基于核心素养的高中物理教学设计探讨①——以“曲线运动”教学为例

周和建 茅君平

(浙江省台州市第一中学,浙江 台州 318000)

1 物理观念定框架

教师在设计一节课的教学前,要先思考该节课主要培养学生哪一种物理观念。教材内容的顺序在一定程度上反映了观念形成的顺序,并且每一种观念都具有层次性。本文以“曲线运动”为例,运用运动观和相互作用观架构课堂教学。

1.1 运动观架构

本节课是学生从直线运动过渡到曲线运动、形成运动观的关键一节课，如图1所示,以运动观架构本节课的内容,对比直线运动与曲线运动,运用极限思想,体会转换方法,有助于学生构建机械运动的整体框架。

图1

1.2 相互作用观架构

学生的学习从物体做直线运动的加速、减速条件到牛顿运动定律,再到物体做曲线运动的条件,这是从相互作用观视角建构的过程，也就是以运动的描述为主线,利用牛顿运动定律,以相互作用观架构本节课的内容(如图2)。

图2

2 科学思维重迁移

本节课从物体的位置变化到位移的描述,从速度方向到曲线运动的动力学条件,探究活动都按照“现象→实验→理论”的流程展开,前后呼应。每一个活动设计都注重学生科学思维能力的培养,特别是对已有知识和方法的迁移运用。

2.1 坐标系的迁移

针对曲线运动的位移这部分内容,教师会采用两种常规的处理方法:一是跳过这部分,在运动的合成与分解中再学习;二是简单带过,直接给出学生熟悉的直角坐标系,指出用坐标确定物体的位置。

事实上,建立坐标系的过程就是运动分解的过程,而分解具有多样性。在后续的曲线运动学习中,我们将会用直角坐标系处理平抛运动,用自然坐标系处理圆周运动,分解方法多样性的背后隐藏着科学思维方法的教育。作为曲线运动一章的第一节,学生应该从整体上理解：为什么要对曲线运动进行分解？为什么要这样分解？

创设情境:发射炮弹。如图3所示，要描述其位置,依据位移的定义,用长度表示大小,用夹角表示方向,用位移矢量表示物体位置的变化,这种方法就是极坐标法。还可根据炮弹实际运动情况：越飞越高并越飞越远,建立直角坐标系以确定其位置,即把曲线运动分解为两个直线运动进行研究。在具体情境中,分解方法视解决问题的方便和有效性进行选取。

图3

2.2 极限法的迁移

对曲线运动速度方向的理论解释,就是在极坐标下,利用极限法,把割线转化为切线,同时也就把物理中的过程量转化成瞬时量,进而推出瞬时速度的方向沿曲线的切线方向(如图4)。

图4

2.3 矢量分析法的迁移

物体做曲线运动的条件是力与速度方向有夹角,且力指向曲线的凹侧，可利用如图5所示的矢量分析法验证该结论。初速度方向沿轨迹的切线方向,力指向轨迹的凹侧。根据牛顿第二定律,加速度与力同向,加速度与速度变化量同向。再根据平行四边形定则,画出末速度的方向，也就是沿轨迹的切线方向,从而证明结论的正确性。

图5

3 实验探究有深度

在教学中可运用变式,增加实验探究的深度,引导学生多层次、全方位地认识物理现象和理解物理规律。

3.1 速度方向的深入探究

关于曲线运动的速度方向有很多典型实验,例如转动雨伞洒出水滴、砂轮磨刀具产生火星、光盘上甩出红墨水等,通过具体事例得出结论似乎是显而易见的,但事实上并非如此。以旋转光盘上的红墨水为例,红墨水在离开光盘后,实际上做平抛运动,若要忽略重力的影响,必须尽量减小光盘和纸面间的距离，再根据牛顿第一定律,红墨水甩出后可近似看作做匀速直线运动,由红墨水的运动方向推出光盘边沿做圆周运动的速度方向。

3.2 曲线运动条件的深入探究

利用拆卸板的方式构建一般情形的曲线轨道,根据牛顿第一定律,得出一般曲线运动的速度方向就是沿轨迹的切线方向。在此实验基础上深入变化,提出问题:在小球前进过程中移走哪些板,不会影响小球轨迹?如图6所示,经过实验,得出轨迹凹侧的板可撤去,凸侧的板不能撤去。分析得出凸侧的板提供了小球做曲线运动的力,所以合力指向曲线的凹侧。

图6