基于学习进阶的教学设计

汪弘

摘 要 为了加深学生对科学概念、科学解释及科学实践的认识，基于学习进阶对“宇宙航行”进行了的课堂教学设计。围绕发射速度和环绕速度的辨别及物体做离心运动的条件进行了教学设计，前后呼应、相互贯通，形成了循序的、连贯的、逐級递进的学习序列，加深学生对相关概念的思考和理解。

关键词 学习进阶 教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A

1学习进阶

学习进阶（learning progressions）是美国科学教育改革中提出的一个概念。2007年，美国国家研究理事会（NRC）发布《让科学走进学校：K-8 年级科学学习的学与教》（《Taking Science to School：Learning and Teaching Science in GradesK-8》），将它定义为“随着时间的不断增加，学生对某一学习主题的思考和认识不断丰富、精致和深入的一种过程”。学习进阶是对学生学习同一主题的概念时所遵循的连贯的循序的学习路径的描述，呈现出认识经过多个中间水平的不断完善、发展、深入。是学生对所学知识逐渐发展、不断成熟的过程，是教师使用恰当的教学策略的结果，也是学生主动思考、探究和推理的结果。

“宇宙航行”是人教版《必修2》万有引力与航天一章的最后一节，是学生对该章所学知识进行综合应用的内容。“宇宙航行”重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度。在学习进阶的教学设计中，先让学生通过牛顿大炮从平抛运动过渡到绕地球运转的匀速圆周运动，并联系物体做离心运动和近心运动的条件，分析、计算近地卫星绕地球做匀速圆周运动的速度大小，得到第一宇宙速度；其次，明确第一宇宙速度是最小发射速度、最大环绕速度，并对发射速度和环绕速度进行区分；最后，根据物体离心运动的条件分析得到增大发射速度时，物体将做离心运动，理解第二宇宙速度和第三宇宙速度的概念。教学设计围绕着物体做离心运动的条件、发射速度和环绕速度，形成了循序的、连贯的、逐级递进的学习序列。

2教学过程

2.1情景设疑

师：在科学技术欠发达的古代，"嫦娥奔月"只能是美丽的传说。这个飞天梦，现在实现了吗？播放运载嫦娥一号卫星火箭的升空视频。

提问：火箭在卫星的发射过程中起着什么作用？没有火箭，地球上的物体能飞上天空吗？地球上的物体想要飞上天空，在宇宙间航行需要满足哪些条件？随意抛出一个物体，可以吗？怎样抛才行？

生：提出猜想。

设计意图：让学生观察人造卫星发射的过程，并提醒学生注意升空的是装载卫星的火箭，火箭升空后脱落，卫星绕地球环行。以此有意识地将升空的火箭与环行的卫星区别开来，为发射速度与环绕速度的学习埋下伏笔。同时，通过创设问题情境，使学生心中存疑，激发学生求知欲。并借助火箭升空的实例，引导学生提出猜想抛出的速度足够大时，物体才能飞上天空。

2.2深入探究

师：讲述牛顿关于人造卫星的设想——牛顿大炮。引导学生得出，抛出的速度足够大时，物体将环绕地球做匀速圆周运动。

生：思考和分析。

提问：抛出去的速度大到什么程度才能够让物体绕地球做匀速圆周运动呢？

生：思考物体做匀速圆周运动的条件。

师：物体做匀速圆周运动，需要万有引力来提供向心力。速度变化时，物体做匀速圆周运动所需的向心力会跟着变化。当速度过小（或过大）时，万有引力将小于（或大于）所需的向心力，物体做近心（离心）运动。只有物体在某个速度下的向心力和万有引力恰好相等时，物体做匀速圆周运动。

生：回顾相关物理知识，分析物体运动情况。

设计意图：围绕物体做近心运动和离心运动的条件进行分析，让学生理解只有当物体做匀速圆周运动所需的万有引力等于向心力时，抛出去的物体才能不掉下来，物体将绕地球运转成为地球的卫星。

2.3分析推导

2.3.1第一宇宙速度

生：运用计算器计算近地卫星的运行速度。

师：在地球表面附近，若忽略随地球自转所需的向心力，万有引力和重力近似相等。引导学生理解计算第一宇宙速度的两种方法，并强调公式的使用范围、计算结果不一致的误差来源。

