田序海

摘 要：習(xí)題課是物理課堂教學(xué)的主要課型之一。基于“物理是用來(lái)解決問(wèn)題的，而不只是用來(lái)做練習(xí)題的”的理念，以“復(fù)興號(hào)”為物理情景設(shè)計(jì)的習(xí)題課意在關(guān)注物理和現(xiàn)實(shí)生活的緊密聯(lián)系，形成從生活情境到物理情境、從現(xiàn)實(shí)物體到物理模型、從實(shí)際過(guò)程到理想過(guò)程，然后再進(jìn)行問(wèn)題解決的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：物理情景；習(xí)題教學(xué)；核心素養(yǎng)；定律應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）3-0001-3

【理念思路】 《牛頓第二定律的應(yīng)用》這節(jié)課是學(xué)生學(xué)習(xí)了勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律后的綜合應(yīng)用課，是習(xí)題課課型。牛頓運(yùn)動(dòng)定律揭示了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，奠定了物理學(xué)和工程學(xué)的理論基礎(chǔ)。從教學(xué)理念意義看，教學(xué)設(shè)計(jì)要參考現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的物理情境和問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力。對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括，抓主要矛盾和核心問(wèn)題構(gòu)建物理模型，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。從實(shí)踐和應(yīng)用意義來(lái)看，這節(jié)課作為一節(jié)習(xí)題課，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的積極性，展示物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的鮮明特點(diǎn)?；谝陨蟽牲c(diǎn)，教學(xué)過(guò)程要運(yùn)用真實(shí)物理情境所提供的證據(jù)或數(shù)據(jù)對(duì)研究問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)，達(dá)到提升學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力的目的；在教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)上，重視培養(yǎng)學(xué)生基于模型和證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理以及運(yùn)用物理規(guī)律解決生活中真實(shí)物理情境和問(wèn)題的能力。同時(shí)，要培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)從不同角度思考問(wèn)題，質(zhì)疑創(chuàng)新，全面細(xì)致地解決真實(shí)的生活情境和問(wèn)題的能力，那么在教學(xué)流程設(shè)計(jì)上，教師就應(yīng)擁有通過(guò)生活情境到物理情境，先建立物理模型，選擇典型物理過(guò)程，再進(jìn)行問(wèn)題解決的思維流程。

【社會(huì)背景】 2017年我國(guó)有很多科技項(xiàng)目取得了重大的突破：天舟合體、航母下水、大飛機(jī)首飛、高鐵疾馳、殲20服役、量子技術(shù)、天文衛(wèi)星“慧眼”升空等。這一年，中國(guó)人真正感受到了中國(guó)創(chuàng)造的力量。所以，這節(jié)習(xí)題課的生活情境可選的素材有很多。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，感受我們國(guó)家的飛速發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和歸屬感，本文選擇了高鐵這個(gè)極具代表性又符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的例子?！皬?fù)興號(hào)”和西成高鐵，從物理情景來(lái)說(shuō)，一個(gè)是水平面運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是斜面運(yùn)動(dòng)，代表了動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的兩個(gè)最常見(jiàn)的物理情景。從學(xué)科德育教育層面來(lái)看，一個(gè)是最快的，體現(xiàn)了中國(guó)人民的聰明才智和先進(jìn)技術(shù)；一個(gè)是最險(xiǎn)的，體現(xiàn)了中國(guó)人民勤勞勇敢和不畏艱險(xiǎn)的精神。同時(shí)，兩列列車(chē)都是前不久剛開(kāi)通的，具有德育教育的時(shí)效性。以《牛頓第二定律的應(yīng)用》為例，以“復(fù)興號(hào)”為物理情景設(shè)計(jì)的習(xí)題課，嘗試提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

【生活情境】 圖1為“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組，“復(fù)興號(hào)”是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的中文命名。“標(biāo)準(zhǔn)”，意味著今后所有高鐵列車(chē)，只要是具有與“復(fù)興號(hào)”相同速度等級(jí)的列車(chē)，都能連掛運(yùn)營(yíng)、互聯(lián)互通，具有不同速度等級(jí)的列車(chē)也能相互救援。以動(dòng)車(chē)組的動(dòng)力分配為例，“復(fù)興號(hào)”統(tǒng)一為4動(dòng)4拖，不管是4、8節(jié)，還是12、16節(jié)編組，都可以自由組合。2017年6月26日11時(shí)05分，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兩列中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組“復(fù)興號(hào)”，在京滬高鐵兩端的北京南站和上海虹橋站雙向發(fā)車(chē)成功?！皬?fù)興號(hào)”正常運(yùn)營(yíng)時(shí)速為350 km/h，實(shí)驗(yàn)時(shí)速可達(dá)400 km/h，成為目前世界上跑得最快的運(yùn)營(yíng)列車(chē)，也是全球高鐵發(fā)展的里程碑。

