創(chuàng)設(shè)有效問(wèn)題情境，構(gòu)建高效智慧課堂——以人教版“豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)”為例

●施堅(jiān)

教學(xué)中有效的物理問(wèn)題情境，是指能夠激起學(xué)生的探究欲望，并能促使他們運(yùn)用已有知識(shí)，通過(guò)質(zhì)疑、分析或推理，去主動(dòng)建構(gòu)新知識(shí)的物理問(wèn)題情境。 從具體操作層面來(lái)看，有效問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)要把握好以下四個(gè)特性：目的性，針對(duì)性，可行性，生成性。

在人教版必修2《豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)》中數(shù)學(xué)，筆者進(jìn)行“創(chuàng)設(shè)有效問(wèn)題情境，構(gòu)建高效智慧課堂”的嘗試。

一、聯(lián)系生活，創(chuàng)設(shè)導(dǎo)入情境

生活中蘊(yùn)藏著豐富的物理學(xué)知識(shí)，一旦教師將生活中的物理教育資源與書本上的物理學(xué)理論知識(shí)融通起來(lái)創(chuàng)設(shè)物理情境，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)他們探求新知的渴望，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣陡然增加。

比如，在本課中，教師演示“水流星”實(shí)驗(yàn)引入課題：

將透明水流星杯子和細(xì)繩出示給學(xué)生看，倒入紅墨水，演示若傾倒杯子紅墨水流出，但若快速在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，紅墨水始終未曾流出。請(qǐng)學(xué)生注意觀察現(xiàn)象，并暗示學(xué)生來(lái)挑戰(zhàn)這個(gè)水流星實(shí)驗(yàn)，向不敢挑戰(zhàn)的學(xué)生提問(wèn)。

教師：你擔(dān)心什么？

學(xué)生：擔(dān)心水會(huì)流出來(lái)。

教師：水會(huì)在哪里流出來(lái)？

學(xué)生：最高點(diǎn)。

教師：在最高點(diǎn)水真的會(huì)流出來(lái)嗎？

教師再請(qǐng)學(xué)生表演水流星，引導(dǎo)學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)水沒(méi)有流出。

教師：這節(jié)課研究豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，找到水不會(huì)在最高點(diǎn)流出來(lái)的條件。

這樣引入，運(yùn)用了學(xué)生感興趣的生活事例，通過(guò)巧妙地提問(wèn)，化平常為驚奇，把深刻的物理問(wèn)題自然地引出。

二、重視知識(shí)，創(chuàng)設(shè)求知情境

物理學(xué)中的知識(shí)都具有重要的價(jià)值和意義，它們提出或發(fā)現(xiàn)往往都具有一定的現(xiàn)實(shí)背景，可能是為了描述或解釋某些物理現(xiàn)象，也可能是為了研究或解決某一物理問(wèn)題。

比如，本課中，教師由淺入深，設(shè)置拱形橋和凹形橋兩類典型模型創(chuàng)設(shè)求知情境，完成本節(jié)課的知識(shí)深入的前期鋪墊。

教師：大家知道哪些豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：過(guò)山車、摩天輪、蕩秋千、汽車拱形過(guò)橋等。

教師圖片展示生活中豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)。

教師： 我們先研究豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)的一部分——汽車拱形過(guò)橋。

播放汽車快速通過(guò)拱形高坡脫離坡面釀成車禍的視屏（滲透安全教育）。

教師利用課件展示問(wèn)題1：如圖1 所示，若已知質(zhì)量為m 的汽車以速度v 通過(guò)拱形橋最高點(diǎn)，拱形橋的半徑為R，試求此時(shí)汽車對(duì)橋的壓力的表達(dá)式。

請(qǐng)學(xué)生推導(dǎo)壓力的表達(dá)式，并把壓力與汽車的重力比較，得出汽車處于失重狀態(tài)，當(dāng)速度增大時(shí)，對(duì)橋的壓力減小，當(dāng)速度時(shí)，對(duì)橋的壓力為零，汽車處于完全失重狀態(tài)，當(dāng)速度時(shí)，重力不足以提供向心力，汽車做離心運(yùn)動(dòng)，很容易釀成車禍，讓學(xué)生體會(huì)到安全過(guò)橋時(shí)速度不能過(guò)大。