2.3.2最小发射速度和最大环绕速度

提问：近地卫星的轨道贴近地球表面，是最低的。将人造卫星送到较低位置和较高位置，哪一个更容易？所需的速度哪一个更大？卫星在越高的位置绕地球做匀速圆周运动，绕行的速度越小。更高的位置更容易吗？

生：给出猜想并说明理由。

师：位置越高，轨道半径越大，速度越小。这个速度是卫星被发射到空中后绕地球做匀速圆周运动的线速度，是环绕速度。而问题问的是卫星被发射到空中前要给卫星的速度，是发射速度。火箭的作用是通过点火、发射火箭来给火箭内的卫星一个速度（发射速度）。升空后火箭成为残骸坠落，卫星绕地球环行，其速度是环绕速度。

提问：这两个速度哪一个可能要更大一些？在地面上给人造卫星一个发射速度让它升空后能够绕地球运行，这个过程中有没有损失？要克服什么吗？

生：空气阻力和万有引力。

师：要让一个物体更高，要给它更大的初（下转第83页）（上接第80页）速度。第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度。但是近地卫星，从地面发射，升空后贴近地面飞行。不用上到太高的位置，损失不是很大，发射时速度为7.9km/s就可以了。而近地卫星是离地面最近、位置最低的卫星，上到更高的位置要更大的发射速度，所以7.9km/s是人造卫星的最小发射速度。

提问：在环绕速度中，第一宇宙速度是最大的还是最小的？

生：给出猜想并说明理由。

师：若近地卫星绕行速度变大，将会做离心运动，到达更高的位置。位置越高，轨道半径越大，环绕速度越小。第一宇宙速度是最大的环绕速度。

2.3.3第二宇宙速度和第三宇宙速度

师：以7.9km/s的最小发射速度发射人造卫星，它将在地球表面附近做环绕地球的匀速圆周运动，成为近地卫星。

提问：如果发射速度大与第一宇宙速度呢？

生：将做离心运动。

师：讲解第二宇宙速度和第三宇宙速度。

设计意图：围绕物体做匀速圆周运动时速度的变化引起的受力变化，即物体做离心运动和进行运动的条件进行教学设计，贯穿人造地球卫星从提出设想到成功发射的历程。同时，解释课堂开始时提出的问题，提升学生的学习成就感，让学生体会到物理与科技的密切相关。通过一个接一个的问题，步步引导，为学生搭建台阶来学习本节知识的脚手架。环环相扣，步步紧逼，让学生在教师的引导下积极地参与其中，主动地思考和分析，完整地经历整个探究过程，以此来加强学生对宇宙速度等概念的理解和掌握，同时也增强和培养学生学习物理的兴趣与自信。

2.4课后思考

提问：嫦娥卫星一号发射速度大小的范围。若发射的是火星探測器呢？

生：第一宇宙速度和第二宇宙速度之间，第二宇宙速度和第三宇宙速度之间。

设计意图：围绕人造地球卫星从提出设想到成功发射的历程，巩固本节知识。加强与现代社会及科技发展的联系，增强学生科学探索的兴趣，有助于学生发展自主学习能力，养成良好的思维习惯。

3教学反思

人造卫星是万有引力定律的一个应用实例，是人类利用知识的力量征服自然的见证，是《万有引力与航天》章节知识的重要内容，更是学生了解现代科技的良好素材。本教学设计通过人造卫星发射升空，对发射时的火箭与环绕时的人造卫星对发射速度和环绕速度进行了区分和辨别。通过人造卫星做匀速圆周运动时由万有引力提供向心力、速度变化导致人造卫星可能做离心运动（或近心运动）的重点内容贯通了整节课，使学生经历了一个思路清晰、环环相扣、循序渐进的学习过程，符合学生的认知特点，达成了对本节知识内容的学习进阶。

参考文献

[1] 皇甫倩，常珊珊，王后雄.美国学习进阶的研究进展及启示[J].外国中小学教育， 2015（08）：53-59.

[2] 范增.我国高中物理核心概念及其学习进阶研究[D].重庆：西南大学，2013.

[3] 刘晟，刘恩山.学习进阶：关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报，2012（02）：81-87.

[4] 李佳涛，王静，崔鸿.以“学习进阶”方式统整的美国科学教育课程——基于《K-12科学教育框架》的分析[J].外国教育研究，2013（05）：20-26.