林少顏

摘? ?要：一項調(diào)查顯示，學生對超失重的概念認識有所不足，尤其是太空飛船中宇航員的完全失重的原因，學生回答不上來。本文通過反思超失重概念教學中存在的問題，提出進階式教學策略，由淺入深開展該部分教學。物理學知識前后聯(lián)系緊密，相互關(guān)聯(lián)。我們在物理教學中，應有大局觀，更多關(guān)注教學過程中對學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞：超失重;完全失重;進階式教學策略;核心素養(yǎng)

引言

在學完必修1超失重現(xiàn)象及必修2萬有引力之后，筆者做了一項調(diào)查。調(diào)查問題：（1））什么是超失重、完全失重？（2）你如何理解宇宙飛船內(nèi)宇航員完全失重現(xiàn)象，他與日常生活中的完全失重是否相同？調(diào)查對象是高一基礎(chǔ)較好的學生。調(diào)查結(jié)果顯示：問題一學生輕而易舉完成，回答準確;問題二有點半開放，學生的回答五花八門，大部分同學對問題的理解有較大偏差。

1? 調(diào)查結(jié)果

問題二的理解偏差主要集中體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）宇航員在外太空不受萬有引力作用，所以處于完全失重狀態(tài)。（2）宇航員距離地球遙遠，所受萬有引力很微小可忽略。（3）宇航員脫離地球引力，所以完全失重。（4）能夠分析宇航員所受的萬有引力提供圓周運動的向心力，地面上的物體受到萬有引力作用自由落下，但無法建立起兩者間的聯(lián)系。

前三個答案是大部分理解偏差學生的答案，他們的共同點是認為完全失重現(xiàn)象即不受重力作用。第四個答案的學生能夠較好理解完全失重現(xiàn)象，但是理解不透徹，無法很好解釋兩者的區(qū)別與聯(lián)系。不管是哪種理解錯誤，都暴露出一個問題：學生能夠很好的記誦概念，但涉及具體問題的辨析就不能很好融會貫通。

2? 教學存在問題

2.1? 教材編排問題

魯科版必修1教材中這么編排超失重現(xiàn)象教學：在學完牛頓運動定律教學后，以應用的形式呈現(xiàn)超失重教學內(nèi)容。教材中介紹了超失重概念，推導了超失重公式，解釋超失重產(chǎn)生原因，總結(jié)了超失重產(chǎn)生的條件，最后介紹完全失重概念。同時，教材通過設(shè)置信息窗欄目，簡介太空中的失重環(huán)境[ 1 ]。因未涉及圓周運動、萬有引力部分的教學，教材中還未對太空中的完全失重現(xiàn)象做出解釋。至此，學生能夠較好掌握日常生活中的超失重、完全失重概念，也能較好解釋實際超失重問題，但對太空中的完全失重則停留在最初級的感性認識上。我們期望通過接下來的必修2學習能夠徹底理解這些問題。

再看魯科版必修2教材：學完圓周運動，緊接著學萬有引力定律。第一節(jié)萬有引力定律及引力常量的測定;第二節(jié)萬有引力定律的應用，介紹人造衛(wèi)星為什么能上天，引出三大宇宙速度，并介紹利用萬有引力定律預測未知天體;第三節(jié)人類對太空的不懈追求，介紹人類對太空的不斷探索過程[ 2 ]。我們所期待解決的太空中的完全失重問題在教材中沒能得到有效處理。

2.2? 教師教學設(shè)計問題

教材、相關(guān)教輔、網(wǎng)絡資源等是教師的教學設(shè)計課程資源，而這些教學資源的根本來源仍是教材，教材對教師的教學設(shè)計有較強的引領(lǐng)作用。因而，教師在實際教學中一般會遵循教材中的安排。必修1的教學過程中，圓周運動、萬有引力尚未學習，太空中的完全失重現(xiàn)象不會深入講解。必修2中，萬有引力的教學一般會做這樣的編排：先介紹萬有引力定律;然后介紹萬有引力定律應用，并以此展開教學，內(nèi)容一般包括天體質(zhì)量、密度的估算，環(huán)繞天體的繞行速度、角速度、周期與半徑的關(guān)系，同步衛(wèi)星、衛(wèi)星變軌等。太空中的完全失重問題仍未得到解決。

2.3? 考試題目、習題編排引導問題

縱觀各類習題、質(zhì)檢題、高考題等，對超失重的考查僅停留在對概念的了解，超失重的相關(guān)應用計算。出題樣式如“外太空出現(xiàn)完全失重現(xiàn)象是因為不受重力作用”類似這樣的辨析題。這樣的辨析題一定程度上考查了學生對概念的理解程度，但事實上很大一部分學生是靠對知識點的記憶來排除選項的。而涉及到的上述的調(diào)查問題二時，學生的問題充分暴露出來，大部分學生不能深入地理解原因。當然深入理解這樣的問題不適合出在一道習題上，可能更適合自主招生之類的面試題。

