張冰杰

摘? ?要：新課標(biāo)提出，教師要注重信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。文章以“宇宙航行”教學(xué)為例，以體驗式教學(xué)組織為架構(gòu)，通過整合信息技術(shù)資源，促進(jìn)學(xué)生在感悟、論證和驗證體驗環(huán)節(jié)中自主建構(gòu)知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);宇宙航行;體驗式教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）5-0066-3

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中指出，要“注重現(xiàn)代信息技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用”[1]。2019年版人教版高中物理教科書（以下簡稱“新教材”）中，共計有48處整合信息技術(shù)的內(nèi)容[2]。這表明在新時代物理教學(xué)中，信息技術(shù)已經(jīng)不再是錦上添花，而是結(jié)合教學(xué)需要采取的必要教學(xué)手段。值得注意的是，新教材在《萬有引力與宇宙航行》《原子結(jié)構(gòu)與波粒二象性》《原子核》等章節(jié)中，均未涉及信息技術(shù)的整合運(yùn)用。但是，在宏觀和微觀物理的教學(xué)實踐中，往往會發(fā)現(xiàn)學(xué)生由于缺乏直觀的感知和親身的體驗而難以完成知識的自主建構(gòu)，從而導(dǎo)致概念理解不清、規(guī)律掌握不透等問題。新課標(biāo)指出，當(dāng)一些物理現(xiàn)象很難真實呈現(xiàn)時，可利用信息技術(shù)輔助手段，讓學(xué)生比較直觀便捷地進(jìn)行相關(guān)實驗[1]。融合信息技術(shù)可以很好地解決該部分的抽象性困難，因為各類多媒體動畫、仿真技術(shù)等可以在課堂上重演宏觀和微觀領(lǐng)域的物理情境，以形象化的教學(xué)促進(jìn)學(xué)生的知識建構(gòu)和思維發(fā)展。同時，不斷豐富信息技術(shù)在該部分教學(xué)中的應(yīng)用，也能填補(bǔ)教材中信息技術(shù)的空白之處，從而響應(yīng)新課標(biāo)給出的“教材中可以適當(dāng)介紹一些有利于物理教學(xué)或物理實驗的軟件工具”的建議。

體驗式教學(xué)是教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，深入分析學(xué)生的已有認(rèn)知，創(chuàng)造接近實際生活的教學(xué)情境，讓學(xué)生親歷知識的再創(chuàng)造過程，從中獲得感知體驗、論證體驗、感悟體驗和驗證體驗，進(jìn)而構(gòu)建觀念、發(fā)展能力、形成價值觀的一種教學(xué)觀和教學(xué)策略[3]。因此，體驗式教學(xué)可以充分利用信息技術(shù)的交互特征，促使學(xué)生在體驗中發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1? ? 體驗式教學(xué)架構(gòu)

體驗式教學(xué)組織架構(gòu)如圖1所示，它包含感知體驗、論證體驗、感悟體驗和驗證體驗四個環(huán)節(jié)。這四個環(huán)節(jié)并非是單向封閉的終結(jié)式教學(xué)，而是閉合螺旋上升的進(jìn)階式教學(xué)。

以“宇宙航行”的教學(xué)為例，宇宙速度、人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律都較為宏觀，抽象性思維認(rèn)知能力較弱的學(xué)生往往覺得比較晦澀，難以在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上自主建構(gòu)知識。融合信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境，將本不易呈現(xiàn)的物理過程形象地模擬出來，并且利用交互的特點，讓學(xué)生經(jīng)歷感知、論證、感悟和驗證體驗環(huán)節(jié)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2? ? 融入信息技術(shù)的體驗式教學(xué)——“宇宙航行”

2.1? ? 建構(gòu)模型，感知論證

播放《北斗：心中的燈塔 指引前路》中的動畫視頻，提醒學(xué)生注意觀察不同軌道的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律，讓學(xué)生自主提出問題。學(xué)生可能會提出“不同軌道的衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律如何”“衛(wèi)星是如何發(fā)射的”“為什么軌道越高的衛(wèi)星運(yùn)行的速度越慢”等契合教學(xué)主題的問題。教師通過感知衛(wèi)星運(yùn)行的體驗過程，明確要研究的問題，調(diào)動已有的認(rèn)知，營造探究的氛圍。

