構(gòu)建情境突破習(xí)題教學(xué)瓶頸的探索

洪勇輝

摘? ?要：在習(xí)題教學(xué)中，往往會遇到許多瓶頸，教師通過構(gòu)建具體的物理情境，將物理問題融于情境中，既可以有效幫助學(xué)生突破瓶頸點，又能在問題分析過程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，并能不斷提出新的問題，保持學(xué)生的好奇心和求知欲，提升其核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：情境;習(xí)題教學(xué);突破瓶頸;人造衛(wèi)星

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）4-0005-4

1? ? 習(xí)題教學(xué)現(xiàn)狀

在高三的復(fù)習(xí)中，習(xí)題教學(xué)占據(jù)了主要基調(diào)，但是在普通高中往往會聽到學(xué)生說“老師上課講的我都聽得懂，但是自己做題的時候往往就會很懵”，經(jīng)常以“不苦不累，高三無味”來麻痹自己，以“辛苦三年，幸福一生”來激勵自己。而老師們則恨不得在最短的時間內(nèi)把畢生所學(xué)全部教給學(xué)生，一節(jié)課能講多少就講多少?？荚囍皯c幸所考的題型基本上都講過，但考后往往發(fā)出感慨“這種題型我都講過很多遍了，怎么還是錯這么多？”“感覺好像沒上過課一樣，會的還是會，不會的還是不會?！边@就暴露了目前我們的高三習(xí)題教學(xué)總體上效率不高，學(xué)生普遍存在沒有突破解題思維和方法的瓶頸，為了考試而被動學(xué)習(xí)，難以發(fā)揮習(xí)題教學(xué)應(yīng)有的教學(xué)功能。

2? ? 習(xí)題教學(xué)思考

興趣是推動學(xué)習(xí)最實際、最有效、最持久的內(nèi)部動力，我們的習(xí)題教學(xué)應(yīng)適當(dāng)降低起點、生動有趣，通過老師創(chuàng)設(shè)情境，將所要復(fù)習(xí)的知識點、方法融于簡單具體的情境中，從情境中發(fā)現(xiàn)物理問題，突破認知上的瓶頸，引導(dǎo)學(xué)生在一系列由易到難的問題解決中復(fù)習(xí)相應(yīng)的物理知識、發(fā)展科學(xué)思維能力，并收獲成就感，還能不斷提出新的問題，保持學(xué)生的好奇心和求知欲，提升其核心素養(yǎng)，讓不同程度的學(xué)生都有所收獲，實現(xiàn)物理課堂應(yīng)有的教育價值。

3? ? 實踐探索

基于以上的思考，再加上班級學(xué)生在平時的課堂討論中暢所欲言，師生、同學(xué)之間的關(guān)系融洽，在“人造衛(wèi)星”的復(fù)習(xí)課中，筆者做了一些嘗試。

3.1? ? 構(gòu)建情境，復(fù)習(xí)回顧

在這個環(huán)節(jié)里，主要是通過教師構(gòu)建情境調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，復(fù)習(xí)回顧圓周運動、人造衛(wèi)星的基本知識，避免單一的公式羅列導(dǎo)致課堂枯燥乏味。

情境：（動畫展示）寒假期間，王楠同學(xué)（物理科代表）跟隨父母出國旅游。某天夜里，王楠同學(xué)在馬爾代夫一個酒店的陽臺（恰好位于赤道線上），仰望星空，不禁發(fā)出感慨“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河?！?/p>

問題1：如果把王楠同學(xué)視為質(zhì)點，試著分析他的受力情況。

通過提問，發(fā)現(xiàn)有一部分學(xué)生認為王楠同學(xué)受重力和支持力，二力平衡。隨即便有部分學(xué)生提出，應(yīng)該是受地球引力和地面的支持力，二力的合力提供向心力（如圖1）， ，因為王楠同學(xué)隨著地球自轉(zhuǎn)（“坐地日行八萬里”），近似為勻速圓周運動，支持力的大小等于重力的大小，N=mg。又因為地球自轉(zhuǎn)角速度非常小，王楠同學(xué)所需向心力相對于重力可以忽略不計，所以萬有引力大小近似等于重力大小。部分學(xué)生的“典型錯解”容易引起學(xué)生共鳴，引發(fā)思維沖突，通過問題1的分析把萬有引力、重力、支持力三者的區(qū)別和聯(lián)系分析得十分到位，有助于知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

問題2：如果地球自轉(zhuǎn)加快，以上四力會如何變化？

問題3：當(dāng)王楠同學(xué)的線速度達到多大時，他恰好飄起來？

通過對問題2、3的分析，計算得到第一宇宙速度v1=7.9 km/s，而后教師順勢補充我國地處北半球，如果要發(fā)射赤道軌道衛(wèi)星，運載火箭要朝東南方向發(fā)射，這樣就能夠利用地球自西向東自轉(zhuǎn)的速度，節(jié)約火箭燃料。理論聯(lián)系實際，滲透節(jié)能環(huán)保意識的培養(yǎng)。

