沙桂宇,张 勇
(吉林师范大学,吉林 四平 136000)
2017版《高中物理课程标准》中指出:“从生活走向物理,从物理走向世界。”[1]原始物理问题作为从现实生活中直接挖掘出的问题,是物理习题的一种。学生在解决原始物理问题时真正做到了将理论与实际相结合,提高学生解决实际问题的能力。目前我国中学物理教学,教师更加注重将物理概念、物理公式直接教授给学生,学生机械地背诵直接应用在习题中,将物理学成了文科。当学生面对现实生活中的实际问题时常常无处下手,使物理学习与学生的生活脱轨,学生无法将自己在生活中积攒的直接经验转化为间接经验。
所谓原始物理问题,是指自然界及社会生活,生产中客观存在且未被加工的物理问题[2]。它的特点是没有给出明确的题设条件,需要学生自行查找有关方面的知识自行设置已知量和求解未知量。而物理习题则是指从实际问题中经过人为抽象加工出来的物理问题,是一种理想化的经过人为加工后的情境。他们的关系如图1所示[3]。
图1 原始物理问题表征逻辑图
在平时的教学中,学生和教师更多的注意图中虚线框中的演算推导得出正确结论的过程,学生对物理概念、物理规律的直接机械的应用,并没有思考其中内在逻辑。当遇到现实生活中的问题时常束手无策。因此在教学过程中恰当地引入原始物理问题能够帮助学生理解物理学科的本质,培养学生的科学思维。原始物理问题与学生的实际生活紧密相连,日常生活中存在大量生动富有教育意义的生活现象,其中蕴含着丰富的物理知识,而这些有趣的现象不仅能激发学生的学习物理的兴趣又能培养学生的建模能力。将生活中的物理现象引入到物理教学中,形成原始物理问题,使学生丰富的感性认知,学生亲身体验动脑动手,合作探究,自主查阅材料,培养学生举一反三的能力,开阔学生的思路。
综上所诉,笔者认为以原始物理问题的表征理论为指导,对《平抛运动》进行教学设计,使学生在解决原始物理问题的过程中,从而正确理解平抛运动的特点、性质和规律,提高学生解决实际问题的能力。
平抛运动是一种重要的运动,他不仅是曲线运动知识的深化和扩展,更是物理能力的培养与提高。本节课是学生学习运动的一个重要转折点,以往学生接触的都是直线运动,对于本节课曲线运动的处理方法及运动规律比较陌生。平抛运动是典型的匀变速曲线运动,它体现了处理复杂曲线的基本方法——先分解成两个简单的直线运动,再利用上节课所讲的合运动与分运动的性质。引入原始物理问题,在解决问题的过程中帮助学生理解平抛运动的规律及特点。
在课堂教学过程中,恰当地引入原始物理问题,提出能够引起学生思维冲突的问题,吸引学生学习兴趣,激发学生探索的欲望。
本节课的教学设计紧紧围绕原始物理问题展开。
提出原始物理问题——细化原始物理问题——引导学生建立恰当的模型——解决问题——应用并解决新的原始物理问题。
由“扔飞镖”的小游戏导入新课,激发学生的学习兴趣。学生在教师的指导下回顾曲线运动中运动的合成与分解相关的知识。教师提出原始物理问题:飞镖为什么能射中自由落体下落的硬纸板上的靶心。教师通过受力分析、牛顿第二定律、运动的合成与分解得出平抛运动的定义和计算公式。由“柯受良飞跃黄河”这一现实生活中典型的原始物理问题引导学生自己构建平抛运动的模型,自主查找相关资料获得已知条件,利用公式求解原始物理问题。最后,观看云南蝗灾中无人机喷洒农药的视频,提出原始物理问题:农药在空中运动的时间与什么因素有关?农药的落地点与什么因素有关?学生需要自己寻找与解题相关的条件,解决现实生活中的问题,达到学以致用的效果。
3.3.1 新课引入
教师首先进行师生互动小游戏“扔飞镖”。引入新课,启发学生的思考。
问题1:飞镖做什么运动?
设计意图:以“扔飞镖”小游戏导入新课,使学生产生浓厚的学习兴趣,学生会产生跃跃欲试的心态,学生的自主探索欲望很强烈,并恰当的提出问题,引发学生的思考,提高学生自主探究的能力,解决原始物理问题,培养学生的建模思维。
学生直接分析以上现象,具有一定的难度,为此需要建立一个简单的模型,去探究飞镖运动的特点。
3.3.2 平抛运动的特点
“扔飞镖”是在游乐场中较为常见的游戏,教师将学生分成小组进行小游戏,教师简单介绍小游戏的内容,让学生带着问题做游戏:飞镖的运动轨迹是怎样的。
设计方案:让学生课前自主准备飞镖、画有靶心的硬纸板,引导学生做“扔飞镖”的小游戏,使飞镖放于拉伸的橡皮筋上并瞄准靶心,在飞镖射出的同时释放靶心,让硬纸板做自由落体运动,观察实验结果。
问题2:飞镖的初速度是什么方向?
问题3:为什么飞镖能正好击中靶心?
