史建新 傅美歡 劉勇文 騫朋波

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)公共基礎(chǔ)課部 江蘇 南京 210023)

大學(xué)物理課程在本科教學(xué)計劃中是一門重要的公共基礎(chǔ)理論課， 從后續(xù)專業(yè)課程的需要和學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)及實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)等要求來確定大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容體系以及人才培養(yǎng)目標(biāo)． 本次課選自大學(xué)物理課程中的剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量和角動量守恒定律，學(xué)生利用云班課開展課前準(zhǔn)備、課內(nèi)學(xué)習(xí)、課后拓展以及在線互動交流等自主學(xué)習(xí)活動．教材在介紹剛體的角動量的定義時較為抽象，學(xué)生難以理解，故在課程教學(xué)中采用課堂演示、體驗、探究和問題導(dǎo)向、分組討論等教學(xué)方法，讓學(xué)生在課堂上自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題．借助信息化教學(xué)輔助工具，將抽象的物理概念和理論形象、直觀地進行展示，突破教學(xué)重點和難點，實現(xiàn)“學(xué)生做中學(xué)、教師做中教”，提升教學(xué)效果．

1 學(xué)情分析和授課形式

1.1 學(xué)情分析

授課對象為本科一年級學(xué)生，已具備一定的高中物理、高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，但學(xué)生數(shù)學(xué)和物理的基礎(chǔ)不扎實，對于抽象的物理概念的理解以及接受能力不是太強．

1.2 授課形式

課堂教學(xué)主要采用講授法、討論法、多媒體教學(xué)法、實驗探究法、釋疑法等．

第一，由于本節(jié)知識點比較抽象，按照傳統(tǒng)課堂的講授法進行教學(xué)，學(xué)生難以理解并失去興趣． 采用多媒體教學(xué)，通過動畫和視頻等教學(xué)資源的展示，不僅可以提高課堂效果，還可以進一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性．

第二，講解角動量守恒定律時，通過設(shè)置問題激發(fā)學(xué)生的求知欲，再通過播放動畫、視頻結(jié)合課堂演示實驗，學(xué)生分組討論并發(fā)現(xiàn)問題、探究問題和解決問題，重視知識形成的過程，讓學(xué)生逐步從感性認識上升到理性認識來理解并掌握剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量和角動量守恒定律．

第三，問題貫穿始終，提出問題并解答問題的過程就是學(xué)習(xí)的過程． 釋疑解惑法加深學(xué)生對新知識的理解和掌握[1]．

第四，利用“云班課”進行課堂實時在線答題，檢驗當(dāng)堂學(xué)習(xí)的效果，把問題解決在課堂中而不留到課后．

2 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)包括3個方面，分別為知識目標(biāo)、技能目標(biāo)以及素養(yǎng)目標(biāo)，多角度、多層次提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)．

2.1 知識目標(biāo)

掌握剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量的定義；通過演示、探究來體驗剛體的角動量守恒定律，明確角動量守恒的條件．

2.2 技能目標(biāo)

運用剛體角動量守恒定律解釋相關(guān)的實際應(yīng)用和生活現(xiàn)象問題．

2.3 素養(yǎng)目標(biāo)

通過情景模擬和團隊協(xié)作培養(yǎng)學(xué)生類比學(xué)習(xí)的能力和觀察、分析解決問題的能力，增強學(xué)生進行實踐探索規(guī)律的意識；通過參與探究活動，培養(yǎng)學(xué)生由淺入深地分析問題、解決問題的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神．

3 教學(xué)設(shè)計思路

3.1 課前

課前布置預(yù)習(xí)任務(wù)，日常生活中哪些現(xiàn)象涉及剛體的定軸轉(zhuǎn)動？剛體轉(zhuǎn)動過程中的角動量反映剛體的何種狀態(tài)？引導(dǎo)學(xué)生思考如跳臺跳水運動員起跳的高度決定著什么？起跳后為什么要迅速團緊身體？入水前為什么需要打開身體？這樣將平動和轉(zhuǎn)動兩個問題都包含在內(nèi)了，借助平動與轉(zhuǎn)動的對稱，引入轉(zhuǎn)動問題可能學(xué)生容易理解一些．學(xué)生帶著3個問題查閱相關(guān)的資料，觀看文字、圖片、視頻等教學(xué)資源，進行知識的自主學(xué)習(xí)，帶著預(yù)習(xí)的問題以及搜集到的素材和資料進入課堂學(xué)習(xí)．

