创设问题情境的“曲线运动”教学改进的探究

刘 林

（青岛市教育科学研究院，山东 青岛 266011）

本文讨论的是“曲线运动”的新授课，选自人民教育出版社普通高中教科书物理必修第2册（2019年7月第1版）第5章《抛体运动》的第1节.《普通高中物理课程标准》（2017年版）给出“2.2.1通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件.”据此设计了教学目标为：（1）通过再现生活情境，知道曲线运动的瞬时速度方向，能运用极限思想理解瞬时速度的方向，并会在轨迹图上画出某点的速度方向.（2）通过分组实验，理解曲线运动是变速运动，知道物体做曲线运动的条件.（3）设计生活实践类习题，应用物理知识解决具体问题.

1 真实问题情境是课堂教学和考试评价的需要

首先，问题情境是课堂教学的需要.《普通高中物理课程标准》（2017年版）指出，创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用.第一，学生在学习物理概念之前，基于生活和已有的知识，形成了大量经验情境，这是构建新的物理概念的基础.本节课在探究1中通过创设情境，对所观察的现象重新加工，概括共同属性，抽象出本质特征，在“概括”和“抽象”的思维加工过程中完成对曲线运动概念的构建.第二，物理学的发展是建立在实验基础之上的，实验是增加学生物理学习体验性的重要手段，是其他任何方式都无法替代的物理学习方式.本节课在探究2和探究3中创设了5个演示实验、5个分组实验，让学生经历探究曲线运动速度方向和曲线运动条件的过程，以解决本节课的这两个重点问题.第三，运用物理知识解决实际问题能力的高低，大多取决于学生将情境与知识相联系的水平.本节课在探究4中给出了自行车这种常见的生活物品，引导学生把实际情境转化为解决问题的物理知识，体现物理学科的应用价值.

其次，问题情境是考试评价的需要.中国高考评价体系构建的“一核四层四翼”明确指出，情境是实现“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的综合考查的载体.以纸笔考试为主要考查形式的高考，情境化试题是命题的方向.试题的情境一定是建立在生产生活中的真实案例，是参照学生的实际认知水平，进行合理的简化或处理来设置的问题情境.日常教学中选取的物理习题情境也应该是贴近社会、贴近生活的素材，目的是鼓励学生关心日常生活、生产活动中蕴含的实际问题，思考课堂所学内容的应用价值.本节课用文字描述和展示示意图的方式，让学生设计自行车挡泥板的安装位置，并安排学生课后去商场、公共场所等实地观察各种自行车构造和挡泥板的位置，搜集证据，得出结论，能用准确的物理语言表达自己的观点，与同学们分享.

2 问题情境的种类及功能

用于物理教学的问题情境主要来源有：自然现象、生产生活实践、科技前沿、物理学史、课程标准和教材、物理教学实验等.

自然现象和生活实践类情境，主要来源于学生在生活和学习中积累的经验，比如彩虹、日食现象，体育运动类等情境.它们是学生建构物理概念的基础，有些是正确的，有的是错误的，也有些是模糊的，无论哪种情况，都需要通过物理教学引导学生重新加工，完成从经验性常识向物理概念的转变.

科技前沿和物理学史情境，主要来源于网络、书籍等各种信息源.科技前沿类的情境，主要是学生应用所学物理知识粗浅地了解科技发展情况及取得的成果，尤其是了解我国在航天领域的发展历程和成果，既可以培养学生的科学态度和科学精神，又可以增强学生的民族自豪感和社会责任感.学生通过了解物理学史类的情境，可以了解物理学的发展历程，引导学生立志投身于科学研究中.

课程标准、教材和物理教学实验，这是物理课程专家和教材编写者专门为学生的学习过程创设的情境.尤其是实验教学，让学生根据问题情境运用已有知识制定探究计划，选择符合情境要求的实验装置进行实验，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析形成物理结论，对学生的认知水平的提高作用巨大.

3 选择合适的问题情境

创设情境设计教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用.对于物理概念教学、或者物理规律教学，要根据学生的认知规律，选择合适的问题情境，让学生在课内或课外充分体验，积累感性认识，为提炼升华为理性认识做铺垫.当教学内容与生产生活联系密切时，就可以让学生交流各自的生活体验、所见所闻，也可以通过网络搜集图片、视频资料展示大到天体小到微观世界的情境.还可以利用实验室器材或自制器材，设计演示实验或分组实验，通过对比，有目的地引发学生的思考，从现象中总结提炼得出结论.