因此，在考試風向標的指引下，教學的方向也會偏向解決題目本身，而缺乏透徹的問題解決。

2.4? 物理學的大局觀問題

新課標對物理學科明確提出了“物理觀念”“ 科學思維”“ 科學探究”“ 科學態(tài)度與責任”四個方面的核心素養(yǎng)問題[ 3 ]。在物理觀念方面，通過高中階段的學習，學生應形成經(jīng)典物理的物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念。超失重概念涉及運動觀念、相互作用觀念，對超失重概念的教學方式，其實也一定程度上暴露出了我們在教學上的物理觀念大局觀問題。高中物理分為幾個模塊，模塊之間內(nèi)容上看似有區(qū)分，實際上，物理學是一個大的整體，各模塊之間緊密聯(lián)系。上述問題出現(xiàn)在必修1，2兩個模塊中，教學上，我們不能孤立地區(qū)分對待兩個模塊。在解決實際問題時，應放在大的物理觀念下，培養(yǎng)學生的全局觀。

3? 教學策略

3.1? 教材應有明確指向

教材、教學設(shè)計中應有明確完整的一套關(guān)于超失重現(xiàn)象的知識體系，外太空的失重現(xiàn)象作為失重現(xiàn)象的典型應有，不能缺少，可在學完必修2萬有引力之后，以專題討論的形式呈現(xiàn)。教學內(nèi)容設(shè)計合理的話，能夠很好地引導學生在學完必修1，2之后，將所學內(nèi)容前后聯(lián)系，既鞏固了所學知識，思維層次上又有較大程度提升，同時有助于形成較統(tǒng)一的物理觀念。

3.2? 具體教學策略實施

必修1中，介紹了超失重現(xiàn)象，及相關(guān)應用。對于外太空的失重現(xiàn)象，可以只作為一種現(xiàn)象提出來。為了激發(fā)學生學習興趣，可以借助多媒體資源，呈現(xiàn)如“太空授課”之類的多媒體視頻資源，并且提出問題：外太空為什么會出現(xiàn)這樣的失重現(xiàn)象，讓學生課后查找相關(guān)資源，初步認識外太空的失重現(xiàn)象。缺少必修2相關(guān)的知識，這里的教學處理只需做到點到為止，激發(fā)學生求知熱情，引導學生通過其它各種渠道收集材料，或者開展研究性學習課題，主動獲取知識，解決問題。

必修2學完圓周運動、萬有引力之后，外太空的失重問題應重新擺出來。接下來，我們看看具體的針對外太空失重現(xiàn)象的教學實施方案。

首先，學生對萬有引力等相關(guān)內(nèi)容已有了較清晰的認識。教師采取進階式教學策略[ 4 ]，由淺入深地設(shè)置問題，逐步引導學生解決問題。先提出總問題：太空飛船繞著地球運動，飛船內(nèi)的一切物體處于完全失重狀態(tài)，結(jié)合萬有引力及超失重相關(guān)知識，討論完全失重的原因。

這個問題是我們最終要解決的疑問，對于學生來說，起點很高，還未能建立起概念之間 的關(guān)聯(lián)。因此，我們可以設(shè)置以下幾個分問題。

問題1：什么是超失重現(xiàn)象？什么是完全失重現(xiàn)象？

理解問題得先從它的基本概念出發(fā)。設(shè)置此問題，讓學生回憶起高一所學知識。另外，讓學生通過列舉實例說明生活中的超失重現(xiàn)象，將物理與生活建立起關(guān)聯(lián)，使抽象概念形象直觀，貼近生活實際。

問題2：超失重產(chǎn)生的條件、完全失重產(chǎn)生的條件是什么？

從概念到規(guī)律，是一個物理科學思維的提升過程?？稍O(shè)置電梯中的超失重現(xiàn)象實例，讓學生通過牛頓第二定律推導超失重表達式，分析超失重成因及形成條件。該過程基于生活實際場景建構(gòu)物理模型，通過定性、定量的推理過程，找出規(guī)律，總結(jié)出形成條件。

到此為止，學生通過知識回憶，對超失重概念及形成規(guī)律有了較深刻的認識。下一步的關(guān)鍵就是建立起聯(lián)系。建立起聯(lián)系的有效方式就是將超失重現(xiàn)象合理外延，找出更多的不同形式的超失重問題。

