信息化課堂教學設計*
——以“剛體定軸轉動的角動量及角動量守恒定律”為例

史建新 傅美歡 劉勇文 騫朋波

(南京工業(yè)職業(yè)技術大學公共基礎課部 江蘇 南京 210023)

大學物理課程在本科教學計劃中是一門重要的公共基礎理論課， 從后續(xù)專業(yè)課程的需要和學生持續(xù)學習及實際應用能力的培養(yǎng)等要求來確定大學物理教學內(nèi)容體系以及人才培養(yǎng)目標． 本次課選自大學物理課程中的剛體定軸轉動的角動量和角動量守恒定律，學生利用云班課開展課前準備、課內(nèi)學習、課后拓展以及在線互動交流等自主學習活動．教材在介紹剛體的角動量的定義時較為抽象，學生難以理解，故在課程教學中采用課堂演示、體驗、探究和問題導向、分組討論等教學方法，讓學生在課堂上自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題．借助信息化教學輔助工具，將抽象的物理概念和理論形象、直觀地進行展示，突破教學重點和難點，實現(xiàn)“學生做中學、教師做中教”，提升教學效果．

1 學情分析和授課形式

1.1 學情分析

授課對象為本科一年級學生，已具備一定的高中物理、高等數(shù)學基礎知識，但學生數(shù)學和物理的基礎不扎實，對于抽象的物理概念的理解以及接受能力不是太強．

1.2 授課形式

課堂教學主要采用講授法、討論法、多媒體教學法、實驗探究法、釋疑法等．

第一，由于本節(jié)知識點比較抽象，按照傳統(tǒng)課堂的講授法進行教學，學生難以理解并失去興趣． 采用多媒體教學，通過動畫和視頻等教學資源的展示，不僅可以提高課堂效果，還可以進一步提升學生學習的積極性和主動性．

第二，講解角動量守恒定律時，通過設置問題激發(fā)學生的求知欲，再通過播放動畫、視頻結合課堂演示實驗，學生分組討論并發(fā)現(xiàn)問題、探究問題和解決問題，重視知識形成的過程，讓學生逐步從感性認識上升到理性認識來理解并掌握剛體定軸轉動的角動量和角動量守恒定律．

第三，問題貫穿始終，提出問題并解答問題的過程就是學習的過程． 釋疑解惑法加深學生對新知識的理解和掌握[1]．

第四，利用“云班課”進行課堂實時在線答題，檢驗當堂學習的效果，把問題解決在課堂中而不留到課后．

2 教學目標

教學目標包括3個方面，分別為知識目標、技能目標以及素養(yǎng)目標，多角度、多層次提升學生的綜合素養(yǎng)．

2.1 知識目標

掌握剛體定軸轉動的角動量的定義；通過演示、探究來體驗剛體的角動量守恒定律，明確角動量守恒的條件．

2.2 技能目標

運用剛體角動量守恒定律解釋相關的實際應用和生活現(xiàn)象問題．

2.3 素養(yǎng)目標

通過情景模擬和團隊協(xié)作培養(yǎng)學生類比學習的能力和觀察、分析解決問題的能力，增強學生進行實踐探索規(guī)律的意識；通過參與探究活動，培養(yǎng)學生由淺入深地分析問題、解決問題的思維方式，培養(yǎng)學生的團隊合作精神．

3 教學設計思路

3.1 課前

課前布置預習任務，日常生活中哪些現(xiàn)象涉及剛體的定軸轉動？剛體轉動過程中的角動量反映剛體的何種狀態(tài)？引導學生思考如跳臺跳水運動員起跳的高度決定著什么？起跳后為什么要迅速團緊身體？入水前為什么需要打開身體？這樣將平動和轉動兩個問題都包含在內(nèi)了，借助平動與轉動的對稱，引入轉動問題可能學生容易理解一些．學生帶著3個問題查閱相關的資料，觀看文字、圖片、視頻等教學資源，進行知識的自主學習，帶著預習的問題以及搜集到的素材和資料進入課堂學習．

