以“復(fù)興號”為物理情景設(shè)計習(xí)題課，提升學(xué)生核心素養(yǎng)的嘗試

田序海

摘 要：習(xí)題課是物理課堂教學(xué)的主要課型之一?；凇拔锢硎怯脕斫鉀Q問題的，而不只是用來做練習(xí)題的”的理念，以“復(fù)興號”為物理情景設(shè)計的習(xí)題課意在關(guān)注物理和現(xiàn)實生活的緊密聯(lián)系，形成從生活情境到物理情境、從現(xiàn)實物體到物理模型、從實際過程到理想過程，然后再進(jìn)行問題解決的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：物理情景；習(xí)題教學(xué)；核心素養(yǎng)；定律應(yīng)用

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）3-0001-3

【理念思路】 《牛頓第二定律的應(yīng)用》這節(jié)課是學(xué)生學(xué)習(xí)了勻變速直線運動規(guī)律和牛頓運動定律后的綜合應(yīng)用課，是習(xí)題課課型。牛頓運動定律揭示了力和運動的關(guān)系，奠定了物理學(xué)和工程學(xué)的理論基礎(chǔ)。從教學(xué)理念意義看，教學(xué)設(shè)計要參考現(xiàn)實生活中真實的物理情境和問題，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)理想模型的意識和能力。對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，抓主要矛盾和核心問題構(gòu)建物理模型，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。從實踐和應(yīng)用意義來看，這節(jié)課作為一節(jié)習(xí)題課，能充分調(diào)動學(xué)生運用理論解決實際問題的積極性，展示物理知識解決實際問題的鮮明特點?；谝陨蟽牲c，教學(xué)過程要運用真實物理情境所提供的證據(jù)或數(shù)據(jù)對研究問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測，達(dá)到提升學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力的目的；在教學(xué)目標(biāo)設(shè)計上，重視培養(yǎng)學(xué)生基于模型和證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理以及運用物理規(guī)律解決生活中真實物理情境和問題的能力。同時，要培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)從不同角度思考問題，質(zhì)疑創(chuàng)新，全面細(xì)致地解決真實的生活情境和問題的能力，那么在教學(xué)流程設(shè)計上，教師就應(yīng)擁有通過生活情境到物理情境，先建立物理模型，選擇典型物理過程，再進(jìn)行問題解決的思維流程。

【社會背景】 2017年我國有很多科技項目取得了重大的突破：天舟合體、航母下水、大飛機首飛、高鐵疾馳、殲20服役、量子技術(shù)、天文衛(wèi)星“慧眼”升空等。這一年，中國人真正感受到了中國創(chuàng)造的力量。所以，這節(jié)習(xí)題課的生活情境可選的素材有很多。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，感受我們國家的飛速發(fā)展，增強學(xué)生的民族自豪感和歸屬感，本文選擇了高鐵這個極具代表性又符合運動規(guī)律的例子?！皬?fù)興號”和西成高鐵，從物理情景來說，一個是水平面運動，一個是斜面運動，代表了動力學(xué)問題的兩個最常見的物理情景。從學(xué)科德育教育層面來看，一個是最快的，體現(xiàn)了中國人民的聰明才智和先進(jìn)技術(shù)；一個是最險的，體現(xiàn)了中國人民勤勞勇敢和不畏艱險的精神。同時，兩列列車都是前不久剛開通的，具有德育教育的時效性。以《牛頓第二定律的應(yīng)用》為例，以“復(fù)興號”為物理情景設(shè)計的習(xí)題課，嘗試提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

【生活情境】 圖1為“復(fù)興號”動車組，“復(fù)興號”是中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的中文命名?！皹?biāo)準(zhǔn)”，意味著今后所有高鐵列車，只要是具有與“復(fù)興號”相同速度等級的列車，都能連掛運營、互聯(lián)互通，具有不同速度等級的列車也能相互救援。以動車組的動力分配為例，“復(fù)興號”統(tǒng)一為4動4拖，不管是4、8節(jié)，還是12、16節(jié)編組，都可以自由組合。2017年6月26日11時05分，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的兩列中國標(biāo)準(zhǔn)動車組“復(fù)興號”，在京滬高鐵兩端的北京南站和上海虹橋站雙向發(fā)車成功?！皬?fù)興號”正常運營時速為350 km/h，實驗時速可達(dá)400 km/h，成為目前世界上跑得最快的運營列車，也是全球高鐵發(fā)展的里程碑。

從生活情境到物理情境，要對研究對象、研究過程進(jìn)行理想化處理。選定特定的物理過程，抓主要矛盾和核心問題構(gòu)建理想的物理模型。以“復(fù)興號”作為習(xí)題的背景，研究“復(fù)興號”在水平面上加速運動過程的受力和運動情況，設(shè)計了從力到運動和從運動到力兩個方面的分析判斷，使學(xué)生全面認(rèn)識到“復(fù)興號”力和運動的關(guān)系。

【物理情境】 “復(fù)興號”共8節(jié)車廂，每節(jié)車廂質(zhì)量為18 t，動車組的牽引電傳動系統(tǒng)包括牽引電機、牽引變流器和輔助變流器，是動車組高速運行的動力來源，被稱為“動車之心”。第2、4、5、7節(jié)車廂為動力車箱，每節(jié)動力車廂攜帶4臺牽引電機，每臺牽引電機能提供1.1875×104 N的牽引力，第1、3、6、8節(jié)車廂為拖車箱，沒有動力。同時，“復(fù)興號”列車比既有的和諧號CRH380系列（350 km/h速度級）人均百公里能耗下降17%左右，有效減少了持續(xù)運行的能量消耗。假設(shè)每節(jié)車廂受到的阻力平均為1.25×103 N，且將“復(fù)興號”從靜止加速到最大速度360 km/h的出站過程看成在水平面上的勻加速直線運動。

