构建情境突破习题教学瓶颈的探索

洪勇辉

摘   要：在习题教学中，往往会遇到许多瓶颈，教师通过构建具体的物理情境，将物理问题融于情境中，既可以有效帮助学生突破瓶颈点，又能在问题分析过程中发展学生的科学思维能力，并能不断提出新的问题，保持学生的好奇心和求知欲，提升其核心素养。

关键词：情境;习题教学;突破瓶颈;人造卫星

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）4-0005-4

1    习题教学现状

在高三的复习中，习题教学占据了主要基调，但是在普通高中往往会听到学生说“老师上课讲的我都听得懂，但是自己做题的时候往往就会很懵”，经常以“不苦不累，高三无味”来麻痹自己，以“辛苦三年，幸福一生”来激励自己。而老师们则恨不得在最短的时间内把毕生所学全部教给学生，一节课能讲多少就讲多少。考试之前庆幸所考的题型基本上都讲过，但考后往往发出感慨“这种题型我都讲过很多遍了，怎么还是错这么多？”“感觉好像没上过课一样，会的还是会，不会的还是不会。”这就暴露了目前我们的高三习题教学总体上效率不高，学生普遍存在没有突破解题思维和方法的瓶颈，为了考试而被动学习，难以发挥习题教学应有的教学功能。

2    习题教学思考

兴趣是推动学习最实际、最有效、最持久的内部动力，我们的习题教学应适当降低起点、生动有趣，通过老师创设情境，将所要复习的知识点、方法融于简单具体的情境中，从情境中发现物理问题，突破认知上的瓶颈，引导学生在一系列由易到难的问题解决中复习相应的物理知识、发展科学思维能力，并收获成就感，还能不断提出新的问题，保持学生的好奇心和求知欲，提升其核心素养，让不同程度的学生都有所收获，实现物理课堂应有的教育价值。

3    实践探索

基于以上的思考，再加上班级学生在平时的课堂讨论中畅所欲言，师生、同学之间的关系融洽，在“人造卫星”的复习课中，笔者做了一些尝试。

3.1    构建情境，复习回顾

在这个环节里，主要是通过教师构建情境调动学生学习的积极性，复习回顾圆周运动、人造卫星的基本知识，避免单一的公式罗列导致课堂枯燥乏味。

情境：（动画展示）寒假期间，王楠同学（物理科代表）跟随父母出国旅游。某天夜里，王楠同学在马尔代夫一个酒店的阳台（恰好位于赤道线上），仰望星空，不禁发出感慨“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”

问题1：如果把王楠同學视为质点，试着分析他的受力情况。

通过提问，发现有一部分学生认为王楠同学受重力和支持力，二力平衡。随即便有部分学生提出，应该是受地球引力和地面的支持力，二力的合力提供向心力（如图1）， ，因为王楠同学随着地球自转（“坐地日行八万里”），近似为匀速圆周运动，支持力的大小等于重力的大小，N=mg。又因为地球自转角速度非常小，王楠同学所需向心力相对于重力可以忽略不计，所以万有引力大小近似等于重力大小。部分学生的“典型错解”容易引起学生共鸣，引发思维冲突，通过问题1的分析把万有引力、重力、支持力三者的区别和联系分析得十分到位，有助于知识网络的构建。

问题2：如果地球自转加快，以上四力会如何变化？

问题3：当王楠同学的线速度达到多大时，他恰好飘起来？

通过对问题2、3的分析，计算得到第一宇宙速度v1=7.9 km/s，而后教师顺势补充我国地处北半球，如果要发射赤道轨道卫星，运载火箭要朝东南方向发射，这样就能够利用地球自西向东自转的速度，节约火箭燃料。理论联系实际，渗透节能环保意识的培养。

问题4：我们让王楠同学继续躺在阳台上欣赏夜空。接下来分析我国发射的卫星，当v1=7.9 km/s时，卫星靠近地球表面绕地球做匀速圆周运动，为近地卫星。①若v'1>7.9 km/s时，卫星将如何运动？（离心运动，轨迹为椭圆）②（如图2）卫星从A点向B点运动再返回的过程中，发动机不再工作，试分析速度vc、所受引力FC、引力FC做功WC、引力势能EP、动能EK、总体机械能E的变化。

通过对问题4的分析，既复习回顾了卫星在椭圆轨道上动力学、能量的变化，又培养了学生从多角度分析问题的科学思维能力。

3.2    逐步深入，拓展思维

问题5：在A点的速度越大，离心现象将越明显（如图3中椭圆轨道4），卫星的椭圆轨迹将更大，当v2达到多大时，卫星将摆脱地球的引力？提示：若以无穷远处为零势能点，万有引力常量为G，地球质量为M，地球半径为R，卫星质量为m，卫星距离地心为r，则卫星的引力势能Ep=-G■（r≥R）。

