馬永建

【摘 要】本文以“萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，闡述在物理教學(xué)中如何提升物理核心素養(yǎng)：實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)思維、物理觀念、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計(jì)；萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用；物理核心素養(yǎng)

一、設(shè)計(jì)意圖

“萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用”這節(jié)課的內(nèi)容跟生活聯(lián)系不緊密，學(xué)起來(lái)難度比較大。本節(jié)所涉及的知識(shí)點(diǎn)又是生活中常見(jiàn)的圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，從課的類型上來(lái)講，這是一節(jié)理論應(yīng)用課，通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，利用圓周運(yùn)動(dòng)，構(gòu)建出衛(wèi)星繞地飛行的模型，幫助學(xué)生形成正確的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)的思維。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)與技能：能應(yīng)用萬(wàn)有引力定律解決行星繞恒星的運(yùn)動(dòng)及衛(wèi)星繞行星的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，會(huì)計(jì)算天體的質(zhì)量、密度、重力加速度、運(yùn)行速度等；對(duì)衛(wèi)星的發(fā)射要求、運(yùn)行狀態(tài)有一定的了解。

2.過(guò)程與方法：把身邊的圓周運(yùn)動(dòng)類比到天體間運(yùn)動(dòng)中去，熟練掌握萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過(guò)萬(wàn)有引力定律這一橋梁，建立正確的思維模式，提高學(xué)生對(duì)神秘太空的了解。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：1.理解環(huán)繞天體繞中心天體運(yùn)動(dòng)的向心力來(lái)源，環(huán)繞速度怎么得到；

2.怎樣求中心天體的質(zhì)量。

教學(xué)難點(diǎn)：中心天體質(zhì)量的得到。

四、教學(xué)過(guò)程

教師提問(wèn)：回顧一下，行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)可以近似看成是圓周運(yùn)動(dòng)，所需的向心力是由什么力來(lái)充當(dāng)？

學(xué)生回答：由萬(wàn)有引力來(lái)提供向心力。

（一）人造衛(wèi)星上天

1.人造衛(wèi)星是怎樣上天的：

（1）提出問(wèn)題：假如你站在的一棟高樓樓頂，把一個(gè)一塊錢硬幣水平拋出，思考：a.硬幣的水平方向位移跟什么有關(guān)，水平射程跟什么有關(guān)？b.如果硬幣投出去的速度超過(guò)某一個(gè)特定值后，硬幣還會(huì)落到地面嗎？

（2）學(xué)生分組討論，模擬探究，得出各自的答案。

（3）教師在學(xué)生不同答案的基礎(chǔ)上，利用平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，作圖分析，幫助學(xué)生往正確答案靠攏，得到衛(wèi)星或者飛船上天的原理：速度越大，水平距離越遠(yuǎn)，當(dāng)速度超過(guò)某一臨界值時(shí)，就不會(huì)掉在地面上，而是作起了圓周運(yùn)動(dòng)。

（4）教師提問(wèn)：這個(gè)臨界值的速度要怎么得到？

（5）回到書本，閱讀多級(jí)火箭構(gòu)想。

2.第一宇宙速度（環(huán)繞速度）：

作圖解釋概念：近地衛(wèi)星，在地球近地面繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)，軌道半徑可以用地球的半徑替代。

（1）提出問(wèn)題：近地衛(wèi)星要滿足什么條件才會(huì)作圓周運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)掉在地面上？

（2）學(xué)生分組討論，結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)，發(fā)表給自看法。

利用多媒體引導(dǎo)學(xué)生回顧前一章學(xué)過(guò)的“近心運(yùn)動(dòng)”“圓周運(yùn)動(dòng)”和“離心運(yùn)動(dòng)”，從而得出近地衛(wèi)星不脫離軌道的原因mg=F■=F■，