問題4：我們讓王楠同學(xué)繼續(xù)躺在陽臺上欣賞夜空。接下來分析我國發(fā)射的衛(wèi)星，當(dāng)v1=7.9 km/s時，衛(wèi)星靠近地球表面繞地球做勻速圓周運動，為近地衛(wèi)星。①若v'1>7.9 km/s時，衛(wèi)星將如何運動？（離心運動，軌跡為橢圓）②（如圖2）衛(wèi)星從A點向B點運動再返回的過程中，發(fā)動機不再工作，試分析速度vc、所受引力FC、引力FC做功WC、引力勢能EP、動能EK、總體機械能E的變化。

通過對問題4的分析，既復(fù)習(xí)回顧了衛(wèi)星在橢圓軌道上動力學(xué)、能量的變化，又培養(yǎng)了學(xué)生從多角度分析問題的科學(xué)思維能力。

3.2? ? 逐步深入，拓展思維

問題5：在A點的速度越大，離心現(xiàn)象將越明顯（如圖3中橢圓軌道4），衛(wèi)星的橢圓軌跡將更大，當(dāng)v2達到多大時，衛(wèi)星將擺脫地球的引力？提示：若以無窮遠處為零勢能點，萬有引力常量為G，地球質(zhì)量為M，地球半徑為R，衛(wèi)星質(zhì)量為m，衛(wèi)星距離地心為r，則衛(wèi)星的引力勢能Ep=-G■（r≥R）。

本問題多數(shù)學(xué)生從機械能守恒角度定量計算得出結(jié)果，同時復(fù)習(xí)第二宇宙速度。在學(xué)生給出答案后，教師還可以拓展從功和能的關(guān)系來分析，若把衛(wèi)星從地球表面移動到無窮遠處，引力對它所做的功應(yīng)為：

在復(fù)習(xí)課中，除了回顧相應(yīng)的知識外，還要適當(dāng)提高，拓展思路，培養(yǎng)學(xué)生多角度構(gòu)建物理模型的意識，然后應(yīng)用數(shù)學(xué)知識來處理物理問題，處理的問題越高深，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識也會越多。還可以進一步拓展，讓學(xué)生課后試著推導(dǎo)第三宇宙速度。

3.3? ? 多種軌道對比，深入學(xué)習(xí)

問題6：假如B點剛好是同步軌道的高度，我們在B點讓衛(wèi)星瞬間加速進入同步圓軌道4（如圖4），試比較：

（1）王楠同學(xué)隨地球運轉(zhuǎn)周期T1，近地衛(wèi)星周期T2，橢圓軌道衛(wèi)星周期T3，同步衛(wèi)星周期T4;

（2）王楠同學(xué)隨地球運轉(zhuǎn)速率v1，近地衛(wèi)星運轉(zhuǎn)速率v2，橢圓軌道衛(wèi)星在A點速率vA、在B點速率vB，同步衛(wèi)星速率v4;

（3）王楠同學(xué)隨地球運轉(zhuǎn)向心加速度a1，近地衛(wèi)星向心加速度a2，同步衛(wèi)星向心加速度a4;

（4）衛(wèi)星在近地軌道時過A點的加速度a2，在橢圓軌道時過A點的加速度aA;

（5）若衛(wèi)星質(zhì)量相同，比較衛(wèi)星在不同軌道上所具有的機械能的大小;

（6）已知T1、T2，①若此時王楠同學(xué)抬頭正好看見近地衛(wèi)星經(jīng)過他正上方，則過多少時間該衛(wèi)星再次經(jīng)過他正上方？②過多少時間，該衛(wèi)星離他最遠？③若衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反？相距最近、最遠又該如何列式？

在這個環(huán)節(jié)，課堂上采用逐一給出各個小問題，分析、講解與練習(xí)相結(jié)合，比如第（1）（2）問引導(dǎo)學(xué)生分析各軌道之間的相同點和不同之處，培養(yǎng)學(xué)生更進一步從物理學(xué)視角認識事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互聯(lián)系的科學(xué)思維能力，而不是簡單地套用公式。通過第（1）（2）問的訓(xùn)練，學(xué)生很容易得出第（3）問的答案。第（4）問關(guān)鍵是區(qū)分需要的向心加速度和實際的加速度，通過第（4）問很好地區(qū)分了圓周運動中的“供”“需”關(guān)系導(dǎo)致運動形式的改變，加深對這部分內(nèi)容的理解。第（5）問通過不同軌道的對比，讓學(xué)生更加深刻地認識到雖然低軌道運動速度快、動能大，但是把衛(wèi)星送上更高的軌道則需要對衛(wèi)星做更多功，衛(wèi)星的機械能也更大，而且過程更加復(fù)雜，所以發(fā)射高軌道衛(wèi)星難度更大。隨后教師補充：（動畫展示）衛(wèi)星的回收剛好是衛(wèi)星發(fā)射的逆過程，提出飛船與空間站對接原理，以達到多題歸一、歸納整合的效果。在第（6）問中，有個學(xué)生的回答非常精彩，他用田徑場上兩個跑道速度不同的運動員來類比，情境熟悉，模型建構(gòu)清楚，體現(xiàn)了較高的分析綜合能力，從另一方面也體現(xiàn)了物理問題設(shè)計情境化已經(jīng)潛移默化地影響了學(xué)生的思維。問題6幾乎包含了人造衛(wèi)星大部分相關(guān)的知識點和方法，有益于學(xué)生知識網(wǎng)絡(luò)和思維網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