4 基于真实问题情境的“曲线运动”物理教学设计片段

对于“曲线运动”这节课，大多数教师认为可讲的东西不多，一般会与其他内容合并，一带而过，这不利于学生形成曲线运动观念.同样，学生也认为本节课内容相对简单，且学生也具备一定的经验性常识，不太重视本节课的学习.但实际情况是，学生对曲线运动的速度方向和曲线运动的条件认知水平比较肤浅，甚至是有些错误的前概念.本教学设计中创设了丰富、多样化的情境，有语言文字、符号、图表的描述，有图片、视频的展示，更有10个演示实验和分组实验，丰富学生的体验，且在实验操作的过程中，能有效促进学生模型构建、科学推理与论证等科学思维素养的发展，为后续学习抛体运动、圆周运动和天体运动等做好铺垫.

探究1：什么样的运动叫曲线运动？

首先请学生列举生活中曲线运动的实例，然后以教材上的“问题”情境引入新课，展示日常生活中曲线运动的图片和视频.可选用游乐场中的摩天轮、立交桥上的车流情况，以及足球赛、篮球赛、运动员弯道赛跑、标枪、链球等体育比赛项目，还可选用嫦娥五号、天问一号的运动轨迹图片，展示我国航天技术领域的发展情况.指出物体按照运动轨迹可分为直线运动和曲线运动，运动轨迹为曲线的运动叫曲线运动，并说明圆周运动是曲线运动的一种特殊情况.

设计意图：通过学生讲述生活实例，教师展示图片和视频，以丰富学生对物体做曲线运动情况的体验.其中选用了嫦娥五号、天问一号等我国航天科技的情境，是为了在物理教学中融入学科德育的元素，增强学生的民族自豪感，培养爱国主义情怀，是物理课程标准“立德树人”育人目标的要求.教师提示“圆周运动是曲线运动的一种特殊情况”，是从简单到复杂、从特殊到一般的物理学的研究方法，也为后面的探究2，即探究曲线运动速度方向的得出过程埋下伏笔.

探究2：做曲线运动的物体的速度有什么特点？

研究物体做匀变速直线运动规律时，物理学引入了位移、速度、加速度、时间、时刻等物理量.要研究物体做曲线运动的规律，同样也需要描述曲线运动的若干物理量，本节课先研究曲线运动的速度，从速度的大小和方向入手.

4.1 做曲线运动的物体的速度大小

问题1：展示汽车仪表盘上的车速计图片（图1）.如果图片恰好是汽车转弯过程中的指针情况，那转弯过程中的汽车的速度大小有无变化？

图1

问题2：通常情况下，汽车转弯要减速慢行，那汽车转弯时，车速计的读数如何变化？

设计意图：通过汽车转弯过程中车速仪指针情况，说明做曲线运动的物体的速度大小可以变化也可以不变.通过转弯减速的教学设计，融入了生命安全教育的元素.

4.2 做曲线运动的物体的速度方向

分为两步进行，先做定性探究，再做半定量探究.

第1步：定性探究.

演示1：绳拴海绵球，使之在竖直面内做圆周运动.突然释放绳，海绵球飞出.提示学生观察海绵球被释放瞬间时的运动方向.

演示2：把矿泉水倒在撑开的伞面上，双手快速旋转伞柄，雨滴从转动的雨伞边缘飞出.提示学生观察水滴在伞面旋转前后的运动方向.

演示3：将玩具水枪朝着水平方向、竖直方向、与水平有任意夹角等方向发射.提示学生观察射出的水柱在空中的运动轨迹，只有当发射的方向在竖直线上时，轨迹才为直线，其他方向发射的轨迹均为曲线.

演示4：高速旋转的指尖陀螺边缘上的墨水被甩出的轨迹.将白纸平铺在桌面上，陀螺放在白纸中央（图2）.陀螺在原地快速转动后，用滴管在陀螺边缘上滴红墨水.提示学生观察红墨水被甩出去的痕迹.

图2

演示5：金属棒贴近高速旋转的砂轮.提示学生观察火星的喷出轨迹（图3）.

图3

学生活动设计：请学生到黑板上画出以上实验中海绵球、水滴、水柱、墨水和火星的运动方向.

教师启发学生思考：学生画出的每种情况下物体的运动方向，是大致的运动方向？还是精确的运动方向？如何画出精确的方向？

设计意图：通过实验和观察，让学生能定性的判断物体做曲线运动的方向，猜测其速度方向沿曲线的切线方向.然后教师诱导学生质疑运动方向是否确为切线方向？然后用半定量的实验探究方法，进一步探究曲线运动的方向.

第2步：半定量探究.

（1）学生分组实验，寻找证据.

学生实验1：平铺白纸在桌面上，拼接圆形轨道（共由8块轨道组成，图4）.把小钢珠放在印泥盒子里滚几下，使得小钢珠表面沾满了印泥；将小钢珠紧贴圆轨道1内侧某位置，给钢珠一个初速度，让它能沿着轨道内侧运动，观察小钢珠在白纸上留下的痕迹.

