過程.“把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決生產生活中的問題，在問題解決中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進物理學科核心素養的形成.”［1］

“大情境”是物理學科核心素養發展的載體，基于“大情境”的物理復習是教學實踐中培養學科核心素養的重要教學形式之一，其合理性與必要性不言而喻，也更需要一線教師在教學中不斷實踐與反復改進.