劉 林

（青島市教育科學(xué)研究院，山東 青島 266011）

本文討論的是“曲線運動”的新授課，選自人民教育出版社普通高中教科書物理必修第2冊（2019年7月第1版）第5章《拋體運動》的第1節(jié).《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）給出“2.2.1通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件.”據(jù)此設(shè)計了教學(xué)目標(biāo)為：（1）通過再現(xiàn)生活情境，知道曲線運動的瞬時速度方向，能運用極限思想理解瞬時速度的方向，并會在軌跡圖上畫出某點的速度方向.（2）通過分組實驗，理解曲線運動是變速運動，知道物體做曲線運動的條件.（3）設(shè)計生活實踐類習(xí)題，應(yīng)用物理知識解決具體問題.

1 真實問題情境是課堂教學(xué)和考試評價的需要

首先，問題情境是課堂教學(xué)的需要.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）指出，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.第一，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前，基于生活和已有的知識，形成了大量經(jīng)驗情境，這是構(gòu)建新的物理概念的基礎(chǔ).本節(jié)課在探究1中通過創(chuàng)設(shè)情境，對所觀察的現(xiàn)象重新加工，概括共同屬性，抽象出本質(zhì)特征，在“概括”和“抽象”的思維加工過程中完成對曲線運動概念的構(gòu)建.第二，物理學(xué)的發(fā)展是建立在實驗基礎(chǔ)之上的，實驗是增加學(xué)生物理學(xué)習(xí)體驗性的重要手段，是其他任何方式都無法替代的物理學(xué)習(xí)方式.本節(jié)課在探究2和探究3中創(chuàng)設(shè)了5個演示實驗、5個分組實驗，讓學(xué)生經(jīng)歷探究曲線運動速度方向和曲線運動條件的過程，以解決本節(jié)課的這兩個重點問題.第三，運用物理知識解決實際問題能力的高低，大多取決于學(xué)生將情境與知識相聯(lián)系的水平.本節(jié)課在探究4中給出了自行車這種常見的生活物品，引導(dǎo)學(xué)生把實際情境轉(zhuǎn)化為解決問題的物理知識，體現(xiàn)物理學(xué)科的應(yīng)用價值.

其次，問題情境是考試評價的需要.中國高考評價體系構(gòu)建的“一核四層四翼”明確指出，情境是實現(xiàn)“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”的綜合考查的載體.以紙筆考試為主要考查形式的高考，情境化試題是命題的方向.試題的情境一定是建立在生產(chǎn)生活中的真實案例，是參照學(xué)生的實際認(rèn)知水平，進(jìn)行合理的簡化或處理來設(shè)置的問題情境.日常教學(xué)中選取的物理習(xí)題情境也應(yīng)該是貼近社會、貼近生活的素材，目的是鼓勵學(xué)生關(guān)心日常生活、生產(chǎn)活動中蘊含的實際問題，思考課堂所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用價值.本節(jié)課用文字描述和展示示意圖的方式，讓學(xué)生設(shè)計自行車擋泥板的安裝位置，并安排學(xué)生課后去商場、公共場所等實地觀察各種自行車構(gòu)造和擋泥板的位置，搜集證據(jù)，得出結(jié)論，能用準(zhǔn)確的物理語言表達(dá)自己的觀點，與同學(xué)們分享.

2 問題情境的種類及功能

用于物理教學(xué)的問題情境主要來源有：自然現(xiàn)象、生產(chǎn)生活實踐、科技前沿、物理學(xué)史、課程標(biāo)準(zhǔn)和教材、物理教學(xué)實驗等.

自然現(xiàn)象和生活實踐類情境，主要來源于學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中積累的經(jīng)驗，比如彩虹、日食現(xiàn)象，體育運動類等情境.它們是學(xué)生建構(gòu)物理概念的基礎(chǔ)，有些是正確的，有的是錯誤的，也有些是模糊的，無論哪種情況，都需要通過物理教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生重新加工，完成從經(jīng)驗性常識向物理概念的轉(zhuǎn)變.

科技前沿和物理學(xué)史情境，主要來源于網(wǎng)絡(luò)、書籍等各種信息源.科技前沿類的情境，主要是學(xué)生應(yīng)用所學(xué)物理知識粗淺地了解科技發(fā)展情況及取得的成果，尤其是了解我國在航天領(lǐng)域的發(fā)展歷程和成果，既可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，又可以增強學(xué)生的民族自豪感和社會責(zé)任感.學(xué)生通過了解物理學(xué)史類的情境，可以了解物理學(xué)的發(fā)展歷程，引導(dǎo)學(xué)生立志投身于科學(xué)研究中.

