“相对运动”教学逻辑的优化设计

摘 要：运用逻辑化处理策略，对“相對运动”的教学逻辑进行优化设计.结合此案例，阐述高中物理教学逻辑优化设计的三个策略：一、基于准确把握知识内在逻辑进行优化设计；二、基于落实学科课程目标进行优化设计；三、基于把握学情进行优化设计.准确把握知识内在逻辑是教学逻辑优化设计的基础，依据课程目标，结合教学内容的内在逻辑，准确确定具体教学目标，是教学逻辑优化设计的主线，适应学情是教学逻辑优化设计的根本.

关键词：相对运动；教学逻辑；优化设计

笔者运用逻辑化处理策略对人教版高中物理教材《物理》必修2（第三版）中第五章第一节“曲线运动”教学内容进行处理的过程中，发现教材编写逻辑以及实际教学逻辑存在问题，认为教材和实际教学中把曲线运动的合成分解和“相对运动”混为一谈不妥，建议将第五章第一节“曲线运动”中“运动描述的实例”删除或后置.[1]31“运动描述的实例”实际上是对“相对运动”的研究.“相对运动”是学生形成运动观不可或缺的内容.笔者建议将其删除，只是基于对该内容相对高中学生的难度的一种考量.如果从物理核心素养视角、知识内在逻辑和学生认知规律角度考量，建议将该内容后置，置于平抛运动之后，或者置于章末.本文探讨后置之后，关于“相对运动”教学逻辑的优化设计.

一、“相对运动”教学逻辑的优化设计

（一）创设情境 展开探究

同桌两人为一小组，每组发一张探究学案.学生经历分组合作探究过程，教师巡视.探究学案内容如下.

情景：如图1所示，雨点以v1=4m/s的速度竖直下落，小明正以v2=3m/s的速度向东跑.

问题：（1）根据自己的生活体验，能否判断小明感觉到雨点沿什么方向落向自己？（2）你能否画出小明感觉到雨点落向自己的速度的示意图？能否用事例证明你的观点？

探究：（1）请把三个速度的示意图平移画到一起，使它们尾端重叠.（2）猜想，这三个速度之间遵守什么规则？（3）假定规则，求出雨点相对小明的速度.

（二）评价交流 统一认识

（1）教师通过巡视，观察学生探究情况，探究结束，进行评价，表扬获得较好探究成果的小组.

（2）展示最优成果，统一认识.某一组探究成果如下：画出雨点相对小明的速度示意图v3如图2；举证，打伞伞柄斜向上；画出三个速度平移到一起使它们尾端重叠的示意图如图3；猜想，三个速度之间遵守平行四边形定则，v1是平行四边形的对角线，v2、v3为平行四边形的邻边；假定，遵守平行四边形定则，根据定则做出这三个速度的图示如图4；求得雨点相对小明速度大小为5m/s.

（三）建立概念 总结规律

1.建立概念

（1）“相对运动”问题涉及两个参考系，一个静止参考系（一般选地面或相对地面静止物体），另一个是运动参考系，本例的两个参考系是地面和运动的小明.

（2） “相对运动” 问题针对三个运动，运动对象相对静止参考系的运动（位移、速度、加速度）称为绝对运动（绝对位移、绝对速度、绝对加速度），运动参考系相对静止参考系的运动（位移、速度、加速度）称作牵连运动（牵连位移、牵连速度、牵连加速度），运动对象相对运动参考系的运动（位移、速度、加速度）称为相对运动（相对位移、相对速度、相对加速度）.本例中，研究对象雨点，相对地面的运动为绝对运动，相对小明的运动为相对运动，小明是运动参考系，小明相对地面的运动为牵连运动.

2.总结规律

（1）绝对速度（绝对位移、绝对加速度）、相对速度（相对位移、相对加速度）和牵连速度（牵连位移、牵连加速度）之间遵守平行四边形定则（或三角形定则）.

（2）用平行四边形定则表述为：三个矢量四边形，相对、牵连和绝对，相对、牵连两邻边，夹一绝对对角线.（图示略）

（3）用三角形定则表述为：三个矢量三角形，相对、牵连和绝对，相对、牵连头咬尾，绝对连尾又碰头.（图示略）

（4）伽利略最早揭示了相对运动的规律，称做伽利略变换.伽利略变换只适用于宏观物体低速运动情况，对高速相对运动的规律，用洛仑兹变换.