3.2 課中

課中采用基于云班課等信息化教學(xué)手段支持的課堂教學(xué)模式，通過演示、探究、討論、總結(jié)開展課堂學(xué)習(xí)，在整個課堂中充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位．將兩個學(xué)時的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為課題引入、分組討論、探究演示、拓展應(yīng)用及總結(jié)評價等5個教學(xué)環(huán)節(jié)．

3.2.1 課題引入

剛體繞定軸的力矩和角動量都是對軸而言的，在第二章質(zhì)點力學(xué)中力矩和角動量都是對固定點而言的．質(zhì)點繞固定點的角動量反映質(zhì)點繞固定點的轉(zhuǎn)動狀態(tài)．作為特殊的質(zhì)點系統(tǒng)，剛體繞定軸轉(zhuǎn)動可看成質(zhì)點系統(tǒng)繞軸的轉(zhuǎn)動．利用微積分思想引導(dǎo)學(xué)生分析剛體與質(zhì)點之間的關(guān)聯(lián)，探究剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量[2～4]．

3.2.2 分組討論

任務(wù)一：分組討論角動量守恒的不同情況，通過理解角動量守恒的不同情況，鞏固學(xué)生對角動量定義以及角動量守恒定律的理解，從而突破本次課的教學(xué)重難點．

任務(wù)二：如何解釋旋轉(zhuǎn)椅、冰舞運動員旋轉(zhuǎn)過程中身體形態(tài)的變化造成轉(zhuǎn)速的變化．借助多媒體動畫、教學(xué)演示儀器和視頻，進行類比和總結(jié)，并利用角動量和角動量守恒定律解釋通過生活中常見的生活現(xiàn)象，從而讓學(xué)生掌握角動量的定義以及角動量守恒定律．

任務(wù)三：行星繞太陽運行過程中其角動量是否守恒？運用物體系統(tǒng)的角動量守恒解釋行星繞太陽運行過程中的角動量守恒情況．

3.2.3 演示探究

通過課堂演示旋轉(zhuǎn)椅的奧秘、冰舞運動員身體姿態(tài)的變化造成轉(zhuǎn)速的變化等，通過探究、演示等方式讓學(xué)生體驗角動量守恒定律．探究過程教師起到引導(dǎo)作用，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下探究角動量守恒的奧秘，探究過程力求循序漸進、逐步深入和形象生動．

3.2.4 拓展應(yīng)用

為培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)及實際應(yīng)用的能力，觀看直升飛機模型和直升飛機失事視頻，探究直升飛機尾旋翼的作用．學(xué)生進行分組討論，并以小組為單位陳述每一小組的觀點．

3.2.5 總結(jié)評價

課堂教學(xué)過程中，利用云班課進行實時的測驗．學(xué)生在完成以上任務(wù)的學(xué)習(xí)后，教師根據(jù)系統(tǒng)的評價及時了解全班學(xué)生學(xué)習(xí)的情況，同時也能了解每個學(xué)生在每個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況，從而克服了傳統(tǒng)教學(xué)中評價滯后性以及學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)難以保存等問題．

3.3 課后

通過云班課開設(shè)大學(xué)物理學(xué)習(xí)答疑區(qū)，發(fā)布課后作業(yè)，實現(xiàn)同學(xué)之間云班課作業(yè)的互評，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率．

4 教學(xué)過程實施

4.1 第一環(huán)節(jié)：了解剛體的定義以及剛體定軸轉(zhuǎn)動(時長約5 min)

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧課前布置的預(yù)習(xí)任務(wù)，如圖1所示，列舉日常生活中平動和轉(zhuǎn)動的例子，如翻空心筋斗、跳臺跳水、花樣滑冰等．引導(dǎo)學(xué)生思考并分組討論，如跳臺跳水運動員起跳的高度決定著什么？起跳后為什么迅速團緊身體？入水前為什么需要打開身體？另外，回顧剛體的定義、剛體的定軸轉(zhuǎn)動以及剛體定軸轉(zhuǎn)動重要的物理量，即剛體的轉(zhuǎn)動慣量．

介紹教學(xué)內(nèi)容背景資料，引導(dǎo)學(xué)生回顧思考，評價學(xué)生課前任務(wù)完成情況． 通過云班課課堂測試掌握學(xué)生對于剛體定軸轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)動慣量概念的理解．通過課前布置的3個問題結(jié)合學(xué)生討論情況加以解答，結(jié)合云班課的測試結(jié)果進行點評，同時引導(dǎo)學(xué)生使用課程網(wǎng)絡(luò)資源進行自主學(xué)習(xí)．

