关于“角动量及其守恒定律”的教学改革实践

喻 莉 刘 洋 周本元 何 艳 程 龙

(空军预警学院基础部 湖北 武汉 430019)

作为新时代的大学生，在获取专业知识的同时，其相应的能力素质也应得到全面提升.然而，长期的被“灌输式”的传统教学模式，使得学生对物理的学习兴趣不浓，课堂专注力不够，物理知识掌握不扎实，能力素质的提高更是不尽人意.为改变这一现状，笔者以“角动量及其守恒定律”为例，进行了课堂教学改革实践.笔者首先通过问题牵引引入主题，激发学生的好奇心和求知欲望；然后采用类比归纳的方法讲解新知识，实现授人以渔的目的；接着利用演示实验探索，提高学生观察和分析问题的能力；并进一步结合拓展应用，加深学生对理论知识的理解，提升其实践应用能力和发散性思维；最后是立德树人，培养学生永不言弃的精神，并增强其责任感与使命感.

1 以问题为牵引 激发学习兴趣

“学起于思，思起于疑”，创设问题情境，能较好地引导学生主动融入课堂，提高其学习兴趣.这一方法关键在于问题的设置，提出的问题既要紧贴教学内容，又要能足够激发学生的求知欲望.考虑到以上两点，在物理教学中，笔者认为可以从物理学史、重要的科学定理和定律、日常生活、科技应用等方面来设计问题.利用问题引入新课在不同的课程中均有着广泛的应用[1,2].

本堂课，根据教学内容和教学对象(军校学员)的特点，针对质点和刚体的角动量部分，我们分别设计了一个科学定律问题(问题一)和一个军事科技应用问题(问题二)引入教学.

问题一：开普勒第二定律的物理本质是什么？

学生对开普勒第二定律都非常熟悉，并且都知道它是根据观测到的行星运动数据总结出来的结果，但却并不知道这一定律背后的物理本质，通过对这一熟知的物理定律的本质提问，激发学生的好奇心，启发学生思考问题，从而引入质点的角动量教学过程.

问题二：电影《黑鹰坠落》中“黑鹰”为什么会坠毁？

军校学生一般对战争影片很感兴趣，课堂上可以播放学生所熟悉的战争大片《黑鹰坠落》，让他们观察“黑鹰”直升机尾桨被击中后坠机的过程，引导学生思考尾桨的作用.为什么尾浆被击中后，飞机会失去平衡最终坠毁？从而引入刚体的角动量教学过程.

2 以类比为途径 实现授人以渔

类比归纳教学法不仅可以让学生顺畅地学习、领悟新的教学内容，还可以让学生巩固已有知识结构，并构建新的知识体系，实现授人以渔的效果[3,4].角动量及其守恒定律这部分内容理论性强，相关概念和定理、定律抽象难懂.但在此之前，学生已经学习了质点平动的动量和动量守恒定律相关知识.因此，我们可以考虑采用类比的方法进行教学.表1为刚体定轴转动和质点平动相关知识的类比.

表1 刚体定轴转动和质点平动的类比

3 以演示为支撑 调动探索意识

课堂上长时间的理论讲授容易导致学生疲倦，注意力不集中.但如果能够结合演示实验，将物理现象直观地展现出来，则可以有效激发学生的学习兴趣.此外，通过演示实验还可以较好地培养学员的观察能力和解决问题的能力[5,6].根据我校的教学条件，本堂课设计了两个演示实验.

演示实验1：讲解角动量守恒定律时，借助茹科夫斯基凳演示，如图1(a).实验过程中，让学生观察凳上同学伸直手臂和收缩手臂时，凳子的转速变化.启发学生思考：为什么会出现这一现象.

演示实验2：介绍角动量守恒定律的应用时，先播放我国航天员刘洋在太空仓中的陀螺实验视频，激发学生的兴趣，启发学生思考陀螺仪定向的原理.然后邀请学生参与如图1(b)所示的陀螺仪定向演示.让学生观察陀螺仪在旋转的过程中其转轴方向的不变性.同时引导学员分析其中的原因.

(a)茹科夫斯基凳 (b)陀螺仪

通过这两个演示实验，一方面让学生掌握角动量的概念，学会分析运动系统在运动中是否满足角动量守恒定律的条件；另一方面培养学生的观察能力，调动学生的探索意识，提升学生利用已学知识解决实际问题的能力.

4 以拓展为契机 培养发散思维

培养学生的发散性思维是提高其创新能力的一种重要方法.教学过程中，可以通过对课本知识的拓展介绍，扩大学生原有认知的深度和广度，培养其发散思维.本堂课的教学中，我们从角动量守恒定律在自然界和军事中的应用，来开阔学生的视野，拓展学生的知识面.

4.1 角动量守恒定律在自然界中的应用

回答引入部分的问题一.利用角动量守恒定律，从理论上推导得出开普勒第二定律.让学生明白开普勒第二定律不仅可以从实验数据中总结得到，还可以从理论上进行严格的推导.开普勒第二定律只是质点角动量守恒定律的外在表现而已.开普勒第二定律是表象，质点角动量守恒定律才是本质.此外，我们还可以拓展介绍中子星塌缩过程中转速的变化，让学生进一步体会角动量守恒在天体运动中的应用.

4.2 角动量守恒定律在军事中的应用

引导学生利用角动量守恒定律对引入部分的问题二作出解释，并进一步提出问题：既然尾翼受损后会产生这么严重的后果，那是否有“没有尾翼的飞机”呢？然后在此基础上拓展介绍一种新型的直升机——共轴双桨布局的直升机.共轴双桨布局的直升机上装有两幅反向旋转的旋翼，利用角动量守恒的原理，同样很好地维持了机身的平衡.通过新的军事应用来拓展学生的视野和思维.

5 以事迹为灵魂 既立德又树人

物理作为一门科学文化类的基础课程，其中所包含的知识虽然是冰冷的，没有温度，但却包含了大量的文化内涵、科学精神，有血有肉、情感丰富，是思政教育的沃土.

讲解角动量守恒定律时，可以先播放奥运冠军郭晶晶的跳水视频，讲解角动量守恒定律在其中的应用，然后启发学生思考：奥运金牌背后隐含的是怎样的努力与付出？介绍郭晶晶的长期刻苦努力，以及在训练中所遭受的挫折，比如：骨折、视网膜脱落、比赛失利等.让学生感受她持之以恒、不畏困难、永不言弃的精神；同时结合郭晶晶在香港学生发展委员会的讲话：“我觉得每一次走上领奖台，都是有使命感和荣誉感，内心非常激动，这些荣誉其实是国家给我的……我觉得每一个人都要有激情和梦想……”，来增强学生的责任感与使命感，鼓励学生为了自身的梦想、为了国家的安定与发展、为实现中华民族的伟大复兴而努力奋斗.

6 结束语

本堂课通过引入上的问题牵引，理论上的类比归纳, 实践上的演示探索，拓展上的科技应用, 思政上的立德树人等方面，对“角动量及其守恒定律”进行了课堂教学改革.这一教学设计能够让学生摆脱被“灌输式”的教学模式，切实激发学生的学习兴趣，促进学生主动地参与到课堂教学中，有利于学生知识的掌握以及能力的提高，相信对其他内容的教学也能起到一定的借鉴作用.