基于深度學(xué)習(xí)的高中物理習(xí)題教學(xué)探索

摘"要：深度學(xué)習(xí)不僅應(yīng)在新課教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，而且在習(xí)題教學(xué)中也應(yīng)得到貫徹落實(shí)。本文以“萬(wàn)有引力與宇宙航行”一章為例，從變軌運(yùn)動(dòng)、橢圓軌道和地球上物體的圓周運(yùn)動(dòng)入手，結(jié)合橢圓軌道的曲率半徑和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能，進(jìn)行了定量分析，旨在探索深度學(xué)習(xí)在習(xí)題教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；深度學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)；橢圓軌道

1"引言

深度學(xué)習(xí)是指在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過(guò)程。［1］這種學(xué)習(xí)模式下，學(xué)生的求知欲被激活，思維活躍的他們將遵循認(rèn)知的遞進(jìn)規(guī)律，逐步深入探索知識(shí)的本質(zhì)內(nèi)涵，形成嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，建構(gòu)、重塑自己的核心知識(shí)體系。

深度學(xué)習(xí)不僅要體現(xiàn)在課堂的新課教學(xué)中，也要貫徹落實(shí)在習(xí)題的教學(xué)中。物理新課教學(xué)中，教師往往更關(guān)注學(xué)生對(duì)概念的理解和基本原理、規(guī)律的掌握。然而，受限于教學(xué)時(shí)間的緊湊和新知識(shí)難度的遞增，課堂教學(xué)很難系統(tǒng)性地深入展開(kāi)，而習(xí)題教學(xué)則恰好彌補(bǔ)了這一不足，因?yàn)閷?duì)于某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，想知道學(xué)生是否真正理解，只有通過(guò)他們?cè)诰唧w問(wèn)題中的應(yīng)用來(lái)加以檢驗(yàn)。通過(guò)找出學(xué)生在解題過(guò)程中犯的錯(cuò)誤，教師可以引導(dǎo)他們識(shí)別原有理解中的誤區(qū)，再適當(dāng)進(jìn)行拓展，觸發(fā)學(xué)生的深度思考，揭示問(wèn)題的本質(zhì)內(nèi)涵。這樣有助于學(xué)生真正做到對(duì)概念和原理的深層理解。本文以“萬(wàn)有引力與宇宙航行”的習(xí)題教學(xué)為例，探索如何在習(xí)題教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

2"變軌問(wèn)題

例題"如圖所示，衛(wèi)星在P點(diǎn)由橢圓軌道2變軌到靠近火星的圓形軌道1（可認(rèn)為半徑等于火星半徑R）。已知橢圓軌道2上的遠(yuǎn)火點(diǎn)Q到火星表面高度為6R，火星表面重力加速度為g，引力常量為G，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（""）。

A. 火星的平均密度為3g4πGR

B. 衛(wèi)星在軌道2上由Q點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)所用時(shí)間為16πRg

C. 衛(wèi)星在軌道2上運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)時(shí)的速度小于gR7

D. 衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度等于在軌道1上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)時(shí)的加速度

選項(xiàng)C易錯(cuò)點(diǎn)分析：以火星球心到Q點(diǎn)距離7R為半徑，作圓形軌道3，由環(huán)繞速度可知衛(wèi)星在軌道3上的速度大小為gR7，從軌道3變軌到軌道2，衛(wèi)星需要減速，所以衛(wèi)星在軌道2上Q點(diǎn)的速度小于gR7。學(xué)生往往對(duì)環(huán)繞速度GMr理解不夠深刻，以為Q點(diǎn)到火星球心的距離為7R，結(jié)合GM＝gR2求得速度等于gR7，這屬于淺層的記憶結(jié)論。深度學(xué)習(xí)要求學(xué)生知其然，還要知其所以然，即學(xué)生需要了解結(jié)論的推理演繹過(guò)程，從而準(zhǔn)確把握它的適用條件。環(huán)繞速度是指，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量為m的天體在只受質(zhì)量為M的中心天體的萬(wàn)有引力作用下，圍繞該中心天體做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，所具有的線速度。由萬(wàn)有引力提供向心力有GMmr2＝mv2r，可得v＝GMr。而本題涉及的是橢圓軌道，因此上述關(guān)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的環(huán)繞速度結(jié)論并不適用。

在找出原因后，深度學(xué)習(xí)模式鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中勤于總結(jié)與反思，以鞏固學(xué)習(xí)成果。教師引導(dǎo)學(xué)生去思考：這個(gè)結(jié)論在我們常見(jiàn)的哪些情形中是不適用的？經(jīng)過(guò)師生共同討論，得出了高中階段常見(jiàn)的三種不適用情形。一是，軌跡為橢圓的系統(tǒng)；二是，軌跡為圓但中心天體也在動(dòng)的系統(tǒng)，比如雙星系統(tǒng)就不適用；三是，雖然中心天體不動(dòng)，軌跡也是圓，但存在不只一個(gè)萬(wàn)有引力的系統(tǒng)，比如拉格朗日點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)梳理和回顧，概念在學(xué)生腦海中得以對(duì)比和鞏固。