（四）运用变式 拓展深化

船渡河运动问题分析.以问题化为手段，引导学生按以下逻辑展开研究.

（1）情境呈现：船渡过流水河.（展示图示和教师语言描述，或展示图示和观看船渡河视频）

（2）提出问题：关于船渡河，我们一般关注哪些问题？渡河时间；渡河位移；渡河航线（轨迹）等.

（3）该情境主要物质有哪些？船，流水，河岸；该问题的研究对象是什么？船.

（4）两个参考系是什么？静止参考系是两岸，运动参考系是流水.

（5）三个运动是什么？绝对运动：船相对两岸的运动；相对运动：船相对水的运动；牵连运动：水的运动.

（6）建立模型.最简单的河道是什么样子？（河道建模）两岸为平行直线，河宽度不变；最简单的运动是什么？（运动建模，水流建模）最简单的模型是相对运动和牵连运动都是匀速运动，牵连运动为匀速，指河中任意位置的水流速度相同；假定相对运动仍然为匀速运动，但水流模型假设为：沿同一平行河岸线各点速度相同，但在垂直河岸方向，中央速度最大，靠近两岸逐渐变小，那么，牵连运动是什么运动？先加速后减速.本节主要针对相对运动和牵连运动都是匀速运动模型探讨渡河时间、渡河位移和渡河航线（轨迹）等问题，有兴趣的同学们课后可以进一步探究更为复杂模型的渡河问题.

（7）运用概念、规律解决问题.船相对两岸的运动（位移、速度、加速度）称为绝对运动（绝对位移s绝、绝对速度v绝、绝对加速度a绝），水的运动（位移、速度、加速度）称作牵连运动（牵连位移s牵、牵连速度v牵、牵连加速度a牵），船相对水的运动（位移、速度、加速度）称为相对运动（相对位移s相、相对速度v相、相对加速度a相）.其中，相对运动（相对位移s相、相对速度v相、相对加速度a相）是由驾船人控制的，比如相对速度v相的方向和大小.这里，我们做一些约定，在高中物理习题中，相对速度v相的方向就是沿船头方向；另外，有的习题中，会出现“船在静水中的速度”一说，相对速度v相等于“船在静水中的速度”.endprint

如果相对运动和牵连运动都是匀速运动，则有a相=0，a牵=0，根据平行四边形定则，得a绝=0，故可推断绝对运动也是匀速运动，其航线为直线.下面我们讨论两种特殊情形，如图5，相对速度v相垂直河岸，如图6，绝对速度v绝垂直河岸.航线如图5、图6中沿绝对速度v绝的虚线所示.因为三个运动均为匀速直线运动，所以渡河时间t===.设河宽为d，则图6中=，当时，即图5情形，d.在保持相对速度大小不变前提下，由t=可知，无论还是，图5情形为渡河时间最短，但绝对位移不是最短.图6情形，绝对位移最短，所以最短渡河位移为d，但从图6可知此情形必须满足，若，最短位移问题请有兴趣的同学课后进一步讨论.

二、教学逻辑的优化设计策略

如何对教学逻辑进行优化设计？笔者运用逻辑化处理策略，[2-4]针对“相对运动”教学逻辑的优化设计案例，主要谈以下三个策略.

（一）基于准确把握知识内在逻辑进行优化设计

教材把“相对運动”的教学内容和曲线运动的研究编排在同一节，并且缺乏对相对运动问题表述概念的建立，致使大多数高中物理教师把“相对运动”和运动的分解、合成混为一谈，偷换概念，对“相对运动”进行错误表述，不仅误导学生对“相对运动”的理解，增加学习和运用的难度，而且还对平抛运动的学习产生强烈的前摄抑制作用.[1]31可见，知识的内在逻辑不清或者混乱，教学逻辑的设计必然先天不足，纵然千方百计终归事倍功半.所以，教学逻辑的优化设计，必须正本清源，以准确把握知识内在逻辑为基础.正是基于厘清了曲线运动的分解合成与“相对运动”的本质区别，笔者才优化设计了把“相对运动”分离后置，并且增设了建构描述“相对运动”的相关概念的教学逻辑架构.