教師：如果把地球看成是巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球的半徑R（約為6400km）。根據(jù)上面的分析，汽車速度越大，它對(duì)地面的壓力就越小。 當(dāng)壓力為零時(shí)，這時(shí)駕駛員與座椅之間的壓力是多少？

學(xué)生：壓力為零，駕駛員處于完全失重狀態(tài)。

教師：駕駛員軀體各部分之間的壓力是多少？他這是有什么感覺(jué)？

學(xué)生：感覺(jué)漂浮在空中。

教師播放宇航員王亞平空中授課的視屏， 適當(dāng)解說(shuō)不僅是宇航員， 其實(shí)航天器內(nèi)各個(gè)物體都處于完全失重狀態(tài)（為下一章《萬(wàn)有引力與航天》的學(xué)習(xí)打下埋下伏筆）。

教師：接著我們來(lái)研究汽車過(guò)凹形橋。凹形橋又叫“過(guò)水路面”，公路在通過(guò)小型水庫(kù)泄洪閘的下游時(shí)常常修建凹形橋。

教師利用課件展示問(wèn)題2：如圖2 所示，若已知質(zhì)量為m 的汽車以速度v 通過(guò)凹形橋最低點(diǎn)，拱形橋的半徑為R，試求此時(shí)汽車對(duì)橋的壓力的表達(dá)式。

請(qǐng)學(xué)生推導(dǎo)壓力的表達(dá)式，并把壓力與汽車的重力比較，得出汽車處于超重狀態(tài)，當(dāng)速度增大時(shí)，對(duì)橋的壓力越大。

教師：下面學(xué)習(xí)完整的豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)——過(guò)山車。

這樣一種結(jié)合生活情境的探究式教學(xué)既符合了“知識(shí)的必要性”，又鍛煉了學(xué)生的思維，敦促學(xué)生建構(gòu)了有意義的新知識(shí)，符合物理學(xué)科知識(shí)發(fā)展的要求，也遵循了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

三、基于實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)探究情境

生動(dòng)活潑、內(nèi)涵豐富的物理實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)設(shè)探究情境、激發(fā)學(xué)生智慧的不二選擇。

比如，本課中，教師提出過(guò)山車模型的名詞后首先播放了游樂(lè)場(chǎng)過(guò)山車視頻， 繼而用5 個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)深入探究過(guò)山車模型所含物理知識(shí)和規(guī)律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示。

用小球從斜軌某高處由靜止釋放模擬過(guò)山車，在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)前用課件展示問(wèn)題3：實(shí)驗(yàn)中，小球的釋放高度是否影響它完成豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)？ 問(wèn)題4：實(shí)驗(yàn)中，若小球未完成豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)，你認(rèn)為圓周上最難通過(guò)的位置在哪里？

讓學(xué)生小組內(nèi)代表回答上面的兩個(gè)問(wèn)題。

學(xué)生：只有當(dāng)小球從足夠的高處下落，小球才能完成豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)，否則小球會(huì)掉下來(lái)，脫離軌道，最難通過(guò)的位置是最高點(diǎn)。教師用課件展示小球在光滑圓環(huán)內(nèi)側(cè)做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖4 所示。提出問(wèn)題5：若欲使質(zhì)量，m 的小球完成半徑為R 的豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)，起始位置是否為2R 高處，為什么？ 問(wèn)題6：試分析得出小球通過(guò)最高點(diǎn)的最小速度vmin可以為0？ 若vmin≠0，具體有何特征，請(qǐng)用相關(guān)物理量表達(dá)。

教師引導(dǎo)學(xué)生理論分析，得出：

由此得出小球能過(guò)最高點(diǎn)條件：v≥vmin或軌道對(duì)小球的作用力FN≥0，即

教師做演示實(shí)驗(yàn)（裝置如圖5 所示），從實(shí)驗(yàn)來(lái)探究小球能過(guò)最高點(diǎn)的速度條件，其中小球剛好過(guò)圓周最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軌道釋放位置由前置實(shí)驗(yàn)中的學(xué)生找出，并利用光電傳感器測(cè)出小球通過(guò)最高點(diǎn)的時(shí)間t，用游標(biāo)卡尺測(cè)出小球的直徑d，則速度（該速度公式可在蘇威爾軟件中編輯，d 用具體數(shù)據(jù)代入，t 直接由傳感器測(cè)得并顯示，從而在軟件頁(yè)面直接顯示速度實(shí)際值。 如圖6）