圖1 日常生活中的平動和轉(zhuǎn)動

4.2 第二環(huán)節(jié)：利用微積分思想探究剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量(時長約10 min)

微積分思想貫穿大學(xué)物理課程的整個學(xué)習(xí)過程．引導(dǎo)學(xué)生分析問題，如何將剛體與單個質(zhì)點建立起聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生通過微積分思想探究剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角動量．作為特殊的質(zhì)點系統(tǒng)，剛體繞定軸轉(zhuǎn)動可看成質(zhì)點系統(tǒng)繞固定軸的轉(zhuǎn)動．如圖2所示，利用高等數(shù)學(xué)中的微積分思想或方法，將整個剛體微分割成多個(質(zhì)量離散分布)或無數(shù)個(質(zhì)量連續(xù)分布)質(zhì)量元，先計算每個質(zhì)量元圍繞固定軸轉(zhuǎn)動的角動量，再通過積分得到整個剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動的角動量．

圖2 剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量

剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角動量描述的是剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動狀態(tài)．關(guān)于剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角動量的理解，可以引導(dǎo)學(xué)生將剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角動量與質(zhì)點運動的動量進行類比，加深學(xué)生對抽象概念的理解．

4.3 第三環(huán)節(jié)：剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理(時長約5 min)

利用高等數(shù)學(xué)中物理量隨時間的變化率可以通過將該物理量對時間求導(dǎo)數(shù)來表示．剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理反映剛體定軸轉(zhuǎn)動時角動量隨時間的變化率，即等于剛體所受的合外力的力矩．

引導(dǎo)思考:剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量如果隨時間發(fā)生變化，即變化率與剛體的哪些因素有關(guān)？

學(xué)生反饋：通過質(zhì)點系的角動量定理分析剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量隨時間的變化規(guī)律[5]．

教師反饋：肯定學(xué)生的正確回答，并給予鼓勵．剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理可描述為

(1)

補充說明：剛體的角動量定理是剛體轉(zhuǎn)動的普遍表達式，若物體不是剛體，則當(dāng)它繞軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動慣量可能發(fā)生變化，但剛體的角動量定理仍然成立．

定軸轉(zhuǎn)動的剛體的角動量定理(剛體的轉(zhuǎn)動慣量保持不變)

(2)

定軸轉(zhuǎn)動的非剛體的角動量定理(非剛體的轉(zhuǎn)動慣量可變)

(3)

4.4 第四環(huán)節(jié)：探究剛體定軸轉(zhuǎn)動角動量守恒定律并討論角動量守恒的不同情況(時長約12 min)

探究剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量守恒定律，明確角動量守恒的條件． 結(jié)合課堂演示、體驗、探究等方式，分組討論角動量守恒的不同情況[6～8]，如圖3所示．通過提問學(xué)生來進行總結(jié)，并利用云班課進行課堂測試，檢驗學(xué)生對于角動量守恒定律的理解程度．

第一，分組討論角動量守恒的不同情況，邀請學(xué)生分組討論并參與探究、演示實驗，并分析角動量守恒定律的不同情況，如圖3所示．

第二，邀請學(xué)生上講臺共同完成旋轉(zhuǎn)椅的演示和體驗，如圖4(a)所示，并提問旋轉(zhuǎn)椅角速度變化的原因．

第三，播放冰舞視頻，感受冰舞運動的美，并提問冰舞運動員原地旋轉(zhuǎn)過程中角速度變化的原因，如圖4(b)所示，讓學(xué)生分組討論并總結(jié)非剛體角動量守恒的規(guī)律．

第四，關(guān)于物體系統(tǒng)角動量守恒定律，首先啟發(fā)學(xué)生思考行星繞太陽運行過程中角動量是否守恒，并提問學(xué)生．完成云班課課堂測試，教師根據(jù)測試結(jié)果進行點評和總結(jié)．

如圖4所示，利用課堂演示、探究、體驗以及討論等方式開展教學(xué)，將抽象的物理概念形象、生動地展現(xiàn)在課堂中，加深學(xué)生對于角動量以及角動量守恒定義的理解，從而突破本課的重點，同時也彌補了傳統(tǒng)教學(xué)資源單調(diào)、有限等不足之處． 另外，角動量守恒定律是物理學(xué)中的基本守恒定律之一，讓學(xué)生總結(jié)物理學(xué)中學(xué)過的所有守恒定律，感受自然之美，領(lǐng)略物理之美．

