周 玲

(上海市建平中學(xué)，上海 200135)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出了發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中應(yīng)重視情境的創(chuàng)設(shè)，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。教師應(yīng)該以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中引領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法分析、解決問(wèn)題，提升思維品質(zhì)，領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)，形成物理觀念，發(fā)展核心素養(yǎng)。

筆者在“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”復(fù)習(xí)中以山東艦載機(jī)起降為背景，以縮短艦載機(jī)起降跑道長(zhǎng)度的問(wèn)題串聯(lián)整個(gè)單元，引導(dǎo)學(xué)生從生活到物理，再?gòu)奈锢碜呦蛏鐣?huì)，體會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給軍事帶來(lái)的影響，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷。

2 教學(xué)的主要流程

“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”復(fù)習(xí)的主要教學(xué)流程如圖1所示。

圖1

2.1 情境引入，導(dǎo)入主題

情境1：利用視頻展示艦載機(jī)在“山東號(hào)”航母上起降訓(xùn)練的場(chǎng)景。

2020年12月17日，“山東號(hào)”完成了最大架次的艦載機(jī)起降任務(wù)。艦載機(jī)起降事故在航母甲板事故中占絕大比重，因此航母甲板也被稱(chēng)為世界上最危險(xiǎn)的機(jī)場(chǎng)。航母上的跑道寬為29米，長(zhǎng)不到200米，艦載機(jī)的降落是最困難、也是事故率最高的環(huán)節(jié)，被譽(yù)為“刀尖上的舞蹈”。

問(wèn)題1：我國(guó)是世界上第3個(gè)擁有雙航母編隊(duì)的國(guó)家，航母對(duì)于強(qiáng)國(guó)強(qiáng)軍的意義重大。讓我們一起從物理學(xué)視角來(lái)探討，可以通過(guò)哪些方法讓艦載機(jī)在這么短的跑道上實(shí)現(xiàn)安全降落？

設(shè)計(jì)意圖：(1) 將物理融入學(xué)生熟悉的生產(chǎn)、生活、軍事情境之中，易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下從實(shí)際情境出發(fā)，經(jīng)歷簡(jiǎn)化、抽象，建構(gòu)模型，在問(wèn)題解決過(guò)程中提升科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。(2) 將艦載機(jī)在我國(guó)自主建造的航母上起降的情境貫穿于整個(gè)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的復(fù)習(xí)過(guò)程。(3) 問(wèn)題引導(dǎo)語(yǔ)中“我國(guó)是世界上第3個(gè)擁有雙航母編隊(duì)的國(guó)家”，寥寥數(shù)語(yǔ)自然地激發(fā)了學(xué)生的民族自豪感，育德于無(wú)形?；谝曨l介紹“刀尖上的舞蹈”，提出“安全降落”的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注艦載機(jī)飛行員的生命安全，在從物理學(xué)角度解決問(wèn)題的過(guò)程中，讓學(xué)生有為祖國(guó)的強(qiáng)盛貢獻(xiàn)自己的力量的“代入感”，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。

2.2 引導(dǎo)建模，復(fù)習(xí)舊知

導(dǎo)入：安全降落涉及的問(wèn)題十分復(fù)雜，艦載機(jī)的整個(gè)降落過(guò)程要受到天氣、氣流等影響，運(yùn)動(dòng)情況也相當(dāng)復(fù)雜，雖然以我們高中所學(xué)的物理知識(shí)還不可能完全解決，但可通過(guò)突出主要因素，忽略次要因素，建構(gòu)物理模型來(lái)解決問(wèn)題。

問(wèn)題2：若航母靜止在海面上，艦載機(jī)著艦時(shí)速度v=70 m/s，著艦后的運(yùn)動(dòng)可看成勻減速直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)艦載機(jī)著艦后受到的阻力大小恒為f=5.0×104N，它的質(zhì)量m=2.0×104kg。求艦載機(jī)滑行的距離為多少？

設(shè)計(jì)意圖：從情境過(guò)渡到具體的問(wèn)題，體驗(yàn)物理建模的過(guò)程，提升學(xué)生建模的科學(xué)思維能力。問(wèn)題解決會(huì)涉及受力分析、選擇恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，應(yīng)用牛頓第二定律，達(dá)成復(fù)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律主干知識(shí)的目標(biāo)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)艦載機(jī)滑行的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)航母的總長(zhǎng)度，呈現(xiàn)這一矛盾，一方面讓學(xué)生體會(huì)到理論與實(shí)際之間的距離，另一方面進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生的思考，過(guò)渡到問(wèn)題3。

