以“复兴号”为物理情景设计习题课，提升学生核心素养的尝试

田序海

摘 要：习题课是物理课堂教学的主要课型之一。基于“物理是用来解决问题的，而不只是用来做练习题的”的理念，以“复兴号”为物理情景设计的习题课意在关注物理和现实生活的紧密联系，形成从生活情境到物理情境、从现实物体到物理模型、从实际过程到理想过程，然后再进行问题解决的科学思维。

关键词：物理情景；习题教学；核心素养；定律应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）3-0001-3

【理念思路】 《牛顿第二定律的应用》这节课是学生学习了匀变速直线运动规律和牛顿运动定律后的综合应用课，是习题课课型。牛顿运动定律揭示了力和运动的关系，奠定了物理学和工程学的理论基础。从教学理念意义看，教学设计要参考现实生活中真实的物理情境和问题，培养学生建构理想模型的意识和能力。对客观事物进行抽象和概括，抓主要矛盾和核心问题构建物理模型，可以培养学生的科学思维。从实践和应用意义来看，这节课作为一节习题课，能充分调动学生运用理论解决实际问题的积极性，展示物理知识解决实际问题的鲜明特点。基于以上两点，教学过程要运用真实物理情境所提供的证据或數据对研究问题进行描述、解释和预测，达到提升学生使用科学证据的意识和评估科学证据的能力的目的；在教学目标设计上，重视培养学生基于模型和证据进行科学推理以及运用物理规律解决生活中真实物理情境和问题的能力。同时，要培养学生基于证据从不同角度思考问题，质疑创新，全面细致地解决真实的生活情境和问题的能力，那么在教学流程设计上，教师就应拥有通过生活情境到物理情境，先建立物理模型，选择典型物理过程，再进行问题解决的思维流程。

【社会背景】 2017年我国有很多科技项目取得了重大的突破：天舟合体、航母下水、大飞机首飞、高铁疾驰、歼20服役、量子技术、天文卫星“慧眼”升空等。这一年，中国人真正感受到了中国创造的力量。所以，这节习题课的生活情境可选的素材有很多。为了让学生在学习知识的同时，感受我们国家的飞速发展，增强学生的民族自豪感和归属感，本文选择了高铁这个极具代表性又符合运动规律的例子。“复兴号”和西成高铁，从物理情景来说，一个是水平面运动，一个是斜面运动，代表了动力学问题的两个最常见的物理情景。从学科德育教育层面来看，一个是最快的，体现了中国人民的聪明才智和先进技术；一个是最险的，体现了中国人民勤劳勇敢和不畏艰险的精神。同时，两列列车都是前不久刚开通的，具有德育教育的时效性。以《牛顿第二定律的应用》为例，以“复兴号”为物理情景设计的习题课，尝试提升学生的核心素养。

【生活情境】 图1为“复兴号”动车组，“复兴号”是中国标准动车组的中文命名。“标准”，意味着今后所有高铁列车，只要是具有与“复兴号”相同速度等级的列车，都能连挂运营、互联互通，具有不同速度等级的列车也能相互救援。以动车组的动力分配为例，“复兴号”统一为4动4拖，不管是4、8节，还是12、16节编组，都可以自由组合。2017年6月26日11时05分，具有完全自主知识产权的两列中国标准动车组“复兴号”，在京沪高铁两端的北京南站和上海虹桥站双向发车成功。“复兴号”正常运营时速为350 km/h，实验时速可达400 km/h，成为目前世界上跑得最快的运营列车，也是全球高铁发展的里程碑。

从生活情境到物理情境，要对研究对象、研究过程进行理想化处理。选定特定的物理过程，抓主要矛盾和核心问题构建理想的物理模型。以“复兴号”作为习题的背景，研究“复兴号”在水平面上加速运动过程的受力和运动情况，设计了从力到运动和从运动到力两个方面的分析判断，使学生全面认识到“复兴号”力和运动的关系。

【物理情境】 “复兴号”共8节车厢，每节车厢质量为18 t，动车组的牵引电传动系统包括牵引电机、牵引变流器和辅助变流器，是动车组高速运行的动力来源，被称为“动车之心”。第2、4、5、7节车厢为动力车箱，每节动力车厢携带4台牵引电机，每台牵引电机能提供1.1875×104 N的牵引力，第1、3、6、8节车厢为拖车箱，没有动力。同时，“复兴号”列车比既有的和谐号CRH380系列（350 km/h速度级）人均百公里能耗下降17%左右，有效减少了持续运行的能量消耗。假设每节车厢受到的阻力平均为1.25×103 N，且将“复兴号”从静止加速到最大速度360 km/h的出站过程看成在水平面上的匀加速直线运动。

