巧用“科学书屋”践行深度学习

王金钗

摘   要：通过挖掘教材资源，巧用科学书屋，在大单元理念下设置“嫦娥工程”单元活动，以任务驱动的方式进行拓展教学，践行深度学习，探索提升学生的学科素养的有效途径。

关键词：科学书屋；教材处理；探月情境；关键能力；素养提升

2019年新修订的鲁科版教材中，设置了非常多“拓展一步”“科学书屋”“物理聊吧”等栏目，大大丰富了学习的内容，扩大了学生的知识面。笔者认为要大力挖掘教材资源，在大单元理念下设置单元活动，以任务驱动的方式进行拓展教学，既能激发学生的兴趣又能达到深度学习目的，真正提升学生的学科素养[ 1 ]。而且可以更好地适应新高考试题的情境新、梯度好、能力高的特点。本文以必修二第四章“万有引力定律及航天”的一处“科学书屋”为例，阐述大单元任务驱动下的情境拓展教学，探索培养学生能力的有效途径。

1  教材“科学书屋”展示与分析

如图1所示，这是教材第四章范围内出现的第5处展示“科学书屋”，关于月球探测的“嫦娥工程”情况介绍，大致介绍了“嫦娥一号”到“嫦娥四号”的发射情况。看似教材中的轻描淡写，实则是编辑的精心设计，此处恰恰与《普通高中物理课程标准》（以下简称《标准》）的理念符合。《标准》要求我们不但要掌握规律，而且在活动建议中特地指出：观看有关人造地球卫星、神舟飞船、空间站的录像片，与同学交流观后感。收集航天事业发展的历史和背景资料，写出调查报告[ 2 ]。

另外主编在教材后记部分也阐述了编排教材这块资源的目的：教材本身注重通过“科学书屋”“物理聊吧”等栏目培养学生的学习兴趣、人文情怀，及节能环保的科学态度与社会责任感[ 3 ]。

可见教材此处内容还是非常重要的，既可以了解我国航天事业的发展情况，也可以通过中国的探月工程增强我们的民族自豪感，渗透科技强国的理念，落实科学态度和责任感的培养。

2  设置拓展单元活动，逐步深化理解并运用万有引力定律

笔者进一步拓展开发资源，让学生深入了解我国的探月工程，运用所学的万有引力定律的物理概念和物理规律，推导论证嫦娥工程中的几个关键点。我国航天科技工作者经过10年的研究与论证，确定了“绕”“落”“回”3个阶段的探月工程。从嫦娥一号开始探测到嫦娥五号取样返回，其中蕴含着诸多技术难点，逐步被科技工作者克服。我们从这个历程中也能窥探到物理知识在科技上重要运用，体会航天科技工作者的艰辛，树立为科技强国做贡献的决心。

2.1  结合嫦娥一号理解发射速度与变轨问题

“嫦娥一号”卫星发射整个发射过程示意图如图2所示，需要经多次变轨，最终被月球引力捕获成为绕月卫星。针对这个过程，可以设置如表1所示问题，深入展开学习讨论，培养思维能力。

点评：卫星变轨问题一直都是教学的重难点，其中涉及到变轨的速度、周期、加速、能量等知识，学生容易混乱。通过嫦娥一号实际情境，以科技工作的视觉去研究克服困难，学起来就比较轻松，寓教于乐。

2.2  结合嫦娥一号计算月球的质量和密度的问题

万有引力定律的应用中，教材单独设置一板块强化天体的质量的计算，并举例示范。可以借助“嫦娥一号”探月卫星的情境，设置试题计算月球的质量和密度，考查学生的建模能力与推导论证能力，将教材的重点转化到应用上，从解题到解决问题进阶。

如图3所示，探月卫星经过多次变轨后进入“工作轨道”。探月卫星在环绕月球的“工作轨道”上绕月飞行时，运转周期为T，已知卫星离月球表面的高度为h，月球半径为R，引力常量为G，忽略其他天体对探月卫星在“工作轨道”上环绕运动的影响。

针对这个过程，如表2所示，可以这样设置单元活动。

点评：估算天体的质量与密度是考试中常考点，学生在实际应用过程中，建模能力较弱，经常忽视轨道高度存在，不能正确区分轨道半径与星球半径，造成错误解题。可以进一步给定数据，估算月球的质量和密度，让学生在学习上有成就感，效果会更好。

2.3  结合嫦娥一号深入讨论遮挡时间问题

如图4所示，卫星在环绕月球时，假定轨道共面前提下，环绕过程必然存在着相互遮挡、通讯中断的现象，这是嫦娥一号就遇到的技术难题。也可以借助这个物理实际情境，设置物理问题，考查学生空间建模能力，解决技术难题的能力。

已知：地球的质量M，地球半径R；月球的质量m，半径R1；月球绕地球的轨道半径r，卫星绕月球的轨道半径r1，月球绕地球转动的周期T。（忽略月球公转时对遮挡时间的影响），设置表3的活动任务。

点评：这是2008全国Ⅱ卷的真题改编，原题没有配图，其难度可想而知。借助这个单元活动，我们做了大胆的尝试。为了突破难点，设置了课堂实验将光学成像仪器、地球仪搬进课堂，进行降阶处理：先铺垫光学成像的影子问题，回顾地球的夜晚时间现象，再引导到地球上的人造卫星“夜晚”时间，最后提升到三者共面处理的实际情境，其中建模能力要求非常高，几何运算更是复杂。但是解决难题犹如克服技术难点一般，非常有成就感，学生认可度比较高。有意思的高考试题中基本上都考查了上述的情境，甚至把同步卫星加入，还有相对追赶的角度处理问题。