3.2 課中

課中采用基于云班課等信息化教學手段支持的課堂教學模式，通過演示、探究、討論、總結開展課堂學習，在整個課堂中充分發(fā)揮學生的主體地位．將兩個學時的教學內(nèi)容設置為課題引入、分組討論、探究演示、拓展應用及總結評價等5個教學環(huán)節(jié)．

3.2.1 課題引入

剛體繞定軸的力矩和角動量都是對軸而言的，在第二章質點力學中力矩和角動量都是對固定點而言的．質點繞固定點的角動量反映質點繞固定點的轉動狀態(tài)．作為特殊的質點系統(tǒng)，剛體繞定軸轉動可看成質點系統(tǒng)繞軸的轉動．利用微積分思想引導學生分析剛體與質點之間的關聯(lián)，探究剛體定軸轉動的角動量[2～4]．

3.2.2 分組討論

任務一：分組討論角動量守恒的不同情況，通過理解角動量守恒的不同情況，鞏固學生對角動量定義以及角動量守恒定律的理解，從而突破本次課的教學重難點．

任務二：如何解釋旋轉椅、冰舞運動員旋轉過程中身體形態(tài)的變化造成轉速的變化．借助多媒體動畫、教學演示儀器和視頻，進行類比和總結，并利用角動量和角動量守恒定律解釋通過生活中常見的生活現(xiàn)象，從而讓學生掌握角動量的定義以及角動量守恒定律．

任務三：行星繞太陽運行過程中其角動量是否守恒？運用物體系統(tǒng)的角動量守恒解釋行星繞太陽運行過程中的角動量守恒情況．

3.2.3 演示探究

通過課堂演示旋轉椅的奧秘、冰舞運動員身體姿態(tài)的變化造成轉速的變化等，通過探究、演示等方式讓學生體驗角動量守恒定律．探究過程教師起到引導作用，學生在教師的引導下探究角動量守恒的奧秘，探究過程力求循序漸進、逐步深入和形象生動．

3.2.4 拓展應用

為培養(yǎng)學生持續(xù)學習及實際應用的能力，觀看直升飛機模型和直升飛機失事視頻，探究直升飛機尾旋翼的作用．學生進行分組討論，并以小組為單位陳述每一小組的觀點．

3.2.5 總結評價

課堂教學過程中，利用云班課進行實時的測驗．學生在完成以上任務的學習后，教師根據(jù)系統(tǒng)的評價及時了解全班學生學習的情況，同時也能了解每個學生在每個環(huán)節(jié)的學習情況，從而克服了傳統(tǒng)教學中評價滯后性以及學生的學習數(shù)據(jù)難以保存等問題．

3.3 課后

通過云班課開設大學物理學習答疑區(qū)，發(fā)布課后作業(yè)，實現(xiàn)同學之間云班課作業(yè)的互評，提高學生的學習效率．

4 教學過程實施

4.1 第一環(huán)節(jié)：了解剛體的定義以及剛體定軸轉動(時長約5 min)

教師引導學生回顧課前布置的預習任務，如圖1所示，列舉日常生活中平動和轉動的例子，如翻空心筋斗、跳臺跳水、花樣滑冰等．引導學生思考并分組討論，如跳臺跳水運動員起跳的高度決定著什么？起跳后為什么迅速團緊身體？入水前為什么需要打開身體？另外，回顧剛體的定義、剛體的定軸轉動以及剛體定軸轉動重要的物理量，即剛體的轉動慣量．

介紹教學內(nèi)容背景資料，引導學生回顧思考，評價學生課前任務完成情況． 通過云班課課堂測試掌握學生對于剛體定軸轉動以及轉動慣量概念的理解．通過課前布置的3個問題結合學生討論情況加以解答，結合云班課的測試結果進行點評，同時引導學生使用課程網(wǎng)絡資源進行自主學習．