問(wèn)題3：航母跑道并沒(méi)有理論計(jì)算的這么長(zhǎng)，采用什么方法可以縮短艦載機(jī)降落時(shí)運(yùn)動(dòng)的距離？

有學(xué)生指出：航母上有阻攔索。

追問(wèn)：航母上設(shè)計(jì)了4道阻攔索，那么加裝阻攔索是通過(guò)改變什么而減小了艦載機(jī)降落時(shí)運(yùn)動(dòng)的距離？

師生交流：阻攔索的作用力增大了艦載機(jī)減速的加速度大小，從而快速改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讓它在很短距離內(nèi)減速到零。通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境復(fù)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，學(xué)生在用科學(xué)、規(guī)范的學(xué)術(shù)語(yǔ)言表達(dá)問(wèn)題的過(guò)程中，深化了對(duì)“力和運(yùn)動(dòng)”關(guān)系的認(rèn)知，逐步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。此外，通過(guò)教師的引導(dǎo)，讓學(xué)生從動(dòng)力學(xué)視角思考問(wèn)題并表達(dá)出來(lái)，使其內(nèi)隱的思維過(guò)程通過(guò)表達(dá)外顯化，全體學(xué)生在相互傾聽(tīng)、相互補(bǔ)充的過(guò)程中提升思維能力，并體會(huì)到合作學(xué)習(xí)、交流的意義，形成團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)。

2.3 嘗試運(yùn)用，鞏固基礎(chǔ)

問(wèn)題4：如果艦載機(jī)尾鉤掛上阻攔索到停止只用了2 s，求艦載機(jī)的著艦距離以及艦載機(jī)受到的阻攔索平均拉力的大小。

該情境主要是引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律中第一類(lèi)典型問(wèn)題(已知力求運(yùn)動(dòng))的方法；再運(yùn)用逆向思維方法設(shè)置發(fā)展性問(wèn)題，著手嘗試解決第二類(lèi)典型問(wèn)題(已知運(yùn)動(dòng)求力)。在自主解決問(wèn)題的過(guò)程中經(jīng)歷問(wèn)題解決的過(guò)程：分析問(wèn)題——建構(gòu)模型——運(yùn)用規(guī)律解決問(wèn)題，進(jìn)一步發(fā)展運(yùn)動(dòng)與相互作用觀。

2.4 情境深化，鋪墊進(jìn)階

相比較降落過(guò)程，艦載機(jī)的起飛在技術(shù)方面要求就更高、更難，如何縮短艦載機(jī)起飛所需的距離呢？下面我們一起了解“山東號(hào)”航母和殲-15艦載機(jī)的部分參數(shù)(表1、表2)

表1 “山東號(hào)”航空母艦參數(shù)

表2 殲-15艦載機(jī)參數(shù)

2.5 問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，認(rèn)知進(jìn)階

問(wèn)題5：在有關(guān)航母和艦載機(jī)的參數(shù)中，哪些與艦載機(jī)起飛有關(guān)？

交流和討論：艦載機(jī)的起飛與跑道長(zhǎng)度、最大推力、起飛速度、艦載機(jī)質(zhì)量有關(guān)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生要將動(dòng)力學(xué)相關(guān)規(guī)律羅列出來(lái)，并根據(jù)給出的參數(shù)進(jìn)行分析、篩選，提升了提取有效信息和處理信息的能力。通過(guò)對(duì)艦載機(jī)降落過(guò)程的分析，學(xué)生已經(jīng)回顧了解決問(wèn)題的方法，容易想到把艦載機(jī)起飛過(guò)程視為勻加速直線運(yùn)動(dòng)，然后選出和勻加速直線運(yùn)動(dòng)相關(guān)的參數(shù)即可解決。用類(lèi)似情境與恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地加工信息，運(yùn)用科學(xué)方法，在學(xué)以致用的過(guò)程中活化了知識(shí)，提高了思維能力。在相互交流、傾聽(tīng)、討論中發(fā)展認(rèn)知，從而增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作的意愿。

問(wèn)題6：假設(shè)艦載機(jī)在最大推力的作用下由靜止起飛，請(qǐng)描述艦載機(jī)起飛過(guò)程的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：(1) 要描述運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，須從初速度、加速度和運(yùn)動(dòng)軌跡三方面進(jìn)行闡述，情境1涉及勻變速直線運(yùn)動(dòng)，而情境2中艦載機(jī)做初速度為零的變加速直線運(yùn)動(dòng)，可使學(xué)生體會(huì)牛頓第二定律的瞬時(shí)性，促進(jìn)他們對(duì)牛頓第二定律的認(rèn)知發(fā)展進(jìn)階。(2) 通過(guò)提供新信息，使學(xué)生利用已掌握的知識(shí)和技能，經(jīng)過(guò)閱讀和思考創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，不僅能夠促使學(xué)生實(shí)現(xiàn)認(rèn)知水平進(jìn)階，從而提升學(xué)生的思維能力與品質(zhì)，而且通過(guò)解決新問(wèn)題獲得了成就感。