要研究實際問題，首先要建構(gòu)相應(yīng)的物理模型，這也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的組成要素。教師引導(dǎo)學(xué)生將衛(wèi)星的運(yùn)動建構(gòu)為勻速圓周運(yùn)動模型，依據(jù)處理勻速圓周運(yùn)動的思路和方法，依次明確軌道平面、圓心和向心力來源等問題，并對問題進(jìn)行推理和論證。

教學(xué)片段1

教師：在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的視頻中，我們發(fā)現(xiàn)不同衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是有差異的，那么衛(wèi)星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動的軌道可能是怎么樣的呢？請同學(xué)們用呼啦圈和地球儀來展示衛(wèi)星的可能軌道，并談一談理由。

學(xué)生利用呼啦圈模擬衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，展示衛(wèi)星運(yùn)行的可能軌道，如圖2所示。并說出不同軌道的共同點。

教師：為什么衛(wèi)星不能圍繞除赤道外的某個緯線圈運(yùn)行呢？

學(xué)生討論后：做勻速圓周運(yùn)動的物體所受的合外力必定指向圓心，在緯度圈上運(yùn)行的衛(wèi)星所受的萬有引力不指向圓心，會將其拉離緯度圈軌道。

通過討論和論證，學(xué)生已經(jīng)明確向心力的來源為萬有引力。接著，教師再讓學(xué)生建立萬有引力提供向心力的力學(xué)方程，從而得出衛(wèi)星運(yùn)行的線速度等物理量與軌道半徑的關(guān)系，并能夠解釋北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星運(yùn)行快慢的原因。然后，教師讓學(xué)生畫出運(yùn)行速度最快的衛(wèi)星的軌道并展示，可得出貼地飛行的衛(wèi)星（即近地衛(wèi)星）運(yùn)行速度最快的結(jié)論。最后，學(xué)生結(jié)合教師給出的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出近地衛(wèi)星的運(yùn)行速度約為7.9 km/s。

2.2? ? 模擬衛(wèi)星運(yùn)行，驗證體驗

通過建構(gòu)模型、科學(xué)推理等過程，學(xué)生運(yùn)用已有知識解釋物理現(xiàn)象，體會到萬有引力使得天地大統(tǒng)一的和諧之美。對教師來講，如果推理計算得出的結(jié)果不經(jīng)歷驗證過程，就會失去下一輪體驗式教學(xué)的契機(jī)，也無法讓學(xué)生經(jīng)歷成功的體驗過程。信息技術(shù)可以彌補(bǔ)無法實際發(fā)射衛(wèi)星的遺憾，讓學(xué)生通過虛擬實驗來體驗這一過程。

教學(xué)片段2

教師：通過建構(gòu)模型，推理論證，大家得出人造衛(wèi)星的運(yùn)行有怎樣的規(guī)律？

學(xué)生：①人造衛(wèi)星運(yùn)行的圓軌道越高，速度越慢;②人造衛(wèi)星在圓軌道上運(yùn)行的速度不可能超過7.9 km/s。

教師：怎么檢驗我們得出的結(jié)論是否正確呢？這需要實驗的檢驗，要是可以發(fā)射幾顆不同軌道的衛(wèi)星，看一看它們的運(yùn)動該多好呀！

教師介紹“宇宙沙盤”軟件及其使用方法：“宇宙沙盤”軟件能夠較真實地模擬天體的運(yùn)行。打開軟件，新建文件，選擇小行星“地球”;選擇添加對象“環(huán)繞”，放置幾顆不同軌道的衛(wèi)星，可以定性觀察不同軌道衛(wèi)星的運(yùn)行速度;點擊放置的衛(wèi)星，還可以顯示其運(yùn)行速度的數(shù)值。743190F6-F154-4968-B508-52EFF83E2ABE

學(xué)生通過軟件模擬衛(wèi)星的運(yùn)行，交流模擬的結(jié)果。

學(xué)生：放置的衛(wèi)星軌道越高，衛(wèi)星運(yùn)行的速度越慢，驗證了第①條規(guī)律;不斷降低衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，發(fā)現(xiàn)軌道貼近地球赤道時，衛(wèi)星運(yùn)動速度接近7.9 km/s，驗證了第②條規(guī)律，如圖3所示。