（二）基于落实学科课程目标进行优化设计

随着课程改革的不断深化，高中物理学科的课程目标从“三维目标”升级为“物理核心素养”目标.依据课程目标，结合教学内容的内在逻辑，准确确定具体教学目标，是教学逻辑优化设计的主线.主线是纲，纲举目张.

高中物理核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面.物理观念包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素.科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素.科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素.

在确定具体教学目标时，切忌把课程目标全面套用，而要结合教学内容的特点，制定切实可行的目标.要着重落实由于应试理念造成的忽视模型建构、质疑创新、科学探究和科学态度与责任这些目标.

“相对运动”是日常生活生产中常见的运动，对学生形成运动观念不可或缺.既然是生产生活中常见的运动，就应当信手拈来，选择生产生活中常见的相对运动情境为例，大可不必闭门造车，做个“蜡块运动”演示实验.落雨情境，每个学生都多次身临其境，无需做演示实验，对其感性认识也胜于初次课堂上所见的“蜡块运动”. “蜡块运动”不是生产生活常见的，以此为例，使物理脱离生产生活，设计从落雨探究物理规律，再用物理规律去研究渡河等实际问题，从生产生活走向物理，再把物理应用到生产生活中去，凸显物理的科学价值.

针对应试教育忽视的目标，设计了对落雨运动的探究，落实科学探究，设计对船渡河问题的解决，落实模型建构.应试教育忽视模型建构，使物理成为纯理无物.只有重视模型建构，学生才能够见物思理，对物说理，以理究物.所以，模型建构应当贯穿物理教学始终，把模型建构作为必要的教学逻辑层次之一.精心创设物理情境，按照科学探究的主要要素设计教学逻辑，把科学探究素养目标巧妙地融合于教学逻辑设计当中.

（三）基于把握学情进行优化设计

没有学情分析，一切教学目标的实施都不可能真正实现，只能是空中楼阁.学生是课堂的真正主体，一切教学活动是围绕这一主体的主动参与学习展开的，只有当教师充分了解自己的学生，对学生进行学习前的各种情况分析，才能有效地利用学生的最近发展区完成各项学习活动，从而做到有的放矢.优化设计教学逻辑最终是为了学生主体的发展，适应学情是优化设计的根本.

学情分析重点把握两个方面，第一方面，学习基础，包括能力水平、知识基础和前概念等，第二方面，认知规律，包括心理特点、思维规律、情感意志状态和学习习惯等.要通过理论研究和实践调查，分析教学逻辑的设计是否符合学情.

设计以落雨运动为例进行探究，主要基于以下学情分析.首先，考虑到这是与学生生活密切相关的运动，比演示蜡块运动更加能够激发学生探究兴趣，教学实践表明，学生探究的积极性都很高.其次，笔者先经过抽查不同层次学生，调查学生对落雨运动的感悟能力，问：雨点相对地面竖直下落，跑步的人感觉雨点是沿什么方向打到脸上的？大多数都能正确回答，个别经过问题反复说明，也能纠正.第三，“猜想”的设计也是适应学生基础的，学生在“探究求合力的方法”中已有类似的体验.

在船渡河运动问题解决教学过程，设计了建构模型的教学逻辑层次.其实，高中学生完全有能力建构这些简单的模型，但由于长期的应试教育影响，学生都缺乏建构模型的意识和习惯.笔者运用问题化手段，点醒学生建构模型的意识和习惯.教学中，如果始终重视模型建构的意识和习惯的培养，必能点化学生建构模型的能力.

参考文献：

[1]张惠作.“曲线运动”教学逻辑的设计[J].中学物理教学参考，2016（12）.

[2]张惠作.高中物理教学内容的逻辑化处理模式和措施[J].教学月刊·中学版（教学参考），2015（1）：37-41.

[3]张惠作.高中物理教学内容的认知化处理策略[J].教学与管理，2015（9）：66-68.

[4]张惠作.高中物理教学内容的细腻化处理[J].教学与管理，2016（11）：70-72.endprint