問(wèn)題7：艦載機(jī)的陸地起飛距離是多大？

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以計(jì)算出艦載機(jī)的起飛距離為243 m，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于航母起飛跑道的長(zhǎng)度。

問(wèn)題8：如何縮短起飛距離，確保飛行員的起飛安全？

這一問(wèn)題的解決重在基于真實(shí)問(wèn)題的討論，不是讓學(xué)生生搬硬套物理規(guī)律，而是能關(guān)注到規(guī)律使用的前提條件，體會(huì)到實(shí)際艦載機(jī)起飛受到多種因素的影響，能基于證據(jù)進(jìn)行問(wèn)題分析，同時(shí)提升思維的發(fā)散性，提升科學(xué)探究能力。關(guān)于艦載機(jī)順風(fēng)起飛，還是逆風(fēng)起飛的問(wèn)題，部分學(xué)生認(rèn)為是順風(fēng)起飛，風(fēng)推著艦載機(jī)可以使艦載機(jī)更容易達(dá)到起飛速度。形成這一認(rèn)識(shí)的原因是由于沒(méi)有理解起飛速度的概念，更主要的是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前，通過(guò)生活經(jīng)驗(yàn)，在頭腦中形成了前概念，而這種前概念可能是膚淺的甚至是錯(cuò)誤的。通過(guò)這個(gè)問(wèn)題的設(shè)置，幫助學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考、交流、討論，糾正錯(cuò)誤的前概念，建立科學(xué)認(rèn)知。在學(xué)習(xí)中遇到與已有認(rèn)識(shí)相沖突的情形時(shí)，易產(chǎn)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，迫切希望知道自己的前概念的錯(cuò)誤之處，從而激發(fā)學(xué)生的求知渴望，此時(shí)教師只要適當(dāng)給予提示，便可以活躍學(xué)生的思維，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變概念。

2.6 回扣主題，回歸育人

問(wèn)題9：我們稱(chēng)艦載機(jī)的降落過(guò)程是“刀尖上的舞蹈”，這個(gè)過(guò)程不僅對(duì)技術(shù)的要求很高，對(duì)于飛行員來(lái)說(shuō)也具有很大的危險(xiǎn)性。艦載機(jī)降落時(shí)飛行員會(huì)出現(xiàn)“紅視”、身上出現(xiàn)烏青塊的原因是什么？

設(shè)計(jì)意圖：艦載機(jī)白天復(fù)飛的概率約為5%，夜間達(dá)到12%—15%。這也是事故率最高的環(huán)節(jié)，需要飛行員具有優(yōu)秀的心理品質(zhì)和高超的技能。通過(guò)上述問(wèn)題滲透學(xué)科德育，讓學(xué)生崇尚英雄，學(xué)習(xí)英雄們不畏犧牲的精神，體會(huì)我們之所以歲月靜好，是有這么多的英雄為我們負(fù)重前行。

3 教學(xué)反思

(1) 在教學(xué)中基于一個(gè)情境：航空母艦上艦載機(jī)的起降，圍繞一個(gè)核心問(wèn)題：如何縮短艦載機(jī)的起降距離？創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生探究艦載機(jī)的安全起降問(wèn)題，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣，通過(guò)教師引導(dǎo)和學(xué)生的思考、討論，讓學(xué)生經(jīng)歷建模、信息加工等過(guò)程，形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，提升學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)思維能力，滲透思政教育，達(dá)成了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

(2) 復(fù)習(xí)教學(xué)應(yīng)從知識(shí)本位向核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，從解題方式的教學(xué)到學(xué)科原理的理解和應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，從題海戰(zhàn)術(shù)到實(shí)際問(wèn)題解決的轉(zhuǎn)變，從學(xué)生基本知識(shí)和能力的評(píng)價(jià)到核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)變，為實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變，創(chuàng)設(shè)情境是一種有效策略。

(3) 針對(duì)艦載機(jī)是順風(fēng)起飛還是逆風(fēng)起飛這個(gè)問(wèn)題，課上是通過(guò)討論得出結(jié)論。要是時(shí)間允許的話，這里可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手探究，將物理過(guò)程生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，更有利于對(duì)知識(shí)的理解和掌握。