課后有學(xué)生提出，真實情況下衛(wèi)星是無法瞬間加速達到預(yù)期的速度，那么現(xiàn)實生活中衛(wèi)星變軌又是如何實現(xiàn)、如何控制的呢？這個問題的提出恰好體現(xiàn)了本節(jié)設(shè)計的一個目的，保持好奇心和求知欲，這樣才能不斷激勵自己去探索未知的世界。但是，由于高中的知識有限，有些問題還無法解答，學(xué)生可以期待在大學(xué)進一步學(xué)習(xí)。

3.4? ? 對接高考，創(chuàng)新思路

問題7：在所有衛(wèi)星中地球同步衛(wèi)星是我們最熟悉的衛(wèi)星，它有固定的軌道（軌道半徑大約是地球半徑的6.6倍）、周期、運行方向，（如圖5）根據(jù)幾何知識知道至少需要3顆同步衛(wèi)星才可以實現(xiàn)赤道上任意兩點間的通訊，假設(shè)地球自轉(zhuǎn)周期變小，若仍僅用3顆同步衛(wèi)星實現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為多少小時？（2016年全國高考Ⅰ卷的第17題）

這個環(huán)節(jié)是本節(jié)最難的部分。為了降低難度，在上課時筆者補充了圖6。部分學(xué)生能夠分析出地球自轉(zhuǎn)周期變小，衛(wèi)星高度必須降低，最低的時候應(yīng)該是地球成為三顆衛(wèi)星連線的內(nèi)切圓，算出此時衛(wèi)星的軌道半徑，根據(jù)開普勒第三定律就可以求解。就是考試不能用計算器，不知道怎么求？在這點上有部分老師認為是數(shù)學(xué)運算的問題，物理課可以不講。筆者認為不妥，數(shù)學(xué)估算能力也是考試說明要求的能力之一，我們應(yīng)該在教學(xué)中有意識地培養(yǎng)學(xué)生的估算能力，而這點在很多的教輔資料里并沒有體現(xiàn)。以下是筆者在課堂上的做法。

分析完高考題后，還可以把平面拓展到立體空間，進一步拓展知識面。例如：

①3顆同步衛(wèi)星能實現(xiàn)全球通訊嗎？要實現(xiàn)全球的覆蓋，可以怎么做？

②衛(wèi)星在日常生活中應(yīng)用非常廣泛，比如導(dǎo)航（利用視頻介紹我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)所取得的成就，增強民族自豪感），首先要定位，衛(wèi)星是如何定位的？至少需要幾顆衛(wèi)星？（這個涉及到參考系的選擇、立體空間點的確定以及電磁波信號傳輸）

4? ? 結(jié)束語

在本節(jié)復(fù)習(xí)課中，拋棄了以往先羅列復(fù)習(xí)知識點后歸類逐一訓(xùn)練過關(guān)的教學(xué)方法，將知識點、方法融于具體情境中，把課堂還給學(xué)生，逐步深入，在復(fù)習(xí)中滲透科學(xué)思維的培養(yǎng)、民族自豪感的激發(fā)，最終根據(jù)思維導(dǎo)圖理論將知識點、方法歸納在圖形中，既避免了課堂枯燥乏味，又有助于學(xué)生在深度學(xué)習(xí)中提升核心素養(yǎng)，在解決問題的思維上逐步突破瓶頸點。經(jīng)教學(xué)實踐這是成功的，這點從學(xué)生課堂的積極表現(xiàn)以及作業(yè)的反饋可以看出來。

我們的學(xué)科核心素養(yǎng)就像是人體所必須的營養(yǎng)成分，而老師就是大廚，主要任務(wù)就是要根據(jù)需要不斷改進教學(xué)方法做好“大餐”，讓學(xué)生“吃”得好、消化吸收得好，“吃”完了還想再“吃”，保持學(xué)習(xí)的興趣，實現(xiàn)課堂效益的最大化。

參考文獻：

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2018-11-29

基金項目：本文為福建省中學(xué)物理教學(xué)帶頭人培養(yǎng)工程專項課題“高中物理習(xí)題教學(xué)瓶頸及突破策略”（編號：WLDTRKT201709）的研究成果。

作者簡介：洪勇輝（1980-），男，中學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作，曾獲石獅市中學(xué)教師教學(xué)技能比賽一等獎。