深度拓展：學(xué)生的思維還可以再深入一些，比如讓學(xué)生思考衛(wèi)星在軌道2上Q點(diǎn)的速度有定值嗎？在“萬(wàn)有引力與宇宙航行”這章的學(xué)習(xí)中，圓周運(yùn)動(dòng)的線速度大小是能定量計(jì)算的，但對(duì)于橢圓運(yùn)動(dòng)受限于高中數(shù)學(xué)知識(shí)，其線速度大小很多時(shí)候都是定性描述的。此時(shí)教師可以進(jìn)行補(bǔ)充，以幫助學(xué)生更深入地理解這兩種運(yùn)動(dòng)在線速度計(jì)算上的不同之處。橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程示意圖如圖1所示，由橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程x2a2＋y2b2＝1，根據(jù)曲率半徑的公式ρ＝（1＋y′2）32｜y″｜，可求出橢圓長(zhǎng)軸端點(diǎn)處的曲率半徑為ρ＝b2a。［2］由題意知半長(zhǎng)軸a＝6R＋2R2＝4R，焦距c＝a－R＝3R，半短軸b＝a2－c2＝7R，在Q點(diǎn)有動(dòng)力學(xué)方程GMmr2＝mv2ρ，代入r＝7R和ρ＝b2a＝74R，可得衛(wèi)星在軌道2上Q點(diǎn)的速度大小v＝GMρr2＝GM28R＜GM7R。

在圓周運(yùn)動(dòng)中的曲率半徑概念已在數(shù)學(xué)教材中有所提及，平時(shí)習(xí)題中也會(huì)經(jīng)常遇到。介紹橢圓特殊點(diǎn)的曲率半徑表達(dá)式，可以幫助學(xué)生在解決變軌問(wèn)題時(shí)，實(shí)現(xiàn)從定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)變，從而更深入地理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)。對(duì)于例1中選項(xiàng)D，教師要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)牛頓第二定律去分析，指出不管在哪個(gè)軌道上，只要是同一點(diǎn)，所受火星引力的大小便是相等的，故加速度的大小也是相等的。學(xué)生可能出現(xiàn)的疑惑在于，如果根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式a＝v2r分析，衛(wèi)星在軌道2上P點(diǎn)的速度大小大于其在軌道1上P點(diǎn)的速度大小，為什么不是衛(wèi)星在軌道2上P點(diǎn)的加速度大呢？有了橢圓的曲率半徑后，就可以定量比較。衛(wèi)星在軌道1的線速度v1＝GMR，故在P點(diǎn)的加速度a1P＝v21R＝GMR2，衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能E僅與橢圓軌道的半長(zhǎng)軸a相關(guān)，即E＝－GMm2a。［3］可由機(jī)械能守恒12mv22P－GMmR＝－GMm2a，解出衛(wèi)星在軌道2上P點(diǎn)的線速度v2P＝2GM1R－12a＝7GM4R，代入可得a2P＝v22Pρ＝GMR2，所以a1P＝a2P。

3"地球上的物體和近地衛(wèi)星

例題"如圖所示，a為地球赤道上的物體，隨地球表面一起轉(zhuǎn)動(dòng)，b為近地軌道衛(wèi)星（軌道半徑可認(rèn)為等于地球半徑），c為同步軌道衛(wèi)星，d為高空探測(cè)衛(wèi)星。若a、b、c、d繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，且均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。則（""）。

A. a、b、c、d中，a的加速度最大

B. a、b、c、d中，a的線速度最大

C. a、b、c、d中，d的周期最大

D. a、b、c、d中，d的角速度最大

易錯(cuò)點(diǎn)1

混淆地球上物體和近地衛(wèi)星。這兩個(gè)物體都在做軌道半徑等于地球半徑R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，a為地上物體，b為天上物體，但它們所需的向心力差別很大，所以兩者在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的差別極為懸殊。地球上物體做圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為GMmaR2－mag赤＝maaa，可得aa＝GMR2－g赤；而對(duì)于近地衛(wèi)星，有GMmbR2＝mbab，可得ab＝GMR2，可知aa＜ab。b、c、d可以用衛(wèi)星環(huán)繞規(guī)律，通過(guò)比較半徑大小得出b的加速度最大。其他物理量同理可知，線速度、角速度b最大，周期d最大。當(dāng)然，我們還可以將a、c角速度相同作為解題切入點(diǎn)，即用相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式先比較a、c的相關(guān)物理量，再與b、d的相關(guān)物理量比較。地球上的物體，其向心力只是由萬(wàn)有引力的一個(gè)分力來(lái)提供，因此不能根據(jù)軌道半徑大小，比較a與b、c、d的線速度等物理量。

