基于“大情境”主線的物理復(fù)習(xí)教學(xué)探討

陸永華

（南京航空航天大學(xué)蘇州附屬中學(xué)，江蘇 蘇州 215000）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“課標(biāo)2017年版”）指出“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用”.［1］在物理復(fù)習(xí)中基于“大情境”主線開展教學(xué)實踐，有利于解決情境“碎片化”問題，系統(tǒng)優(yōu)化學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力.

1 物理核心素養(yǎng)視域下的“大情境”

物理核心素養(yǎng)視域下的“大情境”是指為了發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，把課程標(biāo)準(zhǔn)及教材所呈現(xiàn)的理論知識與真實的問題情境相關(guān)聯(lián)，以問題或任務(wù)為中心構(gòu)成的深度加工的接近真實客觀世界的活動場域.結(jié)合“課標(biāo)2017年版”“大情境”主要源于貼近學(xué)生、貼近生活、貼近時代的“生活實踐問題情境”和真實的物理科學(xué)研究過程、學(xué)生實際的探索過程，涵蓋學(xué)習(xí)探索與科學(xué)探究過程中所涉及問題的“學(xué)習(xí)探索問題情境”兩大類.“課標(biāo)2017年版”涉及的“問題情境的復(fù)雜程度”可分為“簡單”的情境和“復(fù)雜”的情境，對應(yīng)素養(yǎng)不同的水平層次，分為常見的去情境或抽象的情境、新穎的簡單抽象的情境、常見的復(fù)雜但有指向性的情境、新穎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)良好情境或簡單結(jié)構(gòu)不良的情境等.

2 基于“大情境”主線的物理復(fù)習(xí)教學(xué)路徑

認(rèn)知過程的本質(zhì)是由情境決定的，情境是一切認(rèn)知活動的基礎(chǔ).物理核心素養(yǎng)視域下的“大情境”復(fù)習(xí)教學(xué)從真實“大情境”出發(fā)，通過“大情境”主線與課堂教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)融合，以“大情境”和分解的“子情境”為載體，輔以“知識問題化、問題情境化”的復(fù)習(xí)教學(xué)路徑，“通過問題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成”.具體來說，如圖1所示，創(chuàng)設(shè)教學(xué)任務(wù)“大情境”，將“大情境”中呈現(xiàn)的“原始物理問題”進(jìn)行剖析，結(jié)合學(xué)情關(guān)聯(lián)學(xué)生的具體情境認(rèn)知，挖掘優(yōu)化情境，構(gòu)建情境中的物理模型，將教學(xué)目標(biāo)的落實有機(jī)融合到對“大情境”的逐層分析之中，通過分解系列“子情境”，設(shè)置不同層次的任務(wù)“問題鏈”，多線并進(jìn)，驅(qū)動學(xué)生解決系列“問題鏈”，將原本孤立的、碎片化的知識方法等進(jìn)行深度加工，構(gòu)建系統(tǒng)化的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，發(fā)展科學(xué)思維，培育科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，通過“大情境”和分解“子情境”的問題解決培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

圖1

3 基于“大情境”主線的物理復(fù)習(xí)教學(xué)案例

在物理復(fù)習(xí)教學(xué)過程中，依據(jù)“課標(biāo)2017年版”相關(guān)內(nèi)容要求，把復(fù)習(xí)內(nèi)容嵌入到“大情境”之中，為知識的意義建構(gòu)提供問題解決的載體，幫助學(xué)生“形成把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力”.［1］

3.1 依據(jù)“課標(biāo)2017年版”要求，創(chuàng)設(shè)任務(wù)“大情境”

“課標(biāo)2017年版”中提出“觀看有關(guān)人造地球衛(wèi)星、神舟飛船、航天飛機(jī)、空間站的錄像片，與同學(xué)交流觀后感”“收集我國和世界航天事業(yè)發(fā)展歷史和前景的資料，寫出調(diào)查報告”“認(rèn)識科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用.”［1］基于“大情境”主線的教學(xué)要求將復(fù)習(xí)主題內(nèi)容與真實世界的情境相結(jié)合，依據(jù)“課標(biāo)2017年版”中“萬有引力與航天”的內(nèi)容要求，按照教學(xué)實際需求合理地增減或重構(gòu)等方式，確定以中國探測月球的“嫦娥工程”為主線任務(wù)“大情境”進(jìn)行復(fù)習(xí)教學(xué).

