“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

□張惠作

（越州中學(xué)，浙江紹興 312075）

“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

□張惠作

（越州中學(xué)，浙江紹興 312075）

運(yùn)用邏輯化處理策略，對(duì)“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).結(jié)合此案例，闡述高中物理教學(xué)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的三個(gè)策略：一、基于準(zhǔn)確把握知識(shí)內(nèi)在邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；二、基于落實(shí)學(xué)科課程目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；三、基于把握學(xué)情進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).準(zhǔn)確把握知識(shí)內(nèi)在邏輯是教學(xué)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，依據(jù)課程目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯，準(zhǔn)確確定具體教學(xué)目標(biāo)，是教學(xué)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的主線，適應(yīng)學(xué)情是教學(xué)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的根本.

相對(duì)運(yùn)動(dòng)；教學(xué)邏輯；優(yōu)化設(shè)計(jì)

筆者運(yùn)用邏輯化處理策略對(duì)人教版高中物理教材《物理》必修2（第三版）中第五章第一節(jié)“曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行處理的過程中，發(fā)現(xiàn)教材編寫邏輯以及實(shí)際教學(xué)邏輯存在問題，認(rèn)為教材和實(shí)際教學(xué)中把曲線運(yùn)動(dòng)的合成分解和“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”混為一談不妥，建議將第五章第一節(jié)“曲線運(yùn)動(dòng)”中“運(yùn)動(dòng)描述的實(shí)例”刪除或后置.[1]31“運(yùn)動(dòng)描述的實(shí)例”實(shí)際上是對(duì)“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的研究.“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”是學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)觀不可或缺的內(nèi)容.筆者建議將其刪除，只是基于對(duì)該內(nèi)容相對(duì)高中學(xué)生的難度的一種考量.如果從物理核心素養(yǎng)視角、知識(shí)內(nèi)在邏輯和學(xué)生認(rèn)知規(guī)律角度考量，建議將該內(nèi)容后置，置于平拋運(yùn)動(dòng)之后，或者置于章末.本文探討后置之后，關(guān)于“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì).

一、“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）創(chuàng)設(shè)情境 展開探究

同桌兩人為一小組，每組發(fā)一張?zhí)骄繉W(xué)案.學(xué)生經(jīng)歷分組合作探究過程，教師巡視.探究學(xué)案內(nèi)容如下.

情景：如圖1所示，雨點(diǎn)以v1=4m/s的速度豎直下落，小明正以v2=3m/s的速度向東跑.

問題：（1）根據(jù)自己的生活體驗(yàn)，能否判斷小明感覺到雨點(diǎn)沿什么方向落向自己？（2）你能否畫出小明感覺到雨點(diǎn)落向自己的速度的示意圖？能否用事例證明你的觀點(diǎn)？

圖1

探究：（1）請把三個(gè)速度的示意圖平移畫到一起，使它們尾端重疊.（2）猜想，這三個(gè)速度之間遵守什么規(guī)則？（3）假定規(guī)則，求出雨點(diǎn)相對(duì)小明的速度.

（二）評(píng)價(jià)交流 統(tǒng)一認(rèn)識(shí)

（1）教師通過巡視，觀察學(xué)生探究情況，探究結(jié)束，進(jìn)行評(píng)價(jià)，表揚(yáng)獲得較好探究成果的小組.

（2）展示最優(yōu)成果，統(tǒng)一認(rèn)識(shí).某一組探究成果如下：畫出雨點(diǎn)相對(duì)小明的速度示意圖v3如圖2；舉證，打傘傘柄斜向上；畫出三個(gè)速度平移到一起使它們尾端重疊的示意圖如圖3；猜想，三個(gè)速度之間遵守平行四邊形定則，v1是平行四邊形的對(duì)角線，v2、v3為平行四邊形的鄰邊；假定，遵守平行四邊形定則，根據(jù)定則做出這三個(gè)速度的圖示如圖4；求得雨點(diǎn)相對(duì)小明速度大小為5m/s.

圖2

圖3

圖4

（三）建立概念 總結(jié)規(guī)律

1.建立概念

（1）“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”問題涉及兩個(gè)參考系，一個(gè)靜止參考系（一般選地面或相對(duì)地面靜止物體），另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)參考系，本例的兩個(gè)參考系是地面和運(yùn)動(dòng)的小明.

