基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計探討①
——以“曲線運(yùn)動”教學(xué)為例

周和建 茅君平

(浙江省臺州市第一中學(xué),浙江 臺州 318000)

1 物理觀念定框架

教師在設(shè)計一節(jié)課的教學(xué)前,要先思考該節(jié)課主要培養(yǎng)學(xué)生哪一種物理觀念。教材內(nèi)容的順序在一定程度上反映了觀念形成的順序,并且每一種觀念都具有層次性。本文以“曲線運(yùn)動”為例,運(yùn)用運(yùn)動觀和相互作用觀架構(gòu)課堂教學(xué)。

1.1 運(yùn)動觀架構(gòu)

本節(jié)課是學(xué)生從直線運(yùn)動過渡到曲線運(yùn)動、形成運(yùn)動觀的關(guān)鍵一節(jié)課，如圖1所示,以運(yùn)動觀架構(gòu)本節(jié)課的內(nèi)容,對比直線運(yùn)動與曲線運(yùn)動,運(yùn)用極限思想,體會轉(zhuǎn)換方法,有助于學(xué)生構(gòu)建機(jī)械運(yùn)動的整體框架。

圖1

1.2 相互作用觀架構(gòu)

學(xué)生的學(xué)習(xí)從物體做直線運(yùn)動的加速、減速條件到牛頓運(yùn)動定律,再到物體做曲線運(yùn)動的條件,這是從相互作用觀視角建構(gòu)的過程，也就是以運(yùn)動的描述為主線,利用牛頓運(yùn)動定律,以相互作用觀架構(gòu)本節(jié)課的內(nèi)容(如圖2)。

圖2

2 科學(xué)思維重遷移

本節(jié)課從物體的位置變化到位移的描述,從速度方向到曲線運(yùn)動的動力學(xué)條件,探究活動都按照“現(xiàn)象→實驗→理論”的流程展開,前后呼應(yīng)。每一個活動設(shè)計都注重學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng),特別是對已有知識和方法的遷移運(yùn)用。

2.1 坐標(biāo)系的遷移

針對曲線運(yùn)動的位移這部分內(nèi)容,教師會采用兩種常規(guī)的處理方法:一是跳過這部分,在運(yùn)動的合成與分解中再學(xué)習(xí);二是簡單帶過,直接給出學(xué)生熟悉的直角坐標(biāo)系,指出用坐標(biāo)確定物體的位置。

事實上,建立坐標(biāo)系的過程就是運(yùn)動分解的過程,而分解具有多樣性。在后續(xù)的曲線運(yùn)動學(xué)習(xí)中,我們將會用直角坐標(biāo)系處理平拋運(yùn)動,用自然坐標(biāo)系處理圓周運(yùn)動,分解方法多樣性的背后隱藏著科學(xué)思維方法的教育。作為曲線運(yùn)動一章的第一節(jié),學(xué)生應(yīng)該從整體上理解：為什么要對曲線運(yùn)動進(jìn)行分解？為什么要這樣分解？

創(chuàng)設(shè)情境:發(fā)射炮彈。如圖3所示，要描述其位置,依據(jù)位移的定義,用長度表示大小,用夾角表示方向,用位移矢量表示物體位置的變化,這種方法就是極坐標(biāo)法。還可根據(jù)炮彈實際運(yùn)動情況：越飛越高并越飛越遠(yuǎn),建立直角坐標(biāo)系以確定其位置,即把曲線運(yùn)動分解為兩個直線運(yùn)動進(jìn)行研究。在具體情境中,分解方法視解決問題的方便和有效性進(jìn)行選取。

圖3

2.2 極限法的遷移

對曲線運(yùn)動速度方向的理論解釋,就是在極坐標(biāo)下,利用極限法,把割線轉(zhuǎn)化為切線,同時也就把物理中的過程量轉(zhuǎn)化成瞬時量,進(jìn)而推出瞬時速度的方向沿曲線的切線方向(如圖4)。

圖4

2.3 矢量分析法的遷移

物體做曲線運(yùn)動的條件是力與速度方向有夾角,且力指向曲線的凹側(cè)，可利用如圖5所示的矢量分析法驗證該結(jié)論。初速度方向沿軌跡的切線方向,力指向軌跡的凹側(cè)。根據(jù)牛頓第二定律,加速度與力同向,加速度與速度變化量同向。再根據(jù)平行四邊形定則,畫出末速度的方向，也就是沿軌跡的切線方向,從而證明結(jié)論的正確性。

圖5

3 實驗探究有深度

在教學(xué)中可運(yùn)用變式,增加實驗探究的深度,引導(dǎo)學(xué)生多層次、全方位地認(rèn)識物理現(xiàn)象和理解物理規(guī)律。

3.1 速度方向的深入探究

關(guān)于曲線運(yùn)動的速度方向有很多典型實驗,例如轉(zhuǎn)動雨傘灑出水滴、砂輪磨刀具產(chǎn)生火星、光盤上甩出紅墨水等,通過具體事例得出結(jié)論似乎是顯而易見的,但事實上并非如此。以旋轉(zhuǎn)光盤上的紅墨水為例,紅墨水在離開光盤后,實際上做平拋運(yùn)動,若要忽略重力的影響,必須盡量減小光盤和紙面間的距離，再根據(jù)牛頓第一定律,紅墨水甩出后可近似看作做勻速直線運(yùn)動,由紅墨水的運(yùn)動方向推出光盤邊沿做圓周運(yùn)動的速度方向。

3.2 曲線運(yùn)動條件的深入探究

利用拆卸板的方式構(gòu)建一般情形的曲線軌道,根據(jù)牛頓第一定律,得出一般曲線運(yùn)動的速度方向就是沿軌跡的切線方向。在此實驗基礎(chǔ)上深入變化,提出問題:在小球前進(jìn)過程中移走哪些板,不會影響小球軌跡?如圖6所示,經(jīng)過實驗,得出軌跡凹側(cè)的板可撤去,凸側(cè)的板不能撤去。分析得出凸側(cè)的板提供了小球做曲線運(yùn)動的力,所以合力指向曲線的凹側(cè)。

圖6