深度拓展：上面的分析是基于表達(dá)式得出的結(jié)果。對(duì)于各物理量大小的比較，我們還可以通過(guò)計(jì)算出具體的數(shù)值讓學(xué)生去直觀感受。為方便計(jì)算，取地球半徑R＝6371km，地球質(zhì)量M＝5.965×1024kg，自轉(zhuǎn)周期T＝24h，引力重量G＝6.67×10－11N·m2/kg2，地球上物體的向心加速度aa＝2πT2R≈0.0337m/s2，線速度va＝2πRT≈463m/s，而近地衛(wèi)星加速度ab＝GMR2≈9.802m/s2，線速度vb＝GMR≈7.9×103m/s，周期Tb＝2πR3GM≈1.4h，由此可以更直觀地比較a、b的運(yùn)動(dòng)差異。

易錯(cuò)點(diǎn)2

開(kāi)普勒第三定律適用條件不清楚。b、c、d軌道的運(yùn)動(dòng)都遵循開(kāi)普勒第三定律，地球上物體看起來(lái)也在做以地球?yàn)橹行牡膱A周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)定律也適用嗎？對(duì)于衛(wèi)星軌道有GMmr2＝m2πT2r，可得r3T2＝GM4π2，r3T2只與中心天體質(zhì)量相關(guān)，而對(duì)于地球上的物體則有GMmR2－mg赤＝m2πT2R，R3T2＝GM－g赤R24π2，可見(jiàn)地球上物體的運(yùn)動(dòng)并不遵循開(kāi)普勒第三定律。

深度拓展：在變軌問(wèn)題中，有時(shí)候會(huì)有橢圓軌道的周期計(jì)算，在高中知識(shí)范圍內(nèi)，我們還無(wú)法列出動(dòng)力學(xué)方程求解，因此只能去找另一條圓軌道，用開(kāi)普勒第三定律進(jìn)行求解。學(xué)生從上述的圓軌道可以自行推導(dǎo)出結(jié)論，但受限于數(shù)學(xué)知識(shí)，無(wú)法理解橢圓軌道為何也遵循開(kāi)普勒第三定律。對(duì)此我們可以做如下推導(dǎo)，由開(kāi)普勒第二定律可知，橢圓軌道上各處衛(wèi)星在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等（見(jiàn)圖2），我們選長(zhǎng)軸左端點(diǎn)A求解，取極短時(shí)間dt，陰影部分面積dS＝12rAdl，橢圓面積速度dSdt＝12rAdldt＝12rAvA，其中rA為A點(diǎn)到左焦點(diǎn)的距離，A點(diǎn)的曲率半徑ρA＝b2a，對(duì)A點(diǎn)列動(dòng)力學(xué)方程有GMmr2A＝mv2AρA，聯(lián)立解得dSdt＝12GMρA＝b2GMa。橢圓面積S＝πab，故橢圓周期T＝

SdtdS＝2πa3GM，得出a3T2＝GM4π2，因此同一中心天體的橢圓軌道和圓軌道都遵循開(kāi)普勒第三定律。橢圓曲率半徑和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能是輔助補(bǔ)充內(nèi)容，學(xué)生了解即可，此時(shí)不需深究，也不妨礙學(xué)生對(duì)整體內(nèi)容的理解。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的推理過(guò)程，學(xué)生能夠了解其來(lái)龍去脈，不再只是機(jī)械地記憶，而是從根本上理解這些概念。

4"結(jié)束語(yǔ)

習(xí)題教學(xué)是新課教學(xué)的延續(xù)，是反饋學(xué)習(xí)成果的有效方式。時(shí)下，學(xué)生仍存在只注重刷題數(shù)量，而不看重刷題質(zhì)量的現(xiàn)象，這樣耗費(fèi)了大量時(shí)間，換來(lái)的卻是更多迷惑。立足于深度學(xué)習(xí)的習(xí)題教學(xué)，不僅僅是解答習(xí)題自身的知識(shí)點(diǎn)，更重要的是在學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和探索精神，幫助他們從繁重的作業(yè)負(fù)擔(dān)中解脫出來(lái)，用正確的方式進(jìn)行高效學(xué)習(xí)。這種教學(xué)旨在使學(xué)生從學(xué)習(xí)知識(shí)過(guò)渡到能夠處理其他多種問(wèn)題，形成伴隨終身學(xué)習(xí)的必備素養(yǎng)，這也是教育的根本任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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［3］程稼夫.中學(xué)奧林匹克競(jìng)賽物理教程.力學(xué)篇（第2版）［M］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2013：310.

基金項(xiàng)目：本文系安徽省教育科學(xué)研究項(xiàng)目2019年度立項(xiàng)課題“基于核心素養(yǎng)的高中物理深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：JK19088）的研究成果。