（2）“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”問題針對(duì)三個(gè)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)對(duì)象相對(duì)靜止參考系的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)（絕對(duì)位移、絕對(duì)速度、絕對(duì)加速度），運(yùn)動(dòng)參考系相對(duì)靜止參考系的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）稱作牽連運(yùn)動(dòng)（牽連位移、牽連速度、牽連加速度），運(yùn)動(dòng)對(duì)象相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考系的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）稱為相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)位移、相對(duì)速度、相對(duì)加速度）.本例中，研究對(duì)象雨點(diǎn)，相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)小明的運(yùn)動(dòng)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，小明是運(yùn)動(dòng)參考系，小明相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)為牽連運(yùn)動(dòng).

2.總結(jié)規(guī)律

（1）絕對(duì)速度（絕對(duì)位移、絕對(duì)加速度）、相對(duì)速度（相對(duì)位移、相對(duì)加速度）和牽連速度（牽連位移、牽連加速度）之間遵守平行四邊形定則（或三角形定則）.

（2）用平行四邊形定則表述為：三個(gè)矢量四邊形，相對(duì)、牽連和絕對(duì)，相對(duì)、牽連兩鄰邊，夾一絕對(duì)對(duì)角線.（圖示略）

（3）用三角形定則表述為：三個(gè)矢量三角形，相對(duì)、牽連和絕對(duì)，相對(duì)、牽連頭咬尾，絕對(duì)連尾又碰頭.（圖示略）

（4）伽利略最早揭示了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，稱做伽利略變換.伽利略變換只適用于宏觀物體低速運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，用洛侖茲變換.

（四）運(yùn)用變式 拓展深化

船渡河運(yùn)動(dòng)問題分析.以問題化為手段，引導(dǎo)學(xué)生按以下邏輯展開研究.

（1）情境呈現(xiàn)：船渡過流水河.（展示圖示和教師語言描述，或展示圖示和觀看船渡河視頻）

（2）提出問題：關(guān)于船渡河，我們一般關(guān)注哪些問題？渡河時(shí)間；渡河位移；渡河航線（軌跡）等.

（3）該情境主要物質(zhì)有哪些？船，流水，河岸；該問題的研究對(duì)象是什么？船.

（4）兩個(gè)參考系是什么？靜止參考系是兩岸，運(yùn)動(dòng)參考系是流水.

（5）三個(gè)運(yùn)動(dòng)是什么？絕對(duì)運(yùn)動(dòng)：船相對(duì)兩岸的運(yùn)動(dòng)；相對(duì)運(yùn)動(dòng)：船相對(duì)水的運(yùn)動(dòng)；牽連運(yùn)動(dòng)：水的運(yùn)動(dòng).

（6）建立模型.最簡單的河道是什么樣子？（河道建模）兩岸為平行直線，河寬度不變；最簡單的運(yùn)動(dòng)是什么？（運(yùn)動(dòng)建模，水流建模）最簡單的模型是相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)都是勻速運(yùn)動(dòng)，牽連運(yùn)動(dòng)為勻速，指河中任意位置的水流速度相同；假定相對(duì)運(yùn)動(dòng)仍然為勻速運(yùn)動(dòng)，但水流模型假設(shè)為：沿同一平行河岸線各點(diǎn)速度相同，但在垂直河岸方向，中央速度最大，靠近兩岸逐漸變小，那么，牽連運(yùn)動(dòng)是什么運(yùn)動(dòng)？先加速后減速.本節(jié)主要針對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)都是勻速運(yùn)動(dòng)模型探討渡河時(shí)間、渡河位移和渡河航線（軌跡）等問題，有興趣的同學(xué)們課后可以進(jìn)一步探究更為復(fù)雜模型的渡河問題.

（7）運(yùn)用概念、規(guī)律解決問題.船相對(duì)兩岸的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)（絕對(duì)位移s絕、絕對(duì)速度v絕、絕對(duì)加速度a絕），水的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）稱作牽連運(yùn)動(dòng)（牽連位移s牽、牽連速度v牽、牽連加速度a牽），船相對(duì)水的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）稱為相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)位移s相、相對(duì)速度v相、相對(duì)加速度a相）.其中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)位移s相、相對(duì)速度v相、相對(duì)加速度a相）是由駕船人控制的，比如相對(duì)速度v相的方向和大小.這里，我們做一些約定，在高中物理習(xí)題中，相對(duì)速度v相的方向就是沿船頭方向；另外，有的習(xí)題中，會(huì)出現(xiàn)“船在靜水中的速度”一說，相對(duì)速度v相等于“船在靜水中的速度”.