图4

学生实验2：拆除其中的4-5块轨道，保留3-4块（如保留4块，图5）轨道.把小钢珠再放回到原来位置，给它一个初速度，让它能沿着轨道内侧运动并从轨道4末端脱离轨道，观察在白纸上留下的痕迹.

图5

学生实验3：只保留2-3块（如2块，图6）轨道，再把小钢球放回到原来位置，给它一个初速度，观察在白纸上留下的痕迹.

图6

设计意图：设计分组实验，增强学生的亲身体验，丰富感性认识.圆轨道由4块，到3块，或者到2块，记录小钢珠脱离圆轨道后的运动轨迹.通过多次实验，对比发现，如果做曲线运动的物体突然开始做直线运动，那么直线运动的方向和曲线运动轨迹末端切线方向可能是一致的.激发学生进一步思考和猜测：小钢珠每次脱离轨道之后的轨迹是否为该圆的切线？怎样证实？

（2）学生验证猜想，得出结论.

先确定圆轨道的圆心位置：在学生实验1后，白纸上留下小钢珠的圆形轨迹，通过几何关系作图可以找到其圆心位置：任意作两条弦AB、CD，分别作垂直平分线，其交点即为圆心O（图7）.

图7

再通过作图，验证在学生实验2和学生实验3中小钢珠脱离轨道后的运动方向为切线方向.先标出小钢珠脱离轨道的点（假设为B），连接圆心O，OB即为圆半径，用量角器量出半径OB与小钢珠在白纸上留下的直线痕迹间的夹角，看是否为90度？于是学生得出结论：做圆周运动物体的速度方向为该点的切线方向.此处需要特别强调的是，因为实验中选取的圆周运动仅是曲线运动的特例，所以此处不能直接得出“曲线运动的物体速度方向为该点的切线方向”.

设计意图：创设圆周运动这一特殊的曲线运动实例，引导学生借用数学方法先确定圆心位置，再通过多次实验，借用数学方法寻找“切线”的证据.从简单的圆周运动过渡到一般的曲线运动，让学生经历由特殊到一般的物理学研究方法，提高物理思维能力.

（3）教师引导，归纳推理.

圆周是一种特殊的曲线，一般的曲线可以看成由若干圆弧构成，每一个圆弧都是圆周的一部分.所以，曲线运动可以看成无数个圆周运动构成，曲线上每一个位置的速度方向就是该点所在的圆周的切线方向，速度方向时刻在变化.于是得出结论：曲线运动物体的速度方向为该点的切线方向，曲线运动是变速运动.

设计意图：由割线到切线的数学变化，帮助学生理解瞬时速度的方向为曲线的切线方向，学习物理知识的同时，也学会物理学的研究方法，即极限思想方法，对学生思维能力的培养是有益的.

探究3：如何使物体做曲线运动？

学生实验4：按照如图8放置两块轨道，把沾满印泥的小钢珠放在紧贴轨道1内侧的某位置，给小钢珠一个向右的初速度后，在轨道弹力作用下，沿着轨道1内侧运动，紧接着沿着轨道2内侧运动，轨迹为一条波浪线；小钢珠一旦离开轨道2后，即沿离开点的切线方向做直线运动.

图8

学生实验5：如果小钢珠离开轨道2后，欲继续有波浪线的运动轨迹，就需要再加接一块轨道3（图9）.重复学生实验1，可观察到小钢珠的轨迹将在轨道3的弹力作用下继续有波浪线的运动轨迹.

图9

设计意图：通过小钢珠在2块、3块或4块轨道弹力作用下运动轨迹的对比实验，得出物体做曲线运动的条件：物体受到的合力的方向跟它的速度方向不在同一直线上.

探究4：设计自行车的挡泥板.

要求：学生在图10中标注自行车前轮和后轮，并给自行车设计上挡泥板.教师投影展示学生的设计图，请学生讲解自己的设计理念和依据.

图10

设计意图：学生展示设计理念，教师提出要求：课后到自行车停放处、商场观察各种自行车挡泥板的造型及安装位置，以检验自己的观点是否正确.通过选用生活实践类问题情境，引导学生注意观察生活和现象，用所学物理知识解释、解决问题，是物理学科教学的价值追求.

5 结语

教学中，发现在生源状况不佳的课堂上依然能够随时捕捉到学生求知的兴趣和探究的欲望，再次印证基于真实情境的体验性的教学改进有利于学生主动参与课堂的学习.从人的认知规律来看，在物理的课堂上重现生活情境，设计小实验，丰富学生的体验，是有利于接受和理解物理概念和物理规律的.2017年版的高中物理课程标准实施已经3年有余，物理教师的教学理念转变情况决定了学科核心素养的落实情况，如果我们培养的学生能够学会用物理的眼光来观察世界，用物理的思维方式来思考问题，用物理的语言来表达自己的观点，那也就达到了物理学科育人的目的和育人价值.