即mg=■=m■。

（3）引導(dǎo)學(xué)生利用■=m■導(dǎo)出第一宇宙速度的計(jì)算式v=■。

（4）引導(dǎo)學(xué)生利用mg=m■導(dǎo)出第一宇宙速度的計(jì)算式v=■。

（5）通過(guò)計(jì)算得到，近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度為7.9km/h，這也就是第一宇宙速度。如果從發(fā)射角度看，這個(gè)速度也是最小的發(fā)射速度，前面提到的硬幣不落回地面的條件就是速度不小于這個(gè)速度。

3.第二、三宇宙速度：把這兩個(gè)速度稍微講一下，不深入研究：

4.例題分析：

假如有一個(gè)密度跟地球一樣的行星，它的半徑為16km，求該行星的第一宇宙速度。（已知地球半徑R=6400km，地球的第一宇宙速度為7.9km/s）

（二）中心天體質(zhì)量的計(jì)算（強(qiáng)調(diào)是中心天體，而不是環(huán)繞天體）

1.測(cè)天體質(zhì)量：

（問(wèn)題1）：如何用月球測(cè)地球的質(zhì)量？

月球繞地球一圈周期T是一個(gè)月左右，如果要利用這個(gè)周期求得地球的質(zhì)量呢？

（學(xué)生回答）：設(shè)月球的質(zhì)量為m，

由F■=F■可得：G■=m（■）■r

地球質(zhì)量為M=■，所以只要再知道月球繞地球的半徑r就可以了。

老師總結(jié)：這是一種已知周期求中心天體質(zhì)量的題型，從中也可以解釋為什么不能求到環(huán)繞天體質(zhì)量的原因，也就是題目中的月球質(zhì)量，解題的基本思路是：F■=F■。

1.1思維遷移，舉一反三

如果題干變成木星上空有一衛(wèi)星，繞木星做圓周運(yùn)動(dòng)，如何求木星質(zhì)量？

（學(xué)生回答）：衛(wèi)星在木星上空繞木星運(yùn)行，跟月球繞地球是一個(gè)道理。

（問(wèn)題2）：如何測(cè)地球的密度？

（學(xué)生回答）：還需要先測(cè)火星本身的半徑R，

則ρ=■=■=■

（問(wèn)題三）：有沒(méi)有更為簡(jiǎn)便的方法呢？

教師引導(dǎo)：由上式可知，當(dāng)R=r，故ρ=■，無(wú)須知道衛(wèi)

星的軌道半徑和木星本身的半徑，只要知道環(huán)繞周期T就可以了。

2.預(yù)測(cè)未知天體：海王星的發(fā)現(xiàn)：

五、基于核心素養(yǎng)提升的教學(xué)設(shè)計(jì)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科的品質(zhì)。發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，不僅強(qiáng)調(diào)對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，更加注重對(duì)學(xué)生自身發(fā)展、合作參與、創(chuàng)新實(shí)踐等能力的培養(yǎng)。

核心素養(yǎng)是一個(gè)概念，在這個(gè)名詞還沒(méi)出現(xiàn)前，我們通常所說(shuō)的提高學(xué)生的素質(zhì)，關(guān)注到學(xué)生本身，培養(yǎng)適合未來(lái)世界的人才，這本身就跟時(shí)下流行的核心素養(yǎng)這個(gè)概念是大同小異的，走什么樣的教育之路來(lái)培養(yǎng)出社會(huì)需要的哪一類別的人才，但現(xiàn)在這個(gè)概念的提出就非常明確的指出，教師應(yīng)該怎么做，做什么，在發(fā)展迅速的時(shí)代里，一個(gè)全面發(fā)展的人是各個(gè)行業(yè)都非?？是蟮臉?biāo)桿人才，我們做的最理想的目標(biāo)當(dāng)然也是這一個(gè)。核心素養(yǎng)是從人、工具、社會(huì)三大方面提出的對(duì)受教育者進(jìn)入社會(huì)所必須的品質(zhì)方面的要求，但是這些整體的要求又必須通過(guò)學(xué)校教育中必要的課程及社會(huì)中的相關(guān)教育來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，物理課程中的核心素養(yǎng)要根據(jù)這些核心素養(yǎng)的要求及物理學(xué)科自身的特點(diǎn)來(lái)確定物理核心素養(yǎng)。

