基于玛扎诺教学理论的高中物理课堂教学的创新设计——以高三复习课《圆周运动》为例

(北京市第八十中学，北京 100102)

合理高效的教学设计首先是要设置合理而精准的教学目标，新课程理念要求教学目标从知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观三个维度进行设计，让教师对课堂教学需要达到的效果有明确的说明.但在实际教学中,很多教学目标不是很清晰,如粗略地说“应用牛顿定律分析问题”，而并未指出达到这一目标的途径,更未指出如何评估学生是否达到这一目标的方法.

美国玛扎诺博士研究团队通过对课堂教学的跟踪、调查和研究，提出了教学目标的四水平理论，他认为教学目标要分层级设计，将学生的学习分为知识提取、理解、分析、应用四个层次，从而形成了操作性极强的教学目标四水平理论.若能在新课程三维目标的基础上加入玛扎诺博士的四水平理论，使之形成三维度四水平的新型的教学目标体系，将使知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观这三个维度的教学目标更加具体化，指向性更明确，更易于操作，且能最大限度地提高学生的学习效率.以下依据三维度四水平的教学目标，进行设计并实施一节高中复习课教学,课题名称为《圆周运动》.

1 知识维度教学目标

本文以知识维度的四水平为例，说明如下.

1.1 知识提取水平

(1)通过观察、实验，说出描述圆周运动的物理量；

(2)通过游戏体验向心力和向心加速度.

1.2 知识理解水平

(1)通过讨论，说明圆周运动各物理量间的关系；

(2)讨论、对比说明向心力和向心加速度的意义；

(3)通过小组讨论，培养合作精神和团队意识.

1.3 知识分析水平

(1)运用圆周运动各物理量间的关系，进行各物理量的分析；

(2)根据对例题的分析，说明实际生活中圆周运动所需向心力的来源；

(3)通过错题的辨析，深层次理解解决圆周运动问题的步骤和要求.

1.4 知识应用水平

(1)总结圆周运动的解决问题的步骤和要求；

(2)学会在生活中应用牛顿定理解决圆周运动问题；

(3)将所学知识应用到解决实际问题.

2 创设情境，引发兴趣

教师手中拿着一瓶打开盖的矿泉水，提问：哪位同学可以使矿泉水瓶口朝下，在经过头顶上方时，水不会撒到头上？

学生在笑声中开始安静，进而思考问题.

学有生思考后说出：用手拿着瓶子，使瓶子在竖直面内转动水就不会撒到头上.

教师：谁来试一试？

回答问题的学生亲自来尝试，进一步引发学习兴趣.

3 积极探索，加深理解

引导学生分析实验成功与失败的原因，学生悟到：关键是水杯通过头顶时的速度要足够大.

教师引出课题：刚才演示的实验是圆周运动的例子，那么，今天我们就来复习圆周运动的相关内容.我们学过哪些描述圆周运动快慢的物理量？它们的作用是什么？它们之间有什么联系？

教学中通过小组讨论，培养学生的团队合作精神，发挥学生的集体智慧.通过补充、总结，加深学生对知识的深层理解.最后教师再进行归纳、提升.

3.1 概念辨析：

教师：以下对线速度和角速度的概念进行比较，如图1所示，A、B、C为三个轮子边缘上的三个点，试比较A、B、C三个点哪个点转的快？

图1

学生：线速度是描述运动快慢，角速度是描述转动快慢的，因此问题应先明确是判断运动快慢，还是转动快慢的，否则无从比较.

教师：分析圆周运动时，除了用上述物理量还需要别的物理量吗？

学生：还需要有向心加速度和向心力.

教师：用细线拴住一小球，使小球在光滑水平面上绕某点做匀速圆周运动，在这一过程中，什么力提供了小球做圆周运动的向心力？该力的作用效果是什么？(通过具体模型分析，深化对向心力的理解.)

学生：向心力使物体的运动方向改变.

教师：如果在保持半径不变的情况下使小球做匀速圆周运动的速度增加，则会引起哪些物理量的变化？(引导学生应用牛顿定律分析问题，剖析知识本质.)

学生：向心加速度.

教师：解决圆周运动的问题，关键在于分析向心力及向心加速度，可运用牛顿定律及等进行分析.

4 规律探寻

分四个学习小组，每个小组分析一个图.先组间讨论，再汇报结论.