3.2 整合“原始物理問題”，增進(jìn)具體情境認(rèn)知

嫦娥五號是中國首個實施無人月面取樣返回的月球探測器，圖2是嫦娥五號的運行過程示意圖.2020年11月24日，嫦娥五號成功發(fā)射升空進(jìn)入預(yù)定軌道，經(jīng)過兩次軌道修正，進(jìn)入環(huán)月軌道飛行，然后從橢圓環(huán)月軌道變?yōu)榻鼒A形環(huán)月軌道，最后在月球正面預(yù)選著陸區(qū)著陸.嫦娥五號主要科學(xué)目標(biāo)包括對著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析，以及攜帶月球樣品返回地球以后的分析與研究.嫦娥五號任務(wù)是中國探月工程的第6次任務(wù)，也是中國航天最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一，實現(xiàn)了中國首次月球無人采樣返回，助力月球成因和演化歷史等科學(xué)研究.中國人的探月工程，為人類和平使用月球做出了新的貢獻(xiàn).通過對圖2所示的嫦娥五號的運行過程示意圖及相關(guān)視頻等資料的整理分析，幫助學(xué)生了解嫦娥五號探月工程相關(guān)“原始物理問題”的具體情境內(nèi)容，有意識滲透并篩選出所需“大情境”的物理信息.

圖2

3.3 深度加工解構(gòu)，構(gòu)建物理模型

“大情境”不是真實情境的原版，只是盡可能接近真實情況，限于學(xué)生知識、能力的發(fā)展水平，需要從促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)發(fā)展的目的出發(fā)對真實情境進(jìn)行簡化、剪輯、凝練.［2］在圖2所示的嫦娥五號探測器運行軌道過程示意圖分析基礎(chǔ)上，把嫦娥五號成功送到月球，簡化為大致經(jīng)歷“發(fā)射→轉(zhuǎn)移軌道→環(huán)繞與變軌→著陸”4步，把圖2中的部分過程進(jìn)行解構(gòu)并模型化處理，構(gòu)建如圖3所示的過程模型示意圖，以此作為復(fù)習(xí)“大情境”載體，以“發(fā)射→轉(zhuǎn)移軌道→環(huán)繞與變軌→著陸”4步為上課的“情境”主線，通過設(shè)置系列“問題鏈”把相關(guān)的碎片化知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化.

圖3

3.4 分解“子情境”，設(shè)置“問題鏈”

在任務(wù)“大情境”的基礎(chǔ)上，依據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)要求設(shè)計分解“小情境”，圍繞“嫦娥五號探月”核心問題的解決，結(jié)合“小情境”設(shè)計系列“問題鏈”呈現(xiàn)復(fù)習(xí)的內(nèi)容，把研究的核心問題分解為具體問題.將核心問題解構(gòu)為系列“問題鏈”是問題解決的關(guān)鍵能力之一.

3.4.1 子情境1：發(fā)射階段

2020年11月24日4時30分，長征五號遙五運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火升空.已知地面附近的重力加速度為g，地球半徑為R，萬有引力常量為G.

問題1（1）：從地球發(fā)射“奔向”月球的過程中，用h表示“嫦娥五號”與地球表面的距離，F(xiàn)表示它所受的地球引力，能夠描述F隨h變化關(guān)系的圖像是圖4中的

圖4

問題1（2）：假設(shè)在“嫦娥五號”艙內(nèi)有一平臺，平臺上放有測試儀器，儀器對平臺的壓力可通過監(jiān)控裝置傳送到地面.在發(fā)射起始過程中，艙內(nèi)物體處于超重還是失重狀態(tài)？

問題1（4）：我國多次成功使用“冷發(fā)射”技術(shù)發(fā)射運載火箭，如圖5所示，發(fā)射艙內(nèi)的高壓氣體先將火箭豎直向上推出，火箭速度接近0時再點火飛向太空.從火箭開始運動到點火的過程中

圖5

（A）火箭的加速度為0時，動能最大.