2.4  结合嫦娥三号讨论卫星的悬停技术与软着陆问题

为了选择更好的着陆点和减少月面对探测器冲击力，悬停技术和缓冲技术在软着陆的过程中发挥着重要的作用。借助这个情境可以设置卫星的运动问题，考查牛顿运动定律和动量定理，着重训练学生的建模能力和推理论证能力。

图5为嫦娥三号探测器经过一系列的变轨和姿态调整后，在距离月球表面100 m处悬停时的照片。已知探测器的总质量M=3600 kg，月表附近的重力加速度g '，取地球表面重力加速度g=10 m/s2，其中■ ≈■。根据这些信息进一步设置表4的活动内容，深入应用物理规律解决问题。

点评：悬停技术是软着陆的重要技术，然而却用到了万有引力定律中最基本的公式：万有引力提供重力，学生在解题过程再次感到大道至简，学以致用的理念。后面的动量定理也是学生最容易出错的地方，方向的规定非常重要，通过数据的计算，可以促进他们进一步了解支架腿的重要作用和巧妙构造。

2.5  结合中继卫星——“鹊桥”讨论拉格朗日点问题

2018年5月，我国中继卫星——“鹊桥”号成功发射。它围绕着地——月拉格朗日L2点（简称：DY-L2点）运行，克服月球遮挡问题，有效地解决了通讯的问题。示意图如图6所示。利用这个情境可以设置表5活动内容。

点评：中继卫星的发射是为后面挖掘月壤做充分的准备，只有有效的通讯才能保障后续的准确指令操作。而这个难点确实让人耳目一新，拉格朗日点的出现，也刷新了学生的认知，中继卫星不是定位在拉格朗日点，而是绕它运转，还是需要轨道维持的。特别是第4问中的力学关系推导，对模型建构能力要求很高，比常见的双星试题还要复杂一点。

2.6  结合“嫦娥五号”讨论卫星的返回与引力势能问题

2020年11月24日“嫦娥五号”月球成功发射，完成“绕、落、回”三步走中的取样返回任务。假设“嫦娥五号”奔月后，经过一系列变轨动作，最终其轨道器在距月面100 km高度处做匀速圆周运动，最终着陆器在月面进行软着陆，如图7。

设月球的质量为M，月球半径大约为1700 km，取月球表面附近的重力加速度g'=■m/s2。若规定距月球中心无限远处的引力势能为零，则质量为m的物体离月球中心距离为r时，具有的引力势能可表示为Ep=-G■。对这个具有划时代的重要历程，设置任务活动如表6所示。

点评：引力势能在课本上是没有出现，这里以信息给与的方式出现，提醒学生要保持学习的能力，快速提取题目中的新信息，学习新知识，将所学的旧知识迁移到新情境中，真正体现知识的应用性与创新性。

2.7  结合“嫦娥五号”讨论卫星返回地球的减速问题

为了有效地减速，嫦娥五号返回器采用了“半弹道跳跃式”返回。如图8所示，质量约为300 kg的返回器在距地面高度约120 km处，以大约11.2 km/s进入地球大气层外层A点，实施初次气动减速。下降至预定高度E点附近（E点为AB段的最低点），返回器调整姿态，向上跃出大气层，到达最高点F后又开始下降，到达图中C点时速度约为7.9 km/s，实施第二次气动减速。在降至距地面约10 km高度时，打开降落伞完成最后阶段减速，最终平稳着陆在预设区域，图中D点。其中A、B、C在同一高度上，高度120 km之外空气阻力可忽略不计。针对返回过程设置如表7活动。

点评：卫星的返回过程，大部分学生都是停留在视频所见的采用降落伞方式减速的情境，实际上速度很快的情况下，在减轻负担的前提下充分地利用大气层减速，“打水漂”的方式还是非常新颖。

综上，回顾了中国探月的重要历程，并以此为情境，分阶段地设置单元活动，以任务的形式将物理的必备知识和关键能力进行深化理解。通过这一系列的个性化设置，在研究中解决了本章中的物理难点：卫星的发射问题、变轨问题、估算天体质量和密度问题、几何建模问题、拉格朗日点问题、引力势能等等。学生参与的积极性很高，沉浸于中国科技工作者的“人设”，以解决“技术”难题为荣，大大提升教学效率。

物理科考试的核心价值应在高考评价体系倡导的核心价值下，引导学生正确认识物理学发展的历史、现状和未来，培养学生振兴中华的使命感；促进学生关心国内外科技发展的最新成果，拓展学生的科学视野，提高学生对科学的兴趣以及将科学服务于人类的意识[ 4 ]。通过分析新高考背景下的试题，会发现试题的情境设置越来越新颖，要求的能力越来越灵活，这绝不是传统的刷题训练所能达到的考试能力要求。要选取学生熟悉真实问题情境考查，让学生在复杂的情境中抽象出物理模型，再运用物理规律解决问题。通过“猜想—推理—验证—质疑”几个过程反复训练，朝着深度学习的方向不断努力。这样才能真正地锻炼物理学科思维、提升学科素养。

参考文献：

［1］ 任虎虎.指向深度学习的高中物理学科大概念教学：以“牛顿运动定律”单元教学为例[J].中学物理教学参考，2023，52（16）：20-23.

［2］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：15-16.

［3］ 中学物理教材编学组.普通高中课程标准实验教科书物理2（必修）[M].济南：山东科学技术出版社，2019：130-131.

［4］ 程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：38-44.