教师：试分析以下图中小球及物块做圆周运动时所需向心力是什么力提供的？画出受力分析并列出方程.

图2 物块A随圆盘一起绕中心轴O1O2做匀速圆周运动

图3 小球做圆锥摆运动

图4 汽车运动到拱桥的最高点

图5 竖直面内用细线固定的小球运动到圆轨道最低点A

第一组：对于图2情形，合外力为A所受静摩擦力，它提供了向心力.

教师：为什么静摩擦力不是与运动趋势方向相反沿切线方向，而是指向圆心呢？

学生：静摩擦力的方向是与相对运动趋势方向相反.

第二组：对于图3情形，绳子小球对拉力的水平分力提供向心力，也可以说是重力和拉力的合力提供向心力.

第三组：对于图4情形，汽车所受重力和支持力的合力提供向心力.

第四组：对于图5情形，小球所受重力和拉力的合力提供向心力.

教师：请总结一下，如何寻找向心力？

学生：找圆心，通过受力分析，再找合外力.(分析有漏洞，留下悬念.)

教师：是不是做了受力分析，找到了圆心和向心力，圆周运动的问题就解决了呢？我们来分析火车转弯问题.为了减少火车在水平面转弯时火车轮缘与轨道间的挤压，一般转弯处轨道设计为外轨高于内轨(如图6)，且火车拐弯时有限速要求，已知转弯处圆弧半径为R，内外轨构成的斜面倾角为θ，请问：对火车拐弯时的速度有何要求？

图6

图7

教师：请问他的解答是否正确？说出你的观点.

学生：上述解答不正确.受力分析正确，但火车做圆周运动所在的面没有判断正确，火车应是在水平面内做圆周运动的，而按上述解答，火车是在斜面上做圆周运动的.

教师：非常好，通过此问题我们发现，只是进行受力分析，有的问题不能判断正确，解决圆周运动除了受力分析外，还要注意什么呢？

学生：还要找准圆平面和圆心.

5 总结提升 学以致用

引导学生总结出圆周运动的分析步骤：

(1)确定研究对象；

(2)确定受力体运动的圆平面，找圆心、半径.

(3)受力分析，建立正交坐标系(沿径向和切向)，找向心力；

(4)列出方程.

图8

例：如图8所示，一长为l的轻质细线一端固定于O点，另一端固定一小球，使小球在竖直面内做圆周运动，试分析要使小球能运动到最高点A，那么小球在A点的速度要满足什么条件？

进一步提问：若已知小球在A点的临界速度，能否根据A点速度判断B点速度呢？

通过此环节，让学生学习从不同角度思考问题，提升其分析问题的能力和运用所学知识解决实际问题的能力.

6 模型拓展

在上题中，考虑到学生知道了小球在最高点及最低点的特点，在实际应用中有可能死记硬背在最高点速度小，最低点速度大，而不能灵活应用.故为加深学生对圆周运动的“最高点”和“最低点”的理解，提出下面的拓展练习，同时也为后面的复合场做好铺垫.

图9、图10中有一端固定于O点，另一端固定一带电小球的轻质绝缘细线，使小球在竖直面内做圆周运动，电场方向如图所示.试分析：(1)带电小球运动到最高点和最低点的速度大小关系.(2)在最低点处小球的速度是否是最大的？若不是，小球速度最大的位置在哪里？

图9

图10

7 反思与总结

本课堂教学设计注重从学生的认知特点出发，根据学生的逻辑思维能力从低到高逐渐深入进行设计，使学生在学习过程中的思维能力得到了最大化的训练.另一亮点就是根据玛扎诺的教学理论设置的三维度四水平的教学目标，使教学任务更明确，整堂课开展得更顺畅，有水到渠成的感觉，且在课末对学生的学习效果进行评价测试，课后的拓展练习则为教学开了一个窗口，为学生后续学习做了有意义的铺垫.如何让不同层次的学生都能得到最大的收获，实现真正的分层次教学？这是笔者思考的问题和今后努力的方向.

参考文献：

[1]罗伯特·J.玛扎诺，黛布拉·J.皮克林，塔米·赫夫尔鲍尔.学习目标、形成性评估与高效课堂[M].北京:中国书籍出版社，2012.

[2]罗伯特·J.玛扎诺.教学的艺术与科学[M].福州:福建教育出版社，2014.