而在測(cè)最高點(diǎn)臨界速度的理論值時(shí)，首先需測(cè)量圓周軌道內(nèi)徑D，并在excel 軟件中完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得錄入，結(jié)合公式直接得到理論值（如圖 7）。

探究的理論值和實(shí)際值在誤差范圍內(nèi)非常接近，學(xué)生不斷在實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)中，感受物理規(guī)律和邏輯推理挑戰(zhàn)。將看似索然無(wú)趣的知識(shí)結(jié)論，轉(zhuǎn)變成引人入勝的探究過(guò)程，激活了學(xué)生靈動(dòng)的思維。正所謂，教的是思維，收獲的是智慧。

教師：光滑圓環(huán)限定了小球的軌道，如果用長(zhǎng)為L(zhǎng) 的細(xì)繩拉著小球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)， 是不是在最高點(diǎn)也需要達(dá)到一定的臨界速度？

教師請(qǐng)學(xué)生上來(lái)用手指甩動(dòng)繩球模型， 并要求學(xué)生當(dāng)小球速度比較小時(shí)， 注意觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況。 是否可以加以理論推導(dǎo)？

教師提示： 過(guò)山車模型與繩球模型的受力特征不僅在最高點(diǎn)相似， 在最低點(diǎn)和其他位置也完全相同，得出的規(guī)律可以相互借鑒。教師要求學(xué)生再次演示并體會(huì)在球速較小時(shí)小球?qū)κ种咐Φ淖兓?，?qǐng)猜想或判斷拉力的最小點(diǎn)和最大點(diǎn)在何處？

學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察判斷拉力的最小點(diǎn)在最高點(diǎn)，拉力的最大點(diǎn)在最低處。

為了讓學(xué)生真切地感受拉力的兩個(gè)最值點(diǎn)，教師再次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論推導(dǎo)來(lái)創(chuàng)設(shè)探究情境。

教師做演示實(shí)驗(yàn)（裝置如圖8 所示），為了便于觀察，教師把細(xì)繩替換為伸縮性比較明顯的橡皮筋，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，小球明顯離地面有20-30 cm 的距離，當(dāng)把細(xì)繩拉至水平在釋放小球，可以很清晰地看到小球在最低點(diǎn)時(shí)把繩子拉得很長(zhǎng)，幾乎貼地而過(guò)，甚至可以聽(tīng)到和地面的摩擦聲。此時(shí)，學(xué)生得到了充分的感性認(rèn)知，拉力的最大點(diǎn)在最低處。 教師在此并沒(méi)有得過(guò)且過(guò)，而是提醒學(xué)生，該模型其實(shí)已經(jīng)不是嚴(yán)格意義上的圓周運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閳A周半徑已經(jīng)變化， 但實(shí)驗(yàn)很好地體現(xiàn)了最低點(diǎn)拉力達(dá)到最大值，但這只停留在感性層面。

教師做演示實(shí)驗(yàn)（裝置如圖9 所示），將過(guò)山車軌道與拉力傳感器改裝后連為一體，當(dāng)小球在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器定量地顯示了小球在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)與軌道間的彈力。

整個(gè)流程，學(xué)生感性和理性認(rèn)知都得到了深化，感受了物理學(xué)用數(shù)據(jù)說(shuō)話的嚴(yán)謹(jǐn)。

四、學(xué)生參與，創(chuàng)設(shè)生成情境

現(xiàn)代課堂教學(xué)的價(jià)值取向是探究與生成并重，生成的課堂體現(xiàn)的是教師的主導(dǎo)作用、學(xué)生的主體地位，體現(xiàn)的是新課程理念下的教學(xué)觀。

比如，本課中，教師提出桿球模型（如圖10 所示）：即將桿與小球固定，拉著小球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，教師用課件展示問(wèn)題7：實(shí)驗(yàn)中，你認(rèn)為小球通過(guò)豎直面內(nèi)圓周最高點(diǎn)時(shí)最小速度vmin是多少？ 并提醒學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)注意：剛開(kāi)始用力使小球快速地在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后，然后手不動(dòng)，讓鋼絲帶動(dòng)小球自由轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察小球最后一次通過(guò)最高點(diǎn)的現(xiàn)象。