【提出問題】 （1）“復(fù)興號”從開始啟動加速到最大速度的時間有多長？（2）第7節(jié)和第8節(jié)車廂間的相互作用力有多大？第6節(jié)和第7節(jié)車廂間的相互作用力有多大？對此你有何推論，有何啟發(fā)？（3）如果“復(fù)興號”從開始啟動加速到最大速度的時間加倍，車廂受到的阻力不變，則牽引力如何變化？

【問題探究】 物理過程：“復(fù)興號”從開始啟動加速到最大速度360 km/h的出站過程看成在水平面上的勻加速直線運動過程。建構(gòu)模型：出站過程，8節(jié)車廂運動狀態(tài)一樣，既可以把8節(jié)車廂作為質(zhì)點研究，也可以任選幾節(jié)車廂作為質(zhì)點研究。數(shù)據(jù)證據(jù)：每節(jié)車廂質(zhì)量為18 t，每臺牽引電動機提供1.1875×104 N的牽引力，每節(jié)車廂受到的阻力平均為1.25×103 N，最大速度為360 km/h等?？茖W(xué)推理：8節(jié)車廂受恒力作用做勻加速直線運動，每節(jié)車廂加速度一樣，受力恒定。問題解決：從力到運動和從運動到力，運用牛頓運動定律和勻變速運動規(guī)律分析具體問題。

（1）選擇整列火車為研究對象，如圖2所示，根據(jù)牛頓第二定律，可知

（2）選擇第8節(jié)車廂為研究對象，如圖3所示，根據(jù)牛頓第二定律，可知

第6、7節(jié)車廂間的相互作用力有多大？選擇7、8節(jié)車廂為研究對象，根據(jù)牛頓第二定律，可知

【素養(yǎng)提升】 第6、7節(jié)車廂間的相互作用力出乎意料是0。進(jìn)一步思考2、3節(jié)或4、5節(jié)車廂呢？答案也是0，這是巧合嗎？將來12、16節(jié)編組車廂的受力特點呢？這是設(shè)計者的創(chuàng)新智慧。所以，“復(fù)興號”是中國標(biāo)準(zhǔn)動車組，今后所有高鐵列車，只要是具有相同速度等級的車，都能連掛運營，互聯(lián)互通，足見其中創(chuàng)造的高明之處，而這些高明的創(chuàng)作的基本原理就是牛頓運動定律。

【規(guī)律總結(jié)】 從“復(fù)興號”這個具體運動歸納出解決動力學(xué)的兩類問題，完成了從實踐到理論的升華。一方面讓學(xué)生逐步認(rèn)識高鐵加速的相關(guān)數(shù)據(jù)，另一方面總結(jié)研究勻變速運動的動力學(xué)方法，如圖4所示。用牛頓運動定律解決問題的步驟：選定物理過程，確定研究對象，建立物理模型；分析受力情況和運動情況，畫示意圖（受力和運動過程）；用牛頓第二定律和運動學(xué)公式列方程求解。

【教學(xué)流程】 問題創(chuàng)設(shè)情景，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)。圖5為該教學(xué)流程的示意圖。以討論和解決有價值的問題為核心任務(wù)，充分發(fā)揮創(chuàng)設(shè)問題情境的作用，營造學(xué)生主動參與的課堂教學(xué)環(huán)境，以任務(wù)驅(qū)動的方式促進(jìn)師生、生生之間的互動和交流。密切聯(lián)系生活實際，全方位調(diào)動學(xué)生主動獲取知識的積極性，使教學(xué)活動得以真正發(fā)生。本文選擇了西成高鐵在斜面上的運動為例，增加了物體受力分析和運動規(guī)律應(yīng)用的難度。

【鞏固練習(xí)】 CRH3A型和諧號動車組是西成高鐵的主力軍，如圖6所示，它牽引力較普通動車組大，可以保證動車組在20‰的坡道上靜止和啟動不溜車，實現(xiàn)坡停、坡啟。早年建成的寶成鐵路，是靠兩個機車一前一后同時使勁，才能穿越蜀道、翻越秦嶺。CRH3A列車從清涼山隧道開始一路上坡，采用大坡度穿越秦嶺，長達(dá)數(shù)十公里。 如果有一段坡度為25‰的橋面，坡道直接落差為1 000 m，我們假設(shè)列車從坡底由靜止開始做勻加速直線運動，經(jīng)1 000 s到達(dá)坡頂。已知列車總質(zhì)量為200 t，受到的阻力為1.34×105 N，求：列車到達(dá)坡頂?shù)乃俣扔卸啻螅苛熊嚺榔聲r需要多大的牽引力。

【教學(xué)悟道】 “物理是用來解決問題的，而不只是用來做練習(xí)題的”?；谔嵘诵乃仞B(yǎng)的習(xí)題教學(xué)要突出物理與現(xiàn)實生活及科技發(fā)展的聯(lián)系，教學(xué)內(nèi)容要涉及對必備知識的深入理解、關(guān)鍵能力的強化訓(xùn)練、學(xué)科素養(yǎng)的綜合提升、核心價值的入腦入心。選題注重基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、時代性和創(chuàng)新性，強調(diào)應(yīng)運用所學(xué)知識解決真實問題并在解決問題的過程中形成方法策略，凸顯學(xué)科本色和課改特色。通過運用牛頓運動定律解題，對學(xué)生而言，一個好的習(xí)題就是一個好的科學(xué)問題，猶如一個科學(xué)問題對于科學(xué)家而言，就是一道習(xí)題一樣。要全面展現(xiàn)物理學(xué)科的內(nèi)涵：物理是一門科學(xué)，物理是一種智慧，物理是一種文化。

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