圖1 日常生活中的平動和轉動

4.2 第二環(huán)節(jié)：利用微積分思想探究剛體定軸轉動的角動量(時長約10 min)

微積分思想貫穿大學物理課程的整個學習過程．引導學生分析問題，如何將剛體與單個質點建立起聯(lián)系，引導學生通過微積分思想探究剛體繞定軸轉動的角動量．作為特殊的質點系統(tǒng)，剛體繞定軸轉動可看成質點系統(tǒng)繞固定軸的轉動．如圖2所示，利用高等數(shù)學中的微積分思想或方法，將整個剛體微分割成多個(質量離散分布)或無數(shù)個(質量連續(xù)分布)質量元，先計算每個質量元圍繞固定軸轉動的角動量，再通過積分得到整個剛體繞固定軸轉動的角動量．

圖2 剛體定軸轉動的角動量

剛體繞定軸轉動的角動量描述的是剛體繞定軸轉動的轉動狀態(tài)．關于剛體繞定軸轉動的角動量的理解，可以引導學生將剛體繞定軸轉動的角動量與質點運動的動量進行類比，加深學生對抽象概念的理解．

4.3 第三環(huán)節(jié)：剛體定軸轉動的角動量定理(時長約5 min)

利用高等數(shù)學中物理量隨時間的變化率可以通過將該物理量對時間求導數(shù)來表示．剛體定軸轉動的角動量定理反映剛體定軸轉動時角動量隨時間的變化率，即等于剛體所受的合外力的力矩．

引導思考:剛體定軸轉動的角動量如果隨時間發(fā)生變化，即變化率與剛體的哪些因素有關？

學生反饋：通過質點系的角動量定理分析剛體定軸轉動的角動量隨時間的變化規(guī)律[5]．

教師反饋：肯定學生的正確回答，并給予鼓勵．剛體定軸轉動的角動量定理可描述為

(1)

補充說明：剛體的角動量定理是剛體轉動的普遍表達式，若物體不是剛體，則當它繞軸轉動時，轉動慣量可能發(fā)生變化，但剛體的角動量定理仍然成立．

定軸轉動的剛體的角動量定理(剛體的轉動慣量保持不變)

(2)

定軸轉動的非剛體的角動量定理(非剛體的轉動慣量可變)

(3)

4.4 第四環(huán)節(jié)：探究剛體定軸轉動角動量守恒定律并討論角動量守恒的不同情況(時長約12 min)

探究剛體定軸轉動的角動量守恒定律，明確角動量守恒的條件． 結合課堂演示、體驗、探究等方式，分組討論角動量守恒的不同情況[6～8]，如圖3所示．通過提問學生來進行總結，并利用云班課進行課堂測試，檢驗學生對于角動量守恒定律的理解程度．

第一，分組討論角動量守恒的不同情況，邀請學生分組討論并參與探究、演示實驗，并分析角動量守恒定律的不同情況，如圖3所示．

第二，邀請學生上講臺共同完成旋轉椅的演示和體驗，如圖4(a)所示，并提問旋轉椅角速度變化的原因．

第三，播放冰舞視頻，感受冰舞運動的美，并提問冰舞運動員原地旋轉過程中角速度變化的原因，如圖4(b)所示，讓學生分組討論并總結非剛體角動量守恒的規(guī)律．

第四，關于物體系統(tǒng)角動量守恒定律，首先啟發(fā)學生思考行星繞太陽運行過程中角動量是否守恒，并提問學生．完成云班課課堂測試，教師根據(jù)測試結果進行點評和總結．

如圖4所示，利用課堂演示、探究、體驗以及討論等方式開展教學，將抽象的物理概念形象、生動地展現(xiàn)在課堂中，加深學生對于角動量以及角動量守恒定義的理解，從而突破本課的重點，同時也彌補了傳統(tǒng)教學資源單調、有限等不足之處． 另外，角動量守恒定律是物理學中的基本守恒定律之一，讓學生總結物理學中學過的所有守恒定律，感受自然之美，領略物理之美．