设计意图:教师利用“扔飞镖”小游戏,将现实生活中常见的小游戏与教学联系起来,使学生亲身感受平抛的场景,设计由浅入深的问题引发学生的思维冲突,让学生自主的联系上一节课曲线运动的合成与分解,思考如何将平抛运动进行分解,分解后分运动的特点是怎么样的。利用简单的生活现象启发学生思考。
学生通过小游戏发现初速度方向水平,根据已经学过的受力分析对运动的飞镖进行分析,得出飞镖受到重力和空气阻力的作用,在教师的引导下为了研究方便忽略空气阻力。将平抛运动分为水平方向和竖直方向的两个分运动。
问题4:飞镖在水平方向和竖直方向分别做什么运动?
学生回答:水平方向由于没有外力,则小球在水平方向做匀速直线运动,在竖直方向上由于只受的重力则小球做自由落体运动。
教师因势利导,得出平抛运动的定义、平抛运动的性质,使学生自己建构出平抛运动水平方向和竖直方向的运动学公式。
3.3.3 解决原始物理问题帮助学生巩固平抛运动计算公式
教师用视频展示柯受良飞跃黄河的片段,如图2 再次吸引学生的注意力,让学生利用本节课所学习的平抛运动特点和计算公式进行查阅资料和计算,从而达到学以致用的目的。
图2 飞跃黄河片段图
教师简单介绍背景,44 岁的柯受良决定飞跃黄河为香港回归献上一份厚礼。他经过5 次沿黄河岸边勘察选点,4 次亲临壶口考察,一次次与陕西等有关部门和单位联系,经过3 次试飞。柯受良最终驾驶三菱汽车成功飞跃黄河壶口瀑布,成为华人心中的骄傲。
问题5:请自主调查数据,并估算出柯受良成功飞跃黄河时,跑车与对岸水平面的最低高度(即柯受良安全飞跃的高度差)?
问题6:通过观看视频,先画出情景图,简单的画出大致的轨迹。
学生:通过查阅新闻和观看视频,题目只要求估算柯受良安全飞跃高度差,可以将跑车运动看成近似的平抛运动,所以只需要知道飞跃壶口瀑布的时间即可求出高度。通过调查资料可知:壶口瀑布的宽度大约为55 米(为了安全起见,在计算时可取60 米),汽车可在短时间内加速到150 公里的时速,由此可根据平抛运动在水平方向做匀速直线运动可求出车辆运行时间,进而求出壶口瀑布与对岸的高度差。
教师:车辆起飞时的初速度方向为水平方向,在解题过程中忽略空气阻力和车辆启动所需时间等次要因素,突出主要因素,柯受良飞跃黄河可以近似看成平抛运动。通过物理公式和数学知识即可求解。
设计意图:将原始物理问题引进课堂教学,能够清晰地让学生感受到物理来源于生活、解决生活中的问题,极大的增加了学生学习的兴趣。让学生分析真实的物理问题,能够培养学生的科学思维,有利于将在课堂上所学到的书本知识顺应内化为自己头脑中的知识结构。柯受良飞跃黄河是一个典型的原始物理问题,首先学生必须建立适当的物理模型,了解平抛的性质,通过查阅资料才能得到解决问题的已知条件,再根据平抛运动的公式和数学运算来解决实际生活中的问题。
3.3.4 解决原始物理问题帮助学生巩固平抛规律
通过播放“无人机喷洒农药”视频,教师简单介绍背景。在2020 年6 月份我国云南勐腊等地区蝗灾爆发,由老挝地区飞来的黄脊竹蝗导致万亩农田成灾,在抗灾的过程中,为有效遏制竹蝗的危害,防治人员启用了无人机喷药开展飞防作业,帮助云南尽早走出困境。
问题6:无人机喷药时,需要提前将药喷洒在农田上,大家思考一下喷洒出的农药做什么运动?
学生:通过观看视频和新闻材料,飞机在空中做匀速直线运动,则由飞机喷洒出来的农药的初速度方向也一定是沿水平方向的。农药在空中运动的过程中可以忽略所受的空气阻力这一次要因素,突出农药在空中受到重力这一主要因素。则农药的初速度是水平方向且只受重力的作用,完全符合平抛运动的条件,农药在空中做平抛运动。
问题7:有哪些因素会影响农药的落地时间和落地位置?
学生:农药在空中做平抛运动,则在竖直方向上做自由落体运动,在水平方向上做匀速直线运动。则由,可得到,落地时间仅与竖直高度有关,飞机高度越高,运动时间越长。落地位置即为水平位移,由x=v0t,则,可以得出落地位置与飞机飞行的速度和高度有关。
设计意图:学生通过了解资料,可以对国家时事有所了解,将所学过的知识应用于农业保护中,提高学生解决实际问题的能力。通过教师导入原始物理问题,激发学生的求知欲和好奇欲,引导学生建立平抛模型,学生在教师的指导下根据平抛运动的性质、自己推导水平位移的公式,进而可以知道水平位移受什么因素的影响,这一过程完全是由学生自己推导得出,可以大大加深学生的记忆。
在《平抛运动》一课的传统教学模式中教师往往向学生传授结论性知识,侧重于让学生死记硬背,学生在学习过程中,与现实联系较少,导致在学习过程中常将错误的感性认识带入到学习做题中,这样不利于学生的知识构建。而基于“原始物理问题”下的教学过程,通过教师用语言或者课件创设出情境,将生活中的物理现象呈现出来,把所学物理知识与实际生活现象相结合,让学生动手动脑亲身体会,自主查阅资料数据、观看视频,找到解决问题的已知量,突出主要因素、忽略次要因素建构恰当的物理模型,帮助学生理解所学知识,提高学生的科学思维。