（B）高壓氣體釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為火箭的動能.

（C）高壓氣體對火箭推力的沖量等于火箭動量的增加量.

（D）高壓氣體的推力和空氣阻力對火箭做功之和等于火箭動能的增加量.

3.4.2 子情境2：軌道轉(zhuǎn)移階段

2020年11月24日22時06分，嫦娥五號探測器3000 N發(fā)動機(jī)工作約2 s，順利完成第1次軌道修正.11月25日22時06分，嫦娥五號探測器兩臺150 N發(fā)動機(jī)工作6 s，順利完成第2次軌道修正.12月14日，嫦娥五號軌道器和返回器組合體順利完成第1次月地轉(zhuǎn)移軌道修正.

問題2（1）：嫦娥五號飛向P點過程中，嫦娥五號的速度和加速度如何變化？

問題2（2）：嫦娥五號要從P點進(jìn)入環(huán)月段做勻速圓周運動，在P點需要采取什么措施？

3.4.3 子情境3：環(huán)繞與變軌階段

2020年11月28日20時58分，嫦娥五號探測器經(jīng)過約112 h奔月飛行，在距月球表面400 km處成功實施3000 N發(fā)動機(jī)點火，約17 min后，發(fā)動機(jī)正常關(guān)機(jī)，順利進(jìn)入環(huán)月軌道.11月29日20時23分，嫦娥五號探測器在近月點再次“剎車”，從橢圓環(huán)月軌道變?yōu)榻鼒A形環(huán)月軌道.將過程簡化如下：嫦娥五號探測器從地球表面發(fā)射后，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，軌道修正后近月制動變軌進(jìn)入圓形軌道Ⅰ，在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點（遠(yuǎn)月點）時再次變軌進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ，之后將擇機(jī)在Q點（近月點）著陸月球表面.已知嫦娥五號探測器圍繞月球在軌道Ⅰ做勻速圓周運動，月球的半徑為R，探測器的質(zhì)量為m，距月球地表高度為h，運行周期為T，引力常量為G.

問題3（1）：求月球的質(zhì)量和密度.

問題3（2）：月球的第一宇宙速度是多大？

問題3（3）：求探測器在軌道Ⅰ上的向心加速度，角速度、線速度（動能）.

問題4（1）：比較探測器分別經(jīng)過軌道Ⅰ和Ⅱ上同一P點時的速度和加速度大小.

問題4（3）：若PQ＝2QS，則在軌道Ⅰ上由P點到S點的時間與軌道Ⅱ上P點到Q點的時間之比為多少？

3.4.4 子情境4：著陸階段

2020年12月1日22時57分，嫦娥五號著陸器和上升器組合體從距離月球表面約15 km處開始實施動力下降，7500 N變推力發(fā)動機(jī)開機(jī)，逐步將探測器的相對月球速度從約1.7 km／s降為0.期間，嫦娥五號探測器進(jìn)行快速姿態(tài)調(diào)整，逐漸接近月球表面.此后進(jìn)行障礙自動檢測，選定著陸點后，開始避障下降和緩速垂直下降（如圖6所示）.

圖6

問題：“嫦娥五號”登月探測器在月球著陸過程如下，在反推火箭作用下，探測器在距月球表面h處懸停（速度為0，h遠(yuǎn)小于月球半徑），通過對障礙物和坡度進(jìn)行識別，選定相對平坦的區(qū)域后，開始以加速度a垂直加速下降.當(dāng)4條“緩沖腳”觸地時，反推火箭立即停止工作，隨后飛船經(jīng)時間t減速到0，停止在月球表面上，每條“緩沖腳”與地面的夾角為60°，已知探測器總質(zhì)量為m（不包括燃料），地球和月球的半徑比為k1，質(zhì)量比為k2，地球表面附近的重力加速度為g，4條緩沖腳的質(zhì)量不計.求

問題5（1）：月球表面附近的重力加速度大小.