4.5 第五環(huán)節(jié)：剛體定軸轉(zhuǎn)動角動量守恒定律的應(yīng)用——直升飛機(時長約6 min)

第一，創(chuàng)設(shè)情境，啟發(fā)思考．當(dāng)直升機主旋翼順時針轉(zhuǎn)時關(guān)閉尾旋翼，此時大家會發(fā)現(xiàn)飛機會原地反方向打轉(zhuǎn)．直升機為了保持機身平衡，如何做到機身防旋？讓學(xué)生進行分組討論．

第二，課堂演示，分組討論． 如圖5所示，課堂中演示直升機模型，探究直升機尾旋翼的作用，讓學(xué)生進行分組討論．

第三，發(fā)布云班課課堂測試題． 直升機的尾部裝有一繞水平軸旋轉(zhuǎn)的尾旋翼，它的作用是什么？根據(jù)學(xué)生手機作答情況進行點評．直升機尾旋翼的作用主要是為了平衡主旋翼產(chǎn)生的力矩，尾旋翼就必須或推或拉，從而產(chǎn)生順時針方向的推力，以抵消主旋翼的反扭力，起到平衡的作用．云班課課堂測試考查學(xué)生對于剛體角動量守恒定律的理解．

第四，學(xué)生反饋． 在該環(huán)節(jié)中，無論是情境創(chuàng)設(shè)，還是課堂演示，以至課堂訓(xùn)練，都要根據(jù)學(xué)生的回答進行點評，并給予鼓勵．樹立學(xué)生的參與意識、主體意識.

5 總結(jié)評價與教學(xué)反饋

5.1 教學(xué)效果總結(jié)與評價

本次課圍繞剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量以及角動量守恒定律，以問題為主線，以學(xué)生自我探究學(xué)習(xí)為主體組織教學(xué)，應(yīng)用信息化教學(xué)手段以及課堂演示實驗，突破教學(xué)的重難點，實現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)． 應(yīng)用動畫、視頻等教學(xué)資源使抽象的物理概念更加直觀和形象，使學(xué)生對抽象物理量的理解能力明顯提高．

在信息化教學(xué)環(huán)境下教學(xué)效果明顯提高． 學(xué)生利用云班課開展課前準(zhǔn)備、課內(nèi)學(xué)習(xí)、課后拓展以及在線互動交流等自主學(xué)習(xí)活動． 采用課堂演示、探究、體驗和問題導(dǎo)向、分組討論等教學(xué)方法，讓學(xué)生在課堂上發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，遵循“學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”的教育教學(xué)理念，將抽象的物理概念和理論形象、直觀地進行展示，實現(xiàn)“學(xué)生做中學(xué)、教師做中教”，提高了教學(xué)效果．

5.2 教學(xué)特色總結(jié)與評價

借助現(xiàn)代信息技術(shù)，將課堂教學(xué)延伸至網(wǎng)絡(luò)多媒體課件，采用云班課發(fā)布課前預(yù)習(xí)任務(wù)、課中實時測試以及課后作業(yè)，幫助學(xué)生在課外實現(xiàn)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、及時與教師進行交流，對課程進行反饋，充分保證教學(xué)課堂的開放性、自主性，教學(xué)效果明顯提高．

教材在介紹剛體的角動量的定義時較為抽象，學(xué)生難以理解，故在課程教學(xué)中通過課堂探究、演示、體驗等教學(xué)資源進行直觀展示．培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式、持續(xù)學(xué)習(xí)及實際應(yīng)用的能力[9,10]．

改革評價方式，構(gòu)建多元評價體系．構(gòu)建課前、課中、課后教學(xué)相結(jié)合，教師、學(xué)生共參與的實時、多元評價體系，科學(xué)、合理地評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果．

5.3 教學(xué)反思

依托云班課在線測試系統(tǒng)，實現(xiàn)學(xué)生課前準(zhǔn)備、課中實施和課后拓展的整合．在信息化環(huán)境下，綜合采用多種資源，合理組織教學(xué)．通過教學(xué)實踐，我們深刻感受到信息化教學(xué)使得學(xué)生的學(xué)習(xí)更積極，效率更高，并較好地實現(xiàn)了過程性多元評價．學(xué)生真正成為了學(xué)習(xí)主體，對知識的理解能力得到了穩(wěn)步提升．在今后的教學(xué)中要更加充分地結(jié)合信息技術(shù)、信息化手段和信息化資源，加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．