如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)都是勻速運(yùn)動(dòng)，則有a相=0，a牽=0，根據(jù)平行四邊形定則，得a絕=0，故可推斷絕對(duì)運(yùn)動(dòng)也是勻速運(yùn)動(dòng)，其航線為直線.下面我們討論兩種特殊情形，如圖5，相對(duì)速度v相垂直河岸，如圖6，絕對(duì)速度v絕垂直河岸.航線如圖5、圖6中沿絕對(duì)速度v絕的虛線所示.因?yàn)槿齻€(gè)運(yùn)動(dòng)均為勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以渡河時(shí)間設(shè)河寬為d，則圖6中當(dāng)α=90°時(shí)，即圖5情形，s=d.

相min在保持相對(duì)速度v相大小不變前提下，由可知，無論v相＞v牽還是v相≤v牽，圖5情形為渡河時(shí)間最短，但絕對(duì)位移不是最短.圖6情形，絕對(duì)位移最短，所以最短渡河位移為d，但從圖6可知此情形必須滿足v相＞v牽，若v相≤v牽，最短位移問題請有興趣的同學(xué)課后進(jìn)一步討論.

圖5

圖6

二、教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

如何對(duì)教學(xué)邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)？筆者運(yùn)用邏輯化處理策略，[2-4]針對(duì)“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例，主要談以下三個(gè)策略.

（一）基于準(zhǔn)確把握知識(shí)內(nèi)在邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

教材把“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)內(nèi)容和曲線運(yùn)動(dòng)的研究編排在同一節(jié)，并且缺乏對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題表述概念的建立，致使大多數(shù)高中物理教師把“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”和運(yùn)動(dòng)的分解、合成混為一談，偷換概念，對(duì)“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行錯(cuò)誤表述，不僅誤導(dǎo)學(xué)生對(duì)“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的理解，增加學(xué)習(xí)和運(yùn)用的難度，而且還對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的前攝抑制作用.[1]31可見，知識(shí)的內(nèi)在邏輯不清或者混亂，教學(xué)邏輯的設(shè)計(jì)必然先天不足，縱然千方百計(jì)終歸事倍功半.所以，教學(xué)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須正本清源，以準(zhǔn)確把握知識(shí)內(nèi)在邏輯為基礎(chǔ).正是基于厘清了曲線運(yùn)動(dòng)的分解合成與“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的本質(zhì)區(qū)別，筆者才優(yōu)化設(shè)計(jì)了把“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”分離后置，并且增設(shè)了建構(gòu)描述“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的相關(guān)概念的教學(xué)邏輯架構(gòu).

（二）基于落實(shí)學(xué)科課程目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著課程改革的不斷深化，高中物理學(xué)科的課程目標(biāo)從“三維目標(biāo)”升級(jí)為“物理核心素養(yǎng)”目標(biāo).依據(jù)課程目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯，準(zhǔn)確確定具體教學(xué)目標(biāo)，是教學(xué)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的主線.主線是綱，綱舉目張.

高中物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面.物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素.科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素.

在確定具體教學(xué)目標(biāo)時(shí)，切忌把課程目標(biāo)全面套用，而要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的目標(biāo).要著重落實(shí)由于應(yīng)試?yán)砟钤斐傻暮鲆暷Ｐ徒?gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這些目標(biāo).

“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”是日常生活生產(chǎn)中常見的運(yùn)動(dòng)，對(duì)學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)觀念不可或缺.既然是生產(chǎn)生活中常見的運(yùn)動(dòng)，就應(yīng)當(dāng)信手拈來，選擇生產(chǎn)生活中常見的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情境為例，大可不必閉門造車，做個(gè)“蠟塊運(yùn)動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn).落雨情境，每個(gè)學(xué)生都多次身臨其境，無需做演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)其感性認(rèn)識(shí)也勝于初次課堂上所見的“蠟塊運(yùn)動(dòng)”.“蠟塊運(yùn)動(dòng)”不是生產(chǎn)生活常見的，以此為例，使物理脫離生產(chǎn)生活，設(shè)計(jì)從落雨探究物理規(guī)律，再用物理規(guī)律去研究渡河等實(shí)際問題，從生產(chǎn)生活走向物理，再把物理應(yīng)用到生產(chǎn)生活中去，凸顯物理的科學(xué)價(jià)值.