問題5（2）：探測器垂直下降過程中，火箭推力對探測器做了多少功.

問題5（3）：從“緩沖腳”觸地到探測器速度減為0的過程中，每條“緩沖腳”對探測器的沖量大小.

3.4.5 子情境拓展：從月球返回地球階段

“嫦娥五號”探測器在月球安全著陸區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和分析，鉆表取樣等，然后在月球表面起飛，把樣品轉(zhuǎn)移到返回器，之后進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，返回地球.“嫦娥五號”探測器是如何實現(xiàn)上述過程的？請課后查閱資料并撰寫研究報告.

3.5 優(yōu)化物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提升問題解決能力

我國各地高考涉及“萬有引力與航天”模塊的考題多以我國處于世界領(lǐng)先地位的航天作為命題情境，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷和健康的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.“嫦娥五號”探測器“大情境”的復(fù)習(xí)是一種基于實踐的深度學(xué)習(xí)，是將“嫦娥五號”“大情境”解構(gòu)為系列“子情境”的過程模型，通過設(shè)置層進(jìn)式的系列“問題鏈”，如圖7所示，活化具體概念，整合重要概念，并將其提煉和升華，在情境問題解決中形成大概念.將“萬有引力與航天”模塊內(nèi)容中零碎、淺層知識的內(nèi)涵和外延系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，完善優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，有助于將學(xué)生的學(xué)習(xí)應(yīng)用遷移至各種具體情境之中，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng).

圖7

4 基于“大情境”主線的物理復(fù)習(xí)的教學(xué)思考

4.1 物理復(fù)習(xí)教學(xué)中“大情境”呈現(xiàn)的教學(xué)實踐取向

以“大情境”為載體改變教學(xué)實踐取向，凸顯從知識記憶到知識理解，從知識解析到促進(jìn)認(rèn)識轉(zhuǎn)變和發(fā)展，從知識結(jié)論到彰顯知識的功能價值，從“知識為本”向“核心素養(yǎng)為本”轉(zhuǎn)變.物理復(fù)習(xí)教學(xué)中的“大情境”創(chuàng)設(shè)的實踐形式，根據(jù)教學(xué)主題知識模塊內(nèi)容以及教學(xué)課時等維度，主要以“大專題”和“微專題”，以及“單元復(fù)習(xí)”為主.“大專題”和“單元復(fù)習(xí)”的模塊內(nèi)容的融合程度相對較高，系統(tǒng)性較強，所用教學(xué)課時也有不同要求.“微專題”是“大專題”的補充與細(xì)化，教學(xué)課時一般為1－2課時.教學(xué)實踐表明，“微專題”利于精準(zhǔn)實施定點打擊，利于知識的深度加工整合，有助于實現(xiàn)“一課一得”，是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的有效途徑.

4.2 通過“大情境”教學(xué)促進(jìn)“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變

“課標(biāo)2017年版”指出“習(xí)題教學(xué)的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學(xué)生的問題解決能力”.［1］問題解決能力是發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力.“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變需經(jīng)歷知識點掌握→知識的內(nèi)化和理解→知識的應(yīng)用→知識在真實性情境中的靈活與創(chuàng)造性應(yīng)用的進(jìn)階發(fā)展過程.以真實性情境為載體，將知識與實際問題融入有意義的真實情境之中，讓學(xué)生經(jīng)歷問題解決的過程.“把物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維用于分析、解決生產(chǎn)生活中的問題，在問題解決中進(jìn)一步提高探究能力、增強實踐意識、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.”［1］

“大情境”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的載體，基于“大情境”的物理復(fù)習(xí)是教學(xué)實踐中培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要教學(xué)形式之一，其合理性與必要性不言而喻，也更需要一線教師在教學(xué)中不斷實踐與反復(fù)改進(jìn).