該環(huán)節(jié)中，學(xué)生的課堂參與程度很高，反應(yīng)熱烈。他們通過模擬軟件驗證了推理的結(jié)果，對物理規(guī)律的普適性和簡潔性有了深刻的感受。教師還可以在此引用李政道教授的名言升華學(xué)生的情感體驗。在模擬過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)軌道太低的衛(wèi)星會撞擊到地面的障礙物并被摧毀，進(jìn)而理解第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在圓軌道的最大環(huán)繞速度。有的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把衛(wèi)星的軌道放置在36 000 km左右時，衛(wèi)星的運(yùn)行與地球自轉(zhuǎn)幾乎是同步的。教師可以請這部分學(xué)生來做簡單的演示，為后續(xù)的同步衛(wèi)星教學(xué)提供鋪墊。

2.3? ? 發(fā)射衛(wèi)星，感悟體驗

開始下一輪體驗式教學(xué)，如何發(fā)射一顆衛(wèi)星？學(xué)生通過閱讀課本了解牛頓的設(shè)想，并且能夠計算出當(dāng)發(fā)射速度為7.9 km/s時衛(wèi)星恰好不落回地面，得出第一宇宙速度的概念。此時，學(xué)生如果能夠體驗以不同速度發(fā)射一顆衛(wèi)星，看到衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動，其成就感和喜悅感將得到極大的滿足。而游戲“憤怒的小鳥·太空版”模擬了星球的引力環(huán)境，可以通過彈弓改變小鳥的彈出速度，正好可以模擬出以不同速度發(fā)射的衛(wèi)星的運(yùn)動規(guī)律。打開“憤怒的小鳥·太空版”第一部分第三關(guān)，體驗以不同速度發(fā)射小鳥的游戲，觀察并討論小鳥的運(yùn)行軌跡，如圖4所示。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，以更大的速度發(fā)射的“衛(wèi)星”可以運(yùn)行得更遠(yuǎn)。當(dāng)發(fā)射速度足夠大時，小鳥幾乎可以繞星球做完整的圓周運(yùn)動，但最后會撞到“高山”而掉落。此時，再讓學(xué)生來談一談怎么理解第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。學(xué)生可能會指出，第一宇宙速度是理論上能夠發(fā)射人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，但在實際發(fā)射時，還要考慮衛(wèi)星的發(fā)射高度、方向等因素。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從圓周運(yùn)動的供需關(guān)系出發(fā)，論證衛(wèi)星發(fā)射的速度不同導(dǎo)致衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是否不同，得出如果發(fā)射速度大于第一宇宙速度，衛(wèi)星將做離心運(yùn)動，將飛到離地球更遠(yuǎn)的地方，從而引入第二、第三宇宙速度的概念。本課還可以融入我國探索宇宙的航天發(fā)展歷程，激發(fā)學(xué)生的愛國主義情感，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)，具體思路在此不再詳述。

3? ? 結(jié)? 語

在信息技術(shù)不斷發(fā)展的今天，物理課堂教學(xué)必須要與時俱進(jìn)。在天體物理和原子物理等不易真實呈現(xiàn)的物理情境教學(xué)中，可充分整合信息技術(shù)資源來可視化呈現(xiàn)物理現(xiàn)象。教師靈活利用信息技術(shù)的交互性，可有效地幫助學(xué)生通過感知體驗的教學(xué)環(huán)節(jié)自主建構(gòu)知識體系，從而促進(jìn)其物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]郭桂周，辛文逸，劉羲雯.信息技術(shù)在高中物理教科書中的整合特征與實施建議——以人教社新版高中物理教科書為例[J].基礎(chǔ)教育課程，2020（7）：68-74.

[3]周偉波，潘仕恒.以體驗式教學(xué)促進(jìn)物理觀念的構(gòu)建[J].課程·教材·教法，2021，41（6）：110-115.

（欄目編輯? ? 賈偉堯）743190F6-F154-4968-B508-52EFF83E2ABE