【提出问题】 （1）“复兴号”从开始启动加速到最大速度的时间有多长？（2）第7节和第8节车厢间的相互作用力有多大？第6节和第7节车厢间的相互作用力有多大？对此你有何推论，有何启发？（3）如果“复兴号”从开始启动加速到最大速度的时间加倍，车厢受到的阻力不变，则牵引力如何变化？

【问题探究】 物理过程：“复兴号”从开始启动加速到最大速度360 km/h的出站过程看成在水平面上的匀加速直线运动过程。建构模型：出站过程，8节车厢运动状态一样，既可以把8节车厢作为质点研究，也可以任选几节车厢作为质点研究。数据证据：每节车厢质量为18 t，每台牵引电动机提供1.1875×104 N的牵引力，每节车厢受到的阻力平均为1.25×103 N，最大速度为360 km/h等。科学推理：8节车厢受恒力作用做匀加速直线运动，每节车厢加速度一样，受力恒定。问题解决：从力到运动和从运动到力，运用牛顿运动定律和匀变速运动规律分析具体问题。

（1）选择整列火车为研究对象，如图2所示，根据牛顿第二定律，可知

（2）选择第8节车厢为研究对象，如图3所示，根据牛顿第二定律，可知

第6、7节车厢间的相互作用力有多大？选择7、8节车厢为研究对象，根据牛顿第二定律，可知

【素养提升】 第6、7节车厢间的相互作用力出乎意料是0。进一步思考2、3节或4、5节车厢呢？答案也是0，这是巧合吗？将来12、16节编组车厢的受力特点呢？这是设计者的创新智慧。所以，“复兴号”是中国标准动车组，今后所有高铁列车，只要是具有相同速度等级的车，都能连挂运营，互联互通，足见其中创造的高明之处，而这些高明的创作的基本原理就是牛顿运动定律。

【规律总结】 从“复兴号”这个具体运动归纳出解决动力学的两类问题，完成了从实践到理论的升华。一方面让学生逐步认识高铁加速的相关数据，另一方面总结研究匀变速运动的动力学方法，如图4所示。用牛顿运动定律解决问题的步骤：选定物理过程，确定研究对象，建立物理模型；分析受力情况和运动情况，画示意图（受力和运动过程）；用牛顿第二定律和运动学公式列方程求解。

【教学流程】 问题创设情景，任务驱动教学。图5为该教学流程的示意图。以讨论和解决有价值的问题为核心任务，充分发挥创设问题情境的作用，营造学生主动参与的课堂教学环境，以任务驱动的方式促进师生、生生之间的互动和交流。密切联系生活实际，全方位调动学生主动获取知识的积极性，使教学活动得以真正发生。本文选择了西成高铁在斜面上的运动为例，增加了物体受力分析和运动规律应用的难度。

【巩固练习】 CRH3A型和谐号动车组是西成高铁的主力军，如图6所示，它牵引力较普通动车组大，可以保证动车组在20‰的坡道上静止和启动不溜车，实现坡停、坡启。早年建成的宝成铁路，是靠两个机车一前一后同时使劲，才能穿越蜀道、翻越秦岭。CRH3A列车从清凉山隧道开始一路上坡，采用大坡度穿越秦岭，长达数十公里。 如果有一段坡度为25‰的桥面，坡道直接落差为1 000 m，我们假设列车从坡底由静止开始做匀加速直线运动，经1 000 s到达坡顶。已知列车总质量为200 t，受到的阻力为1.34×105 N，求：列车到达坡顶的速度有多大？列车爬坡时需要多大的牵引力。

【教学悟道】 “物理是用来解决问题的，而不只是用来做练习题的”。基于提升核心素养的习题教学要突出物理与现实生活及科技发展的联系，教学内容要涉及对必备知识的深入理解、关键能力的强化训练、学科素养的综合提升、核心价值的入脑入心。选题注重基础性、综合性、应用性、时代性和创新性，强调应运用所学知识解决真实问题并在解决问题的过程中形成方法策略，凸显学科本色和课改特色。通过运用牛顿运动定律解题，对学生而言，一个好的习题就是一个好的科学问题，犹如一个科学问题对于科学家而言，就是一道习题一样。要全面展现物理学科的内涵：物理是一门科学，物理是一种智慧，物理是一种文化。

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