從生活情境到物理情境，要對(duì)研究對(duì)象、研究過(guò)程進(jìn)行理想化處理。選定特定的物理過(guò)程，抓主要矛盾和核心問(wèn)題構(gòu)建理想的物理模型。以“復(fù)興號(hào)”作為習(xí)題的背景，研究“復(fù)興號(hào)”在水平面上加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的受力和運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了從力到運(yùn)動(dòng)和從運(yùn)動(dòng)到力兩個(gè)方面的分析判斷，使學(xué)生全面認(rèn)識(shí)到“復(fù)興號(hào)”力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

【物理情境】 “復(fù)興號(hào)”共8節(jié)車(chē)廂，每節(jié)車(chē)廂質(zhì)量為18 t，動(dòng)車(chē)組的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)包括牽引電機(jī)、牽引變流器和輔助變流器，是動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，被稱(chēng)為“動(dòng)車(chē)之心”。第2、4、5、7節(jié)車(chē)廂為動(dòng)力車(chē)箱，每節(jié)動(dòng)力車(chē)廂攜帶4臺(tái)牽引電機(jī)，每臺(tái)牽引電機(jī)能提供1.1875×104 N的牽引力，第1、3、6、8節(jié)車(chē)廂為拖車(chē)箱，沒(méi)有動(dòng)力。同時(shí)，“復(fù)興號(hào)”列車(chē)比既有的和諧號(hào)CRH380系列（350 km/h速度級(jí)）人均百公里能耗下降17%左右，有效減少了持續(xù)運(yùn)行的能量消耗。假設(shè)每節(jié)車(chē)廂受到的阻力平均為1.25×103 N，且將“復(fù)興號(hào)”從靜止加速到最大速度360 km/h的出站過(guò)程看成在水平面上的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

【提出問(wèn)題】 （1）“復(fù)興號(hào)”從開(kāi)始啟動(dòng)加速到最大速度的時(shí)間有多長(zhǎng)？（2）第7節(jié)和第8節(jié)車(chē)廂間的相互作用力有多大？第6節(jié)和第7節(jié)車(chē)廂間的相互作用力有多大？對(duì)此你有何推論，有何啟發(fā)？（3）如果“復(fù)興號(hào)”從開(kāi)始啟動(dòng)加速到最大速度的時(shí)間加倍，車(chē)廂受到的阻力不變，則牽引力如何變化？

【問(wèn)題探究】 物理過(guò)程：“復(fù)興號(hào)”從開(kāi)始啟動(dòng)加速到最大速度360 km/h的出站過(guò)程看成在水平面上的勻加速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程。建構(gòu)模型：出站過(guò)程，8節(jié)車(chē)廂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一樣，既可以把8節(jié)車(chē)廂作為質(zhì)點(diǎn)研究，也可以任選幾節(jié)車(chē)廂作為質(zhì)點(diǎn)研究。數(shù)據(jù)證據(jù)：每節(jié)車(chē)廂質(zhì)量為18 t，每臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)提供1.1875×104 N的牽引力，每節(jié)車(chē)廂受到的阻力平均為1.25×103 N，最大速度為360 km/h等?？茖W(xué)推理：8節(jié)車(chē)廂受恒力作用做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，每節(jié)車(chē)廂加速度一樣，受力恒定。問(wèn)題解決：從力到運(yùn)動(dòng)和從運(yùn)動(dòng)到力，運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析具體問(wèn)題。

