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基于学习进阶理论的物理复习课教学设计

2017-05-03潘照萍

物理教学探讨 2017年4期
关键词:学习进阶复习课

潘照萍

摘 要:学习进阶是当前国际物理教育领域最热门的研究课题之一,曾被一些教育研究者奉为能使学习步入“正轨”的灵丹妙药。本文以“功能关系在力学中的应用”为例,分析进阶起点、进阶目标,对学生的学习困难与障碍进行分析诊断,搭建层层台阶,寻找适合学生的最佳学习路径,促进复习课的有效教学。

关键词:学习进阶;复习课;进阶路径

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2017)4-0009-4

学习进阶是当前国际物理教育领域最热门的研究课题之一[1],曾被一些教育研究者奉为能使学习步入“正轨”的灵丹妙药。要构建学习进阶,首先要明确什么是“阶”。学习进阶并不只是解决学习者认知发展路径的问题,它解决的是学习者认知发展过程中用以“踏脚”的具体“脚踏点”[2]。

学习进阶是符合学生思维发展规律,围绕核心概念由浅入深的进阶过程。体现为学生在学习同一主题的概念时所遵循连贯的、典型的学习路径[3]。在明確进阶起点的基础上,分析、诊断进阶的困难和障碍,围绕进阶层级寻找最优化的进阶路径,设计核心活动,依次进阶,逐级深化。[4]以下以“功能关系在力学中的应用”为例,巧搭学习进阶,促进物理复习课的有效教学。

1 进阶起点分析

学生经过一轮复习,对功能关系处理力学中的问题已经有一定的感悟。再加上平时的测试,试卷讲评课的不断强化,初步形成了用功能关系处理问题的思想方法。但缺乏知识的整合简化,这就需要我们在高三二轮复习时完善搭建。

2 进阶的目标

通过铺设的阶层,沿着最优化的进阶路径,依次进阶,逐级深化,达到进阶终点,熟练应用功能关系解决直线、曲线运动中的力学问题。

3 进阶的学习困难与障碍分析及诊断

3.1 受力分析

经过高三一轮的复习,部分学生往往忽视最基本的受力分析。这部分学生往往因为场景熟悉,而想当然地认为受力情况与之前做过的一致。经常出错的有重力、正压力等。尤其在多过程的问题中,物体受力情况可能发生了改变,而学生却没有分析出来。

3.2 运动分析

物体从直线运动过渡到曲线运动,学生都会重新受力分析,判断运动模型。但是,往往会在直线运动的不同阶段,由于受力变化导致运动情况改变时部分学生会出错。

3.3 做功分析

有了受力分析和运动分析,学生做功分析应该会很顺利地得出。但是,部分学生会因为力的分解搞错,也会因为对做功计算的理解偏差出错,也会因为受力分析错误导致做功算错。

3.4 初末位置的选取

用功能关系解题,灵活选取初末位置很关键,选好了初末位置,式子列出来就更简洁,计算会更快捷。部分学生在选取初末位置时会比较纠结,到底应该选全程列式,还是分段列式,学生把握不好。

4 进阶层级划分与进阶路径设计

多数研究者认为学习进阶有两个特征:第一,学习进阶路径不是唯一的;第二,学习进阶不能脱离教育过程而自发进行。这两个特征的产生正是主客体相互作用的结果[2]。基于本校学生的实际情况,以“功能关系在力学中的应用”进行进阶层级划分和路径设计。

4.1 进阶一层,复习导入

回顾几个重要的功能关系:

1.重力做功等于重力势能的变化,即

WG=-ΔEp

2.弹力的功等于弹性势能的变化,即

W=-ΔEp

3.合力的功等于动能的变化,即W=ΔEk。

4.重力(或弹簧弹力)之外的其他力的功等于机械能的变化,即W=ΔE。

4.2 拾阶而上,进入课题

例1 温州文成滑雪场,某段雪道倾角为30°,如图1所示,总质量为m(包括雪具在内)的滑雪运动员从距底端高为h处的雪道上由静止开始匀加速下滑,加速度为g。在他从顶端向下滑到底端的过程中,下列说法中正确的是( )

A.运动员减少的重力势能全部转化为动能

B.运动员获得的动能为mgh

C.运动员克服摩擦力做功为mgh

D.下滑过程中系统减少的机械能为mgh

答案:D选项。

学生活动:先做,个别回答。

教师活动:在解题示范区板演各选项所对应的功能关系。

设计思想:温州文成滑雪场的背景设置,增加真实亲切感,30°和g的设置容易算错。这个题目也很好地把几个重要的功能关系复习到位。虽然很基础,却是本堂课搭建的第一个台阶。

4.3 变式拓展,逐级深化

【变式1】 如图2所示,运动员从倾角为45°的雪道A点静止滑下到达底端C点与从30°雪道P点滑到C点系统减小的机械能哪个多?(动摩擦因数相同)

学生活动:先思考,个别回答。

教师活动:板演这两个过程中摩擦力做功相同的推导过程。

考查:动摩擦因数相同的情况下,摩擦力做功与倾角无关。

【变式2】 如图3所示,质量为m的运动员从高为H的A点滑下,到B点停止。C点无能量损耗,动摩擦因数处处相同。问:克服摩擦力做功为多少?

学生活动:口算。

教师活动:板演A—B过程的功能关系。

设计意图:为下一个台阶作铺垫。

【变式3】 如图3所示,用一个与速度方向始终相同的力,缓慢地将运动员从B点拉到A点,拉力需要做多少功?