課程標(biāo)準(zhǔn)、教材和物理教學(xué)實驗，這是物理課程專家和教材編寫者專門為學(xué)生的學(xué)習(xí)過程創(chuàng)設(shè)的情境.尤其是實驗教學(xué)，讓學(xué)生根據(jù)問題情境運用已有知識制定探究計劃，選擇符合情境要求的實驗裝置進(jìn)行實驗，獲取客觀、真實的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析形成物理結(jié)論，對學(xué)生的認(rèn)知水平的提高作用巨大.

3 選擇合適的問題情境

創(chuàng)設(shè)情境設(shè)計教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.對于物理概念教學(xué)、或者物理規(guī)律教學(xué)，要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，選擇合適的問題情境，讓學(xué)生在課內(nèi)或課外充分體驗，積累感性認(rèn)識，為提煉升華為理性認(rèn)識做鋪墊.當(dāng)教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)生活聯(lián)系密切時，就可以讓學(xué)生交流各自的生活體驗、所見所聞，也可以通過網(wǎng)絡(luò)搜集圖片、視頻資料展示大到天體小到微觀世界的情境.還可以利用實驗室器材或自制器材，設(shè)計演示實驗或分組實驗，通過對比，有目的地引發(fā)學(xué)生的思考，從現(xiàn)象中總結(jié)提煉得出結(jié)論.

4 基于真實問題情境的“曲線運動”物理教學(xué)設(shè)計片段

對于“曲線運動”這節(jié)課，大多數(shù)教師認(rèn)為可講的東西不多，一般會與其他內(nèi)容合并，一帶而過，這不利于學(xué)生形成曲線運動觀念.同樣，學(xué)生也認(rèn)為本節(jié)課內(nèi)容相對簡單，且學(xué)生也具備一定的經(jīng)驗性常識，不太重視本節(jié)課的學(xué)習(xí).但實際情況是，學(xué)生對曲線運動的速度方向和曲線運動的條件認(rèn)知水平比較膚淺，甚至是有些錯誤的前概念.本教學(xué)設(shè)計中創(chuàng)設(shè)了豐富、多樣化的情境，有語言文字、符號、圖表的描述，有圖片、視頻的展示，更有10個演示實驗和分組實驗，豐富學(xué)生的體驗，且在實驗操作的過程中，能有效促進(jìn)學(xué)生模型構(gòu)建、科學(xué)推理與論證等科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展，為后續(xù)學(xué)習(xí)拋體運動、圓周運動和天體運動等做好鋪墊.

探究1：什么樣的運動叫曲線運動？

首先請學(xué)生列舉生活中曲線運動的實例，然后以教材上的“問題”情境引入新課，展示日常生活中曲線運動的圖片和視頻.可選用游樂場中的摩天輪、立交橋上的車流情況，以及足球賽、籃球賽、運動員彎道賽跑、標(biāo)槍、鏈球等體育比賽項目，還可選用嫦娥五號、天問一號的運動軌跡圖片，展示我國航天技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展情況.指出物體按照運動軌跡可分為直線運動和曲線運動，運動軌跡為曲線的運動叫曲線運動，并說明圓周運動是曲線運動的一種特殊情況.

設(shè)計意圖：通過學(xué)生講述生活實例，教師展示圖片和視頻，以豐富學(xué)生對物體做曲線運動情況的體驗.其中選用了嫦娥五號、天問一號等我國航天科技的情境，是為了在物理教學(xué)中融入學(xué)科德育的元素，增強學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)愛國主義情懷，是物理課程標(biāo)準(zhǔn)“立德樹人”育人目標(biāo)的要求.教師提示“圓周運動是曲線運動的一種特殊情況”，是從簡單到復(fù)雜、從特殊到一般的物理學(xué)的研究方法，也為后面的探究2，即探究曲線運動速度方向的得出過程埋下伏筆.

探究2：做曲線運動的物體的速度有什么特點？

研究物體做勻變速直線運動規(guī)律時，物理學(xué)引入了位移、速度、加速度、時間、時刻等物理量.要研究物體做曲線運動的規(guī)律，同樣也需要描述曲線運動的若干物理量，本節(jié)課先研究曲線運動的速度，從速度的大小和方向入手.