（1）選擇整列火車(chē)為研究對(duì)象，如圖2所示，根據(jù)牛頓第二定律，可知

（2）選擇第8節(jié)車(chē)廂為研究對(duì)象，如圖3所示，根據(jù)牛頓第二定律，可知

第6、7節(jié)車(chē)廂間的相互作用力有多大？選擇7、8節(jié)車(chē)廂為研究對(duì)象，根據(jù)牛頓第二定律，可知

【素養(yǎng)提升】 第6、7節(jié)車(chē)廂間的相互作用力出乎意料是0。進(jìn)一步思考2、3節(jié)或4、5節(jié)車(chē)廂呢？答案也是0，這是巧合嗎？將來(lái)12、16節(jié)編組車(chē)廂的受力特點(diǎn)呢？這是設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新智慧。所以，“復(fù)興號(hào)”是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組，今后所有高鐵列車(chē)，只要是具有相同速度等級(jí)的車(chē)，都能連掛運(yùn)營(yíng)，互聯(lián)互通，足見(jiàn)其中創(chuàng)造的高明之處，而這些高明的創(chuàng)作的基本原理就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律。

【規(guī)律總結(jié)】 從“復(fù)興號(hào)”這個(gè)具體運(yùn)動(dòng)歸納出解決動(dòng)力學(xué)的兩類(lèi)問(wèn)題，完成了從實(shí)踐到理論的升華。一方面讓學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)高鐵加速的相關(guān)數(shù)據(jù)，另一方面總結(jié)研究勻變速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方法，如圖4所示。用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題的步驟：選定物理過(guò)程，確定研究對(duì)象，建立物理模型；分析受力情況和運(yùn)動(dòng)情況，畫(huà)示意圖（受力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程）；用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式列方程求解。

【教學(xué)流程】 問(wèn)題創(chuàng)設(shè)情景，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)。圖5為該教學(xué)流程的示意圖。以討論和解決有價(jià)值的問(wèn)題為核心任務(wù)，充分發(fā)揮創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境的作用，營(yíng)造學(xué)生主動(dòng)參與的課堂教學(xué)環(huán)境，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式促進(jìn)師生、生生之間的互動(dòng)和交流。密切聯(lián)系生活實(shí)際，全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的積極性，使教學(xué)活動(dòng)得以真正發(fā)生。本文選擇了西成高鐵在斜面上的運(yùn)動(dòng)為例，增加了物體受力分析和運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)用的難度。

【鞏固練習(xí)】 CRH3A型和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組是西成高鐵的主力軍，如圖6所示，它牽引力較普通動(dòng)車(chē)組大，可以保證動(dòng)車(chē)組在20‰的坡道上靜止和啟動(dòng)不溜車(chē)，實(shí)現(xiàn)坡停、坡啟。早年建成的寶成鐵路，是靠?jī)蓚€(gè)機(jī)車(chē)一前一后同時(shí)使勁，才能穿越蜀道、翻越秦嶺。CRH3A列車(chē)從清涼山隧道開(kāi)始一路上坡，采用大坡度穿越秦嶺，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里。 如果有一段坡度為25‰的橋面，坡道直接落差為1 000 m，我們假設(shè)列車(chē)從坡底由靜止開(kāi)始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)1 000 s到達(dá)坡頂。已知列車(chē)總質(zhì)量為200 t，受到的阻力為1.34×105 N，求：列車(chē)到達(dá)坡頂?shù)乃俣扔卸啻?？列?chē)爬坡時(shí)需要多大的牽引力。

【教學(xué)悟道】 “物理是用來(lái)解決問(wèn)題的，而不只是用來(lái)做練習(xí)題的”?；谔嵘诵乃仞B(yǎng)的習(xí)題教學(xué)要突出物理與現(xiàn)實(shí)生活及科技發(fā)展的聯(lián)系，教學(xué)內(nèi)容要涉及對(duì)必備知識(shí)的深入理解、關(guān)鍵能力的強(qiáng)化訓(xùn)練、學(xué)科素養(yǎng)的綜合提升、核心價(jià)值的入腦入心。選題注重基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、時(shí)代性和創(chuàng)新性，強(qiáng)調(diào)應(yīng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題并在解決問(wèn)題的過(guò)程中形成方法策略，凸顯學(xué)科本色和課改特色。通過(guò)運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解題，對(duì)學(xué)生而言，一個(gè)好的習(xí)題就是一個(gè)好的科學(xué)問(wèn)題，猶如一個(gè)科學(xué)問(wèn)題對(duì)于科學(xué)家而言，就是一道習(xí)題一樣。要全面展現(xiàn)物理學(xué)科的內(nèi)涵：物理是一門(mén)科學(xué)，物理是一種智慧，物理是一種文化。

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