学生活动:列式运算。

教师活动:板演B—A过程的功能关系。

【变式4】 如图4所示,将斜面换成曲面,从A点静止下滑到B停止,再用一个始终与速度方向相同的力缓慢拉到A点,问拉力做功与2mgH的大小关系?

点拨:下滑过程AC段速度比缓慢拉回任何对应位置的速度大,需要的向心力大,摩擦力大,克服摩擦力做功多。

学生活动:思考并定性分析。

教师活动:定性分析,不做定量运算。

【变式5】 (2013年温一模)如图5所示,在竖直平面内有一“U”形槽,其底部BC是一段粗糙的圆弧,两侧都与光滑斜槽分别相切,相切处B、C位于同一水平面上。一小物体从右侧斜槽上距BC平面高度为2h的A处由静止开始下滑,经圆弧槽再滑上左侧斜槽,最高能到达距BC面高度为h的D点,接着小物体再向下滑回,若不考虑空气阻力,则( )

A.小物体恰好滑回到B处时速度为零

B.小物体尚未滑回到B处时速度已变为零

C.小物体能滑回到B处之上,但最高点要比D点低

D.小物体最终一定会停止在圆弧形槽的最低点

学生活动:思考、判断、讨论。有了变式4、5,学生很容易选出C选项。

拓展:若CD、AB粗糙,μ

4.4 曲线化圆,层级深入

例2 如图6所示,ABCDO是处于竖直平面内的光滑轨道,AB是半径R=15 m的1/4圆周轨道,半径OA处于水平位置,CDO是直径为15 m的半圆轨道,两个轨道如图6连接固定。一个小球P从A点的正上方距水平半径OA高H处自由落下,沿竖直平面内的轨道运动。通过CDO轨道的最低点C时对轨道的压力等于其重力的倍。取g为10 m/s2。

问题1:H的大小?

学生活动:列式计算,一个学生上台板演。

教师活动:巡视四周,讨论板演过程。

学生易错点:BC点半径不同,學生计算C点的压力时容易取半径值用B点对应的半径。

问题2:小球第一次会不会脱离CDO轨道?

教师活动:问小球不会脱离轨道有几种情况?

学生活动:

讨论,一位学生代表回答:有两种,小球到D点速度恰好为零,或到不了D点;小球能过最高点O。

学生活动:思考,列式计算。

教师活动:示范板演。

课后思考:小球再次落到轨道上的速度大小?(提示:X2+h2=R2)

设计思想:圆周运动中,用功能关系求力,用功能关系分析临界问题,为下一例题作铺垫。

4.5 融会贯通,拾阶登顶

【变式】 如图7所示,AB和CDO都是处于竖直平面内的光滑圆弧形轨道,OA处于水平位置。AB是半径R=2 m的圆周轨道,CDO是半径r=1 m的半圆轨道,最高点O处固定一个竖直弹性档板,小球碰后原速反弹。D为CDO轨道的中央点。BC段是水平粗糙轨道,与圆弧形轨道平滑连接。已知BC段水平轨道长L=2 m,与小球之间的动摩擦因数μ=0.4。现让一个质量m=1 kg的小球P从A点的正上方距水平线OA高H处自由落下。(取g=10 m/s2)

问题1:当H=1.4 m时,小球能不能冲到O点?

学生活动:列式计算,可以到达O点。

教师活动:引导学生思考,小球在O点反弹后,沿ODC下滑过程肯定不会脱离轨道,但是小球第二次、第三次冲上CDO轨道的过程中,会不会脱离轨道?

问题2:当H=1.4 m时,试通过计算判断此球全过程是否会脱离CDO轨道 ?

学生活动:思考,列式计算。

教师活动:暗示学生先判断D点能不能到达。由此降低难度,推进课堂进度。

学生活动:算出第三次到达D点时速度恰好为零,判断出小球将不会脱离轨道。

问题3:如果不会脱离轨道,求静止前球在水平轨道经过的路程?

学生活动:选择过程列式并计算。

教师活动:挑选不同过程列式计算的方法展示。

拓展:最终球静止时,小球距B的距离是多少?

设计思想:还是一道脱离轨道的问题,学生容易犯定性思维的错误,以为第一次不脱离CDO轨道就认为判断完成。以此培养学生思维的严密性。

5 进阶终点,形成模型

在搭设层级和设计进阶路径的过程中,呈现模型的转化,最终形成一定的模型。这对一节高三二轮复习课来说是有效地归总,有利于学生搭建知识网络,有利于学生深刻理解这类问题的处理方法。

以上就一节基于学习进阶理论的高三二轮以“功能关系在力学中的应用”为例的复习课,搭建层层台阶,寻找适合学生的最佳学习路径,促进复习课的有效教学。

参考文献:

[1]翟小铭,郭玉英.十年来国际物理教育研究热点分析及启示[J].全球教育展望,2015(5):108-117.

[2]翟小铭,等. 构建学习进阶:本质问题与教学实践策略[J].教学科学,2015(4):47-51.

[3]吕含吟,等.如何应用“学习进阶”改进高中物理教学设计[J].中学物理,2016,34(2):68-69.

[4]韩叙红,等.基于教学进阶的翻转课堂的教学设计[J].教学月刊-中学版(教学参考),2016(9):43-48.

(栏目编辑 赵保钢)

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