4.1 做曲線運動的物體的速度大小

問題1：展示汽車儀表盤上的車速計圖片（圖1）.如果圖片恰好是汽車轉(zhuǎn)彎過程中的指針情況，那轉(zhuǎn)彎過程中的汽車的速度大小有無變化？

圖1

問題2：通常情況下，汽車轉(zhuǎn)彎要減速慢行，那汽車轉(zhuǎn)彎時，車速計的讀數(shù)如何變化？

設(shè)計意圖：通過汽車轉(zhuǎn)彎過程中車速儀指針情況，說明做曲線運動的物體的速度大小可以變化也可以不變.通過轉(zhuǎn)彎減速的教學(xué)設(shè)計，融入了生命安全教育的元素.

4.2 做曲線運動的物體的速度方向

分為兩步進(jìn)行，先做定性探究，再做半定量探究.

第1步：定性探究.

演示1：繩拴海綿球，使之在豎直面內(nèi)做圓周運動.突然釋放繩，海綿球飛出.提示學(xué)生觀察海綿球被釋放瞬間時的運動方向.

演示2：把礦泉水倒在撐開的傘面上，雙手快速旋轉(zhuǎn)傘柄，雨滴從轉(zhuǎn)動的雨傘邊緣飛出.提示學(xué)生觀察水滴在傘面旋轉(zhuǎn)前后的運動方向.

演示3：將玩具水槍朝著水平方向、豎直方向、與水平有任意夾角等方向發(fā)射.提示學(xué)生觀察射出的水柱在空中的運動軌跡，只有當(dāng)發(fā)射的方向在豎直線上時，軌跡才為直線，其他方向發(fā)射的軌跡均為曲線.

演示4：高速旋轉(zhuǎn)的指尖陀螺邊緣上的墨水被甩出的軌跡.將白紙平鋪在桌面上，陀螺放在白紙中央（圖2）.陀螺在原地快速轉(zhuǎn)動后，用滴管在陀螺邊緣上滴紅墨水.提示學(xué)生觀察紅墨水被甩出去的痕跡.

圖2

演示5：金屬棒貼近高速旋轉(zhuǎn)的砂輪.提示學(xué)生觀察火星的噴出軌跡（圖3）.

圖3

學(xué)生活動設(shè)計：請學(xué)生到黑板上畫出以上實驗中海綿球、水滴、水柱、墨水和火星的運動方向.

教師啟發(fā)學(xué)生思考：學(xué)生畫出的每種情況下物體的運動方向，是大致的運動方向？還是精確的運動方向？如何畫出精確的方向？

設(shè)計意圖：通過實驗和觀察，讓學(xué)生能定性的判斷物體做曲線運動的方向，猜測其速度方向沿曲線的切線方向.然后教師誘導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑運動方向是否確為切線方向？然后用半定量的實驗探究方法，進(jìn)一步探究曲線運動的方向.

第2步：半定量探究.

（1）學(xué)生分組實驗，尋找證據(jù).

學(xué)生實驗1：平鋪白紙在桌面上，拼接圓形軌道（共由8塊軌道組成，圖4）.把小鋼珠放在印泥盒子里滾幾下，使得小鋼珠表面沾滿了印泥；將小鋼珠緊貼圓軌道1內(nèi)側(cè)某位置，給鋼珠一個初速度，讓它能沿著軌道內(nèi)側(cè)運動，觀察小鋼珠在白紙上留下的痕跡.

圖4

學(xué)生實驗2：拆除其中的4-5塊軌道，保留3-4塊（如保留4塊，圖5）軌道.把小鋼珠再放回到原來位置，給它一個初速度，讓它能沿著軌道內(nèi)側(cè)運動并從軌道4末端脫離軌道，觀察在白紙上留下的痕跡.

圖5

學(xué)生實驗3：只保留2-3塊（如2塊，圖6）軌道，再把小鋼球放回到原來位置，給它一個初速度，觀察在白紙上留下的痕跡.

圖6

設(shè)計意圖：設(shè)計分組實驗，增強學(xué)生的親身體驗，豐富感性認(rèn)識.圓軌道由4塊，到3塊，或者到2塊，記錄小鋼珠脫離圓軌道后的運動軌跡.通過多次實驗，對比發(fā)現(xiàn)，如果做曲線運動的物體突然開始做直線運動，那么直線運動的方向和曲線運動軌跡末端切線方向可能是一致的.激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考和猜測：小鋼珠每次脫離軌道之后的軌跡是否為該圓的切線？怎樣證實？

（2）學(xué)生驗證猜想，得出結(jié)論.

先確定圓軌道的圓心位置：在學(xué)生實驗1后，白紙上留下小鋼珠的圓形軌跡，通過幾何關(guān)系作圖可以找到其圓心位置：任意作兩條弦AB、CD，分別作垂直平分線，其交點即為圓心O（圖7）.