4.5 第五環(huán)節(jié)：剛體定軸轉動角動量守恒定律的應用——直升飛機(時長約6 min)

第一，創(chuàng)設情境，啟發(fā)思考．當直升機主旋翼順時針轉時關閉尾旋翼，此時大家會發(fā)現(xiàn)飛機會原地反方向打轉．直升機為了保持機身平衡，如何做到機身防旋？讓學生進行分組討論．

第二，課堂演示，分組討論． 如圖5所示，課堂中演示直升機模型，探究直升機尾旋翼的作用，讓學生進行分組討論．

第三，發(fā)布云班課課堂測試題． 直升機的尾部裝有一繞水平軸旋轉的尾旋翼，它的作用是什么？根據(jù)學生手機作答情況進行點評．直升機尾旋翼的作用主要是為了平衡主旋翼產(chǎn)生的力矩，尾旋翼就必須或推或拉，從而產(chǎn)生順時針方向的推力，以抵消主旋翼的反扭力，起到平衡的作用．云班課課堂測試考查學生對于剛體角動量守恒定律的理解．

第四，學生反饋． 在該環(huán)節(jié)中，無論是情境創(chuàng)設，還是課堂演示，以至課堂訓練，都要根據(jù)學生的回答進行點評，并給予鼓勵．樹立學生的參與意識、主體意識.

5 總結評價與教學反饋

5.1 教學效果總結與評價

本次課圍繞剛體定軸轉動的角動量以及角動量守恒定律，以問題為主線，以學生自我探究學習為主體組織教學，應用信息化教學手段以及課堂演示實驗，突破教學的重難點，實現(xiàn)了教學目標． 應用動畫、視頻等教學資源使抽象的物理概念更加直觀和形象，使學生對抽象物理量的理解能力明顯提高．

在信息化教學環(huán)境下教學效果明顯提高． 學生利用云班課開展課前準備、課內(nèi)學習、課后拓展以及在線互動交流等自主學習活動． 采用課堂演示、探究、體驗和問題導向、分組討論等教學方法，讓學生在課堂上發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，遵循“學生主體、教師主導”的教育教學理念，將抽象的物理概念和理論形象、直觀地進行展示，實現(xiàn)“學生做中學、教師做中教”，提高了教學效果．

5.2 教學特色總結與評價

借助現(xiàn)代信息技術，將課堂教學延伸至網(wǎng)絡多媒體課件，采用云班課發(fā)布課前預習任務、課中實時測試以及課后作業(yè)，幫助學生在課外實現(xiàn)預習、復習、及時與教師進行交流，對課程進行反饋，充分保證教學課堂的開放性、自主性，教學效果明顯提高．

教材在介紹剛體的角動量的定義時較為抽象，學生難以理解，故在課程教學中通過課堂探究、演示、體驗等教學資源進行直觀展示．培養(yǎng)學生科學的思維方式、持續(xù)學習及實際應用的能力[9,10]．

改革評價方式，構建多元評價體系．構建課前、課中、課后教學相結合，教師、學生共參與的實時、多元評價體系，科學、合理地評價學生學習效果．

5.3 教學反思

依托云班課在線測試系統(tǒng)，實現(xiàn)學生課前準備、課中實施和課后拓展的整合．在信息化環(huán)境下，綜合采用多種資源，合理組織教學．通過教學實踐，我們深刻感受到信息化教學使得學生的學習更積極，效率更高，并較好地實現(xiàn)了過程性多元評價．學生真正成為了學習主體，對知識的理解能力得到了穩(wěn)步提升．在今后的教學中要更加充分地結合信息技術、信息化手段和信息化資源，加強學生自主學習習慣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．