針對(duì)應(yīng)試教育忽視的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了對(duì)落雨運(yùn)動(dòng)的探究，落實(shí)科學(xué)探究，設(shè)計(jì)對(duì)船渡河問題的解決，落實(shí)模型建構(gòu).應(yīng)試教育忽視模型建構(gòu)，使物理成為純理無物.只有重視模型建構(gòu)，學(xué)生才能夠見物思理，對(duì)物說理，以理究物.所以，模型建構(gòu)應(yīng)當(dāng)貫穿物理教學(xué)始終，把模型建構(gòu)作為必要的教學(xué)邏輯層次之一.精心創(chuàng)設(shè)物理情境，按照科學(xué)探究的主要要素設(shè)計(jì)教學(xué)邏輯，把科學(xué)探究素養(yǎng)目標(biāo)巧妙地融合于教學(xué)邏輯設(shè)計(jì)當(dāng)中.

（三）基于把握學(xué)情進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

沒有學(xué)情分析，一切教學(xué)目標(biāo)的實(shí)施都不可能真正實(shí)現(xiàn)，只能是空中樓閣.學(xué)生是課堂的真正主體，一切教學(xué)活動(dòng)是圍繞這一主體的主動(dòng)參與學(xué)習(xí)展開的，只有當(dāng)教師充分了解自己的學(xué)生，對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)前的各種情況分析，才能有效地利用學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)完成各項(xiàng)學(xué)習(xí)活動(dòng)，從而做到有的放矢.優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)邏輯最終是為了學(xué)生主體的發(fā)展，適應(yīng)學(xué)情是優(yōu)化設(shè)計(jì)的根本.

學(xué)情分析重點(diǎn)把握兩個(gè)方面，第一方面，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，包括能力水平、知識(shí)基礎(chǔ)和前概念等，第二方面，認(rèn)知規(guī)律，包括心理特點(diǎn)、思維規(guī)律、情感意志狀態(tài)和學(xué)習(xí)習(xí)慣等.要通過理論研究和實(shí)踐調(diào)查，分析教學(xué)邏輯的設(shè)計(jì)是否符合學(xué)情.

設(shè)計(jì)以落雨運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行探究，主要基于以下學(xué)情分析.首先，考慮到這是與學(xué)生生活密切相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，比演示蠟塊運(yùn)動(dòng)更加能夠激發(fā)學(xué)生探究興趣，教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生探究的積極性都很高.其次，筆者先經(jīng)過抽查不同層次學(xué)生，調(diào)查學(xué)生對(duì)落雨運(yùn)動(dòng)的感悟能力，問：雨點(diǎn)相對(duì)地面豎直下落，跑步的人感覺雨點(diǎn)是沿什么方向打到臉上的？大多數(shù)都能正確回答，個(gè)別經(jīng)過問題反復(fù)說明，也能糾正.第三，“猜想”的設(shè)計(jì)也是適應(yīng)學(xué)生基礎(chǔ)的，學(xué)生在“探究求合力的方法”中已有類似的體驗(yàn).

在船渡河運(yùn)動(dòng)問題解決教學(xué)過程，設(shè)計(jì)了建構(gòu)模型的教學(xué)邏輯層次.其實(shí)，高中學(xué)生完全有能力建構(gòu)這些簡單的模型，但由于長期的應(yīng)試教育影響，學(xué)生都缺乏建構(gòu)模型的意識(shí)和習(xí)慣.筆者運(yùn)用問題化手段，點(diǎn)醒學(xué)生建構(gòu)模型的意識(shí)和習(xí)慣.教學(xué)中，如果始終重視模型建構(gòu)的意識(shí)和習(xí)慣的培養(yǎng)，必能點(diǎn)化學(xué)生建構(gòu)模型的能力 .

［1］張惠作．“曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)邏輯的設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（12）．

［2］張惠作.高中物理教學(xué)內(nèi)容的邏輯化處理模式和措施［J］.教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2015（1）：37-41.

［3］張惠作.高中物理教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知化處理策略［J］.教學(xué)與管理，2015（9）：66-68．

［4］張惠作.高中物理教學(xué)內(nèi)容的細(xì)膩化處理［J］.教學(xué)與管理，2016（11）：70-72．

*本文系浙江省教研課題“高中物理教學(xué)邏輯化處理方法和原則的探究”〔編號(hào)06453〕和紹興市教科規(guī)劃課題“高中物理教學(xué)內(nèi)容的邏輯化處理案例研究”〔編號(hào)SJG17292〕的研究成果.