圖7

再通過作圖，驗證在學(xué)生實驗2和學(xué)生實驗3中小鋼珠脫離軌道后的運動方向為切線方向.先標(biāo)出小鋼珠脫離軌道的點（假設(shè)為B），連接圓心O，OB即為圓半徑，用量角器量出半徑OB與小鋼珠在白紙上留下的直線痕跡間的夾角，看是否為90度？于是學(xué)生得出結(jié)論：做圓周運動物體的速度方向為該點的切線方向.此處需要特別強調(diào)的是，因為實驗中選取的圓周運動僅是曲線運動的特例，所以此處不能直接得出“曲線運動的物體速度方向為該點的切線方向”.

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)圓周運動這一特殊的曲線運動實例，引導(dǎo)學(xué)生借用數(shù)學(xué)方法先確定圓心位置，再通過多次實驗，借用數(shù)學(xué)方法尋找“切線”的證據(jù).從簡單的圓周運動過渡到一般的曲線運動，讓學(xué)生經(jīng)歷由特殊到一般的物理學(xué)研究方法，提高物理思維能力.

（3）教師引導(dǎo)，歸納推理.

圓周是一種特殊的曲線，一般的曲線可以看成由若干圓弧構(gòu)成，每一個圓弧都是圓周的一部分.所以，曲線運動可以看成無數(shù)個圓周運動構(gòu)成，曲線上每一個位置的速度方向就是該點所在的圓周的切線方向，速度方向時刻在變化.于是得出結(jié)論：曲線運動物體的速度方向為該點的切線方向，曲線運動是變速運動.

設(shè)計意圖：由割線到切線的數(shù)學(xué)變化，幫助學(xué)生理解瞬時速度的方向為曲線的切線方向，學(xué)習(xí)物理知識的同時，也學(xué)會物理學(xué)的研究方法，即極限思想方法，對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)是有益的.

探究3：如何使物體做曲線運動？

學(xué)生實驗4：按照如圖8放置兩塊軌道，把沾滿印泥的小鋼珠放在緊貼軌道1內(nèi)側(cè)的某位置，給小鋼珠一個向右的初速度后，在軌道彈力作用下，沿著軌道1內(nèi)側(cè)運動，緊接著沿著軌道2內(nèi)側(cè)運動，軌跡為一條波浪線；小鋼珠一旦離開軌道2后，即沿離開點的切線方向做直線運動.

圖8

學(xué)生實驗5：如果小鋼珠離開軌道2后，欲繼續(xù)有波浪線的運動軌跡，就需要再加接一塊軌道3（圖9）.重復(fù)學(xué)生實驗1，可觀察到小鋼珠的軌跡將在軌道3的彈力作用下繼續(xù)有波浪線的運動軌跡.

圖9

設(shè)計意圖：通過小鋼珠在2塊、3塊或4塊軌道彈力作用下運動軌跡的對比實驗，得出物體做曲線運動的條件：物體受到的合力的方向跟它的速度方向不在同一直線上.

探究4：設(shè)計自行車的擋泥板.

要求：學(xué)生在圖10中標(biāo)注自行車前輪和后輪，并給自行車設(shè)計上擋泥板.教師投影展示學(xué)生的設(shè)計圖，請學(xué)生講解自己的設(shè)計理念和依據(jù).

圖10

設(shè)計意圖：學(xué)生展示設(shè)計理念，教師提出要求：課后到自行車停放處、商場觀察各種自行車擋泥板的造型及安裝位置，以檢驗自己的觀點是否正確.通過選用生活實踐類問題情境，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察生活和現(xiàn)象，用所學(xué)物理知識解釋、解決問題，是物理學(xué)科教學(xué)的價值追求.

5 結(jié)語

教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)在生源狀況不佳的課堂上依然能夠隨時捕捉到學(xué)生求知的興趣和探究的欲望，再次印證基于真實情境的體驗性的教學(xué)改進(jìn)有利于學(xué)生主動參與課堂的學(xué)習(xí).從人的認(rèn)知規(guī)律來看，在物理的課堂上重現(xiàn)生活情境，設(shè)計小實驗，豐富學(xué)生的體驗，是有利于接受和理解物理概念和物理規(guī)律的.2017年版的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實施已經(jīng)3年有余，物理教師的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變情況決定了學(xué)科核心素養(yǎng)的落實情況，如果我們培養(yǎng)的學(xué)生能夠?qū)W會用物理的眼光來觀察世界，用物理的思維方式來思考問題，用物理的語言來表達(dá)自己的觀點，那也就達(dá)到了物理學(xué)科育人的目的和育人價值.