基于真實(shí)問題指向素養(yǎng)培育的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”為例

齊國元

(浙江省杭州第四中學(xué) 浙江 杭州 310018)

1 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生分析

從知識(shí)結(jié)構(gòu)上看，學(xué)生已經(jīng)具有受力分析、牛頓運(yùn)動(dòng)定律以及圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，具備從動(dòng)力學(xué)研究生活中圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)儲(chǔ)備.“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”是學(xué)生所學(xué)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的具體應(yīng)用，課堂教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生充分經(jīng)歷實(shí)際問題解決的基本程序：問題呈現(xiàn)—提出方案—推理論證，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展和素養(yǎng)的形成[1].

從認(rèn)知結(jié)構(gòu)上看，高一的學(xué)生具有大量生活中圓周運(yùn)動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)，但缺少理性分析生活中圓周運(yùn)動(dòng)的經(jīng)歷.本課題的教學(xué)核心目標(biāo)是讓學(xué)生從物理視角看生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，利用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題，讓學(xué)生從物理學(xué)角度理性認(rèn)識(shí)生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)世界的觀察從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)知的升華[2].

2 任務(wù)分解

任務(wù)1：圓周運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件的研究.

任務(wù)2：基于真實(shí)數(shù)據(jù)推理論證賽道中的汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)是否會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)(離心運(yùn)動(dòng)的條件).

任務(wù)3：為了防止賽道中的汽車做離心運(yùn)動(dòng)提出具體的方案并論證其可行性.

任務(wù)4：生活中豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)問題處理.

3 教學(xué)活動(dòng)

任務(wù)1：圓周運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件的研究.

復(fù)習(xí)問題：該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生理解向心力在圓周運(yùn)動(dòng)中的作用，建立圓周運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件的物理觀念.問題如表1所示.

表1 圓周運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件研究中的問題與素養(yǎng)目標(biāo)

教學(xué)建議：

(1)思維引導(dǎo)建議.“圓周運(yùn)動(dòng)合外力不一定指向圓心”是學(xué)生思維上的一個(gè)難點(diǎn)[3]，建議教師在教學(xué)過程中通過力與速度的示意圖來分析勻速圓周運(yùn)動(dòng)和變速圓周運(yùn)動(dòng)中，力與速度的關(guān)系.

(2)教學(xué)活動(dòng)建議.該任務(wù)中的問題學(xué)生基本能解決，建議教學(xué)中讓學(xué)生評(píng)價(jià)學(xué)生的回答，以加深學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)力學(xué)條件的理解.

任務(wù)2：基于真實(shí)數(shù)據(jù)推理論證賽道中的汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)是否會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)(離心運(yùn)動(dòng)的條件).

問題情境：該環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)際問題的能力，通過模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的培育.

如圖1所示為一水平賽車跑道的俯視圖(不計(jì)路面的寬度)，賽道由兩條直道(AB,CD)和一個(gè)半圓賽道(BC)構(gòu)成.一賽車(可視為質(zhì)點(diǎn))沿賽道從A處經(jīng)B,C到達(dá)D處.

圖1 賽車跑道俯視圖

要求：在最短的時(shí)間走完賽道，如果你是賽車手你會(huì)怎么操控賽車？(問題如表2)

表2 操控賽車運(yùn)動(dòng)的問題與素養(yǎng)目標(biāo)

教學(xué)建議：

(1)思維引導(dǎo)建議.學(xué)生對(duì)離心運(yùn)動(dòng)有感性的認(rèn)識(shí)，但缺乏物理視角下理性的認(rèn)知，建議教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)據(jù)來表達(dá)自己的想法和結(jié)論.通過問題的解決提煉出解決實(shí)際問題的一般模式：真實(shí)情景—模型建構(gòu)—推理論證—得出結(jié)論.

(2)教學(xué)活動(dòng)建議.該教學(xué)環(huán)節(jié)是本課題教學(xué)的重點(diǎn)，建議教師要給予學(xué)生充足的時(shí)間來自己完成，把學(xué)生在處理實(shí)際問題中的困難充分地暴露出來.

任務(wù)3：為了防止賽道中的汽車做離心運(yùn)動(dòng)提出具體的方案并論證其可行性.

問題呈現(xiàn)：該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生直面真實(shí)問題，基于所學(xué)的物理知識(shí)提出可行性方案，并加以論證說明，提升學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，問題如表3所示.

表3 防止賽道中的汽車做離心運(yùn)動(dòng)分析中的問題與素養(yǎng)目標(biāo)

教學(xué)建議：

(1)思維引導(dǎo)建議.這是一個(gè)培育學(xué)生科學(xué)思維的好案例，建議教師按照：模型構(gòu)建—科學(xué)推理—科學(xué)論證—質(zhì)疑創(chuàng)新的思維路線開展教學(xué).

(2)教學(xué)活動(dòng)建議.學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)這個(gè)問題有話可說，建議教師對(duì)于問題(1)和問題(2)在教學(xué)中讓學(xué)生大膽地提出自己的方案，并讓學(xué)生對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行評(píng)價(jià).問題(3)和問題(4)要讓學(xué)生把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型，經(jīng)歷實(shí)際問題處理的過程.

任務(wù)4：生活中豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)問題處理.

問題情境：本環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為所學(xué)物理模型的能力，突出模型建構(gòu)的過程.

如圖2為一拱形橋，一汽車正駛過拱形橋，若汽車要安全通過橋面，則在最高點(diǎn)汽車運(yùn)行速度是大一點(diǎn)好還是小一點(diǎn)好？問題如表4所示.

表4 汽車安全駛過拱形橋分析中的問題與素養(yǎng)目標(biāo)

圖2 汽車駛過拱形橋

教學(xué)建議：

(1)思維引導(dǎo)建議.引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)際生活中的生活語言轉(zhuǎn)化成物理術(shù)語，這是解決實(shí)際問題的一個(gè)重要環(huán)節(jié).建議教師做好一般曲線運(yùn)動(dòng)到圓周運(yùn)動(dòng)模型建立的鋪墊，通過橋的半徑不斷變大直到地球半徑,培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的遷移能力，為后續(xù)萬有引力的學(xué)習(xí)做好鋪墊.

(2)教學(xué)活動(dòng)建議.豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)是生活中非常常見的物理模型，若教學(xué)時(shí)間允許可以增加“汽車過凹橋”“水流星”等模型,讓學(xué)生自主分析，以培養(yǎng)其對(duì)實(shí)際問題的分析解決能力.