時(shí)下雖然提高了所有教師對(duì)核心素養(yǎng)的關(guān)注，但也突出了現(xiàn)在學(xué)生缺乏物理素養(yǎng)的一個(gè)窘境，怎樣讓學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中提高科學(xué)思維、提高物理素養(yǎng)成了一個(gè)大家都關(guān)注的話題。

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)方面的要素構(gòu)成。

（一）從物理概念到物理觀念

一個(gè)全面發(fā)展的人，他必須對(duì)學(xué)科所涉及的物理概念很清楚，對(duì)物理規(guī)律的本質(zhì)聯(lián)系有科學(xué)的認(rèn)識(shí)，有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和驗(yàn)證的方法，科學(xué)的東西，對(duì)過(guò)程和結(jié)果不容有一絲馬虎。本節(jié)課，在對(duì)萬(wàn)有引力這個(gè)概念認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)環(huán)繞天體繞中心天體運(yùn)動(dòng)，讓萬(wàn)有引力這一定律在學(xué)生腦海里進(jìn)行提煉和升華，從物理的角度出發(fā)，找到天體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系，從身邊的圓周運(yùn)動(dòng)這一經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建出天體運(yùn)動(dòng)的模擬圖景，這是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維內(nèi)化的過(guò)程。

（二）從抽象模型引導(dǎo)學(xué)生思考

物理當(dāng)中的很多模型、建構(gòu)都是很抽象的，生活當(dāng)中很少見(jiàn)到或者是幾乎見(jiàn)不到，那么，這個(gè)時(shí)候教師的引導(dǎo)作用就非常重要，引導(dǎo)的好可以直接幫助學(xué)生理解整個(gè)過(guò)程，形成正確的科學(xué)思維。

（三）科學(xué)的驗(yàn)證，內(nèi)化吸收要點(diǎn)

物理是一門自然學(xué)科，需要大量的論證過(guò)程來(lái)驗(yàn)證相關(guān)的規(guī)律或定理。物理推導(dǎo)的過(guò)程有很多奇妙的思路，如極限法、微積分法、替代法等，體現(xiàn)了教學(xué)大綱中利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的要求。學(xué)生通過(guò)科學(xué)論證來(lái)檢驗(yàn)教材內(nèi)容，最終內(nèi)化相關(guān)知識(shí)。在物理教學(xué)中，教師應(yīng)著力提升學(xué)生的科學(xué)論證能力，充分采用小組合作的形式來(lái)培養(yǎng)其物理科學(xué)思維能力。在小組合作過(guò)程中，學(xué)生能夠通過(guò)交流來(lái)活躍思維，同時(shí)，教師要走下講臺(tái)參與到互動(dòng)活動(dòng)中，讓學(xué)生在問(wèn)題的引領(lǐng)下不斷地橫向和縱向發(fā)散思維，從而培養(yǎng)他們思維的靈活性，提出解決問(wèn)題的辦法并進(jìn)行論證，最終提高其科學(xué)思維水平。

碰到疑問(wèn)時(shí)要敢于提出為什么，課堂不是教師一言堂，要讓學(xué)生想，學(xué)生說(shuō)，學(xué)生問(wèn)，學(xué)生不敢問(wèn)的時(shí)候，要站在學(xué)生的角度上提出可能會(huì)碰到的問(wèn)題，不斷的有為什么，為什么這樣或者那樣，在學(xué)生參與的過(guò)程中，引導(dǎo)他們來(lái)驗(yàn)證結(jié)論或者規(guī)律。像本節(jié)課中求天體質(zhì)量的時(shí)候，為什么就不能求環(huán)繞天體的質(zhì)量，只能是中心天體的質(zhì)量？一步步引導(dǎo)，一步步得到，有層次，有松緊。

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