問題3：除了剛才分析的豎直方向上的超失重現(xiàn)象，其它運動形式會不會產(chǎn)生超失重現(xiàn)象？

這一提問，將學生的思維進一步拓寬。學生很快能聯(lián)想到拋體運動、圓周運動等運動方式也能產(chǎn)生超失重現(xiàn)象。如平拋、斜拋、豎直面上的圓周運動等。教師重點設(shè)置圖1模型讓學生分析：盒中小球與盒子在豎直面上做半徑為R的圓周運動，當盒子運動到最高點A時，速度 v=，此時，通過受力分析，列出牛頓第二定律方程，可知盒子對小球的作用力為零，即視重為零，小球處于完全失重狀態(tài)。從加速度的角度看，小球加速度等于重力加速度，方向豎直向下，滿足完全失重條件。將盒子平拋、斜拋，盒子對小球的作用力也為零，小球加速度也等于重力加速度，也是完全失重。

問題4：太空飛船繞著近地軌道做圓周運動，分析太空飛船的受力情況。對照完全失重條件，說明為什么太空飛船處于完全失重狀態(tài)。

太空飛船繞著地球近地軌道圓周運動，受到地球的萬有引力作用，萬有引力提供向心力。顯然，太空飛船加速度大小為g，方向指向地心，等同于上面分析的生活中的完全失重現(xiàn)象的條件。若為非近地軌道，太空飛船的加速度大小變?yōu)間'，方向仍指向地心，只是加速度值因軌道半徑變化發(fā)生了改變，其它因素沒變，仍滿足完全失重條件。

解決完設(shè)置的四個問題后，教師做進一步的總結(jié)提升，將看似分離的幾個章節(jié)有機地統(tǒng)一起來，形成總的相互作用運動觀。這里，教師可通過牛頓的思考，將這一系列串起來。牛頓認為：蘋果落地、拋體運動、月球繞地球運動都是因為受到萬有引力作用。這幾個運動都有共同特征，都受到萬有引力，加速度為g，方向豎直向下（或指向地心），均處于完全失重狀態(tài)。再演示如下實驗：塑料瓶裝水，并戳小孔，自由落下、沿任意方向拋出，水幾乎不流出。設(shè)想水瓶以第一宇宙速度拋出，水瓶就像太空飛船一樣繞著地球做圓周運動，水瓶中的水完全失重，也不會流出。同理，繞地運行的飛船也處于完全失重狀態(tài)[ 5 ]。這個設(shè)置環(huán)節(jié)通過滲透牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律過程的物理學史的教育，體驗科學前人的科學思維方法。并以簡單易行的演示實驗直觀體會完全失重狀態(tài)產(chǎn)生的現(xiàn)象。最后，經(jīng)過合理外推，得出繞地運行的飛船也處于完全失重狀態(tài)。

基于進階問題設(shè)計開展教學，學生合理地建立起了超失重、完全失重模型，不但理解了問題本身，還將物理前后知識聯(lián)系起來，拓寬了物理思維，有效滲透了科學方法，形成了大物理運動觀。

3.3? 改變教師的傳統(tǒng)教學觀

傳統(tǒng)教學觀重知識技能。2017年新課標明確提出了學科的核心素養(yǎng)，旨在改變傳統(tǒng)教學方式，努力培養(yǎng)新一代能夠適應科學技術(shù)高速發(fā)展、具有創(chuàng)新能力的人。同樣是超失重教學，如果按照傳統(tǒng)的教學方式教學，勢必出現(xiàn)學生對問題理解不透徹，調(diào)查問卷出現(xiàn)的問題自然情有可原了。

當傳統(tǒng)教學方式出現(xiàn)了上述問題時，就值得我們反思教學過程中出了什么問題。無論是教材編寫還是題目編排，都過于偏向概念本身的認知、相關(guān)規(guī)律的應用，而輕視概念本身的深挖與拓寬，至于核心素養(yǎng)中的大物理觀念的形成培養(yǎng)更是缺失。超失重現(xiàn)象本身涉及到牛頓運動定律，受力、運動分析。外太空中的失重現(xiàn)象更進一步涉及到圓周運動、萬有引力等內(nèi)容。看似不同的教學內(nèi)容，不同的教學模塊，內(nèi)在本質(zhì)都離不開受力、運動分析，離不開大物理觀念中的運動觀。因此，教師在教學過程中應有“大物理觀”，以培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)為導向，促進學生形成物理觀念，鍛煉學生的科學思維，加強科學探究，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任感。

參考文獻：

[1]司南中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理1（必修）[M].山東：山東科學技術(shù)出版社，2011：117-119.

[2]司南中學物理教材編學組.普通高中課程標準實驗教科書物理2（必修）[M].山東：山東科學技術(shù)出版社，2011：83-104.

[3]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-6.

[4]應發(fā)寶，李俊鵬. 基于概念學習進階理論的課堂教學設(shè)計[J]. 中學物理教學參考， 2018（12）：31-34.

[5]馬少紅. 淺談物理學科如何培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)[J]. 中學物理教學參考， 2018（12）：5-6.