各小組學(xué)生代表回答。

學(xué)生代表1：小球通過(guò)豎直面內(nèi)圓周最高點(diǎn)最小速度應(yīng)該為零。

學(xué)生代表2：最高點(diǎn)最小速度有時(shí)為零，有時(shí)好像不為零。

學(xué)生代表3：小球最后一次通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)速度趨向零。

學(xué)生代表4：通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)速度就是零。

…

教師面對(duì)學(xué)生似乎統(tǒng)一而又不統(tǒng)一的答案：“應(yīng)該”、“好像”、“趨向”、“就是”，是灌輸給學(xué)生“小球通過(guò)豎直面內(nèi)圓周最高點(diǎn)時(shí)最小速度的確是零”，還是教師用實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)證明“最小速度的確是零”？ 教師選擇的是后者，親自把實(shí)驗(yàn)演示了一遍，發(fā)現(xiàn)在速度幾乎為零時(shí)，都能完成通過(guò)圓周最高點(diǎn)。

教師提出問(wèn)題8：實(shí)驗(yàn)中，你認(rèn)為桿球模型與繩球模型中小球通過(guò)圓周最高點(diǎn)時(shí)最小速度的不同的本質(zhì)原因何在？

學(xué)生：因?yàn)槔K在最高點(diǎn)只能對(duì)小球產(chǎn)生拉力，而桿在最高點(diǎn)時(shí)對(duì)小球可以產(chǎn)生拉力， 也可以產(chǎn)生支持力。

教師提出問(wèn)題9：如圖11 所示，已知輕桿長(zhǎng)為L(zhǎng)，小球質(zhì)量為m，請(qǐng)結(jié)合力學(xué)知識(shí)分析小球通過(guò)圓周最高點(diǎn)時(shí)桿對(duì)球的作用力與通過(guò)速度v 之間的關(guān)系表達(dá)式。

有了前面過(guò)山車、繩球模型的鋪墊，桿球模型力與速度間關(guān)系的理論推導(dǎo)完全放開(kāi)，即有學(xué)生上臺(tái)板演。

至此，桿球模型的探究學(xué)習(xí)告一段落，但學(xué)生對(duì)這一模型的印象和理解是深刻的，因?yàn)橛辛怂麄儏⑴c的身影，有他們自己內(nèi)化生成了相關(guān)知識(shí)和規(guī)律。

五、激活知識(shí)，創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境

在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)有效的物理應(yīng)用情境，激活知識(shí)，使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決生活、社會(huì)、科技中的實(shí)際問(wèn)題，感受學(xué)習(xí)知識(shí)的必要性。

比如，本課中的管球模型的展開(kāi)，教師就是讓學(xué)生類比桿球模型來(lái)獲取。

教師：如果讓小球在光滑的豎直圓管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如圖12 所示，與桿球模型比較，小球在受力和運(yùn)動(dòng)上有共同點(diǎn)嗎？

學(xué)生：因?yàn)樾∏蛟诠艿赖撞恳欢〝D壓外軌，在管道頂部可能擠壓外軌，也可能擠壓內(nèi)軌，甚至不擠壓內(nèi)外軌，故完全可類比桿球模型，即當(dāng)時(shí)，小球與內(nèi)關(guān)壁閉擠壓受到向上的彈力；當(dāng)時(shí)，與管壁無(wú)彈力；當(dāng)時(shí)，小球與外管壁擠壓受到向下的彈力。

到此，本節(jié)課所呈現(xiàn)的6 個(gè)模型均已講解，為了檢驗(yàn)本節(jié)課學(xué)生實(shí)際收獲， 教師用課件展示問(wèn)題10：學(xué)習(xí)了本節(jié)課，你能否解釋“水流星”表演中杯在最高點(diǎn)杯口朝下而水不流出的原因嗎？

學(xué)生：因?yàn)樗谧罡唿c(diǎn)時(shí)速度杯底對(duì)水的彈力和重力提供向心力，水當(dāng)然不會(huì)流出來(lái)。

通過(guò)這樣一個(gè)習(xí)題情境，使學(xué)生體會(huì)到，物理知識(shí)在日常生活中有著實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用價(jià)值。

筆者認(rèn)為問(wèn)題情境教學(xué)的過(guò)程本身就是學(xué)生思維發(fā)展的過(guò)程，教學(xué)過(guò)程和問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)首先要符合教材知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)也應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知水平、思維習(xí)慣和思維方法，通過(guò)有效的問(wèn)題情境教學(xué)使學(xué)生的知識(shí)水平和思維能力真正得到提高和發(fā)展。