本问题多数学生从机械能守恒角度定量计算得出结果，同时复习第二宇宙速度。在学生给出答案后，教师还可以拓展从功和能的关系来分析，若把卫星从地球表面移动到无穷远处，引力对它所做的功应为：

在复习课中，除了回顾相应的知识外，还要适当提高，拓展思路，培养学生多角度构建物理模型的意识，然后应用数学知识来处理物理问题，处理的问题越高深，应用的数学知识也会越多。还可以进一步拓展，让学生课后试着推导第三宇宙速度。

3.3    多种轨道对比，深入学习

问题6：假如B点刚好是同步轨道的高度，我们在B点让卫星瞬间加速进入同步圆轨道4（如图4），试比较：

（1）王楠同学随地球运转周期T1，近地卫星周期T2，椭圆轨道卫星周期T3，同步卫星周期T4;

（2）王楠同学随地球运转速率v1，近地卫星运转速率v2，椭圆轨道卫星在A点速率vA、在B点速率vB，同步卫星速率v4;

（3）王楠同学随地球运转向心加速度a1，近地卫星向心加速度a2，同步卫星向心加速度a4;

（4）卫星在近地轨道时过A点的加速度a2，在椭圆轨道时过A点的加速度aA;

（5）若卫星质量相同，比较卫星在不同轨道上所具有的机械能的大小;

（6）已知T1、T2，①若此时王楠同学抬头正好看见近地卫星经过他正上方，则过多少时间该卫星再次经过他正上方？②过多少时间，该卫星离他最远？③若卫星运行方向与地球自转方向相反？相距最近、最远又该如何列式？

在这个环节，课堂上采用逐一给出各个小问题，分析、讲解与练习相结合，比如第（1）（2）问引导学生分析各轨道之间的相同点和不同之处，培养学生更进一步从物理学视角认识事物的本质属性、内在规律及相互联系的科学思维能力，而不是简单地套用公式。通过第（1）（2）问的训练，学生很容易得出第（3）问的答案。第（4）问关键是区分需要的向心加速度和实际的加速度，通过第（4）问很好地区分了圆周运动中的“供”“需”关系导致运动形式的改变，加深对这部分内容的理解。第（5）问通过不同轨道的对比，让学生更加深刻地认识到虽然低轨道运动速度快、动能大，但是把卫星送上更高的轨道则需要对卫星做更多功，卫星的机械能也更大，而且过程更加复杂，所以发射高轨道卫星难度更大。随后教师补充：（动画展示）卫星的回收刚好是卫星发射的逆过程，提出飞船与空间站对接原理，以达到多题归一、归纳整合的效果。在第（6）问中，有个学生的回答非常精彩，他用田径场上两个跑道速度不同的运动员来类比，情境熟悉，模型建构清楚，体现了较高的分析综合能力，从另一方面也体现了物理问题设计情境化已经潜移默化地影响了学生的思维。问题6几乎包含了人造卫星大部分相关的知识点和方法，有益于学生知识网络和思维网络的构建。

课后有学生提出，真实情况下卫星是无法瞬间加速达到预期的速度，那么现实生活中卫星变轨又是如何实现、如何控制的呢？这个问题的提出恰好体现了本节设计的一个目的，保持好奇心和求知欲，这样才能不断激励自己去探索未知的世界。但是，由于高中的知识有限，有些问题还无法解答，学生可以期待在大学进一步学习。

3.4    对接高考，创新思路

问题7：在所有卫星中地球同步卫星是我们最熟悉的卫星，它有固定的轨道（轨道半径大约是地球半径的6.6倍）、周期、运行方向，（如图5）根据几何知识知道至少需要3颗同步衛星才可以实现赤道上任意两点间的通讯，假设地球自转周期变小，若仍仅用3颗同步卫星实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为多少小时？（2016年全国高考Ⅰ卷的第17题）

这个环节是本节最难的部分。为了降低难度，在上课时笔者补充了图6。部分学生能够分析出地球自转周期变小，卫星高度必须降低，最低的时候应该是地球成为三颗卫星连线的内切圆，算出此时卫星的轨道半径，根据开普勒第三定律就可以求解。就是考试不能用计算器，不知道怎么求？在这点上有部分老师认为是数学运算的问题，物理课可以不讲。笔者认为不妥，数学估算能力也是考试说明要求的能力之一，我们应该在教学中有意识地培养学生的估算能力，而这点在很多的教辅资料里并没有体现。以下是笔者在课堂上的做法。

分析完高考题后，还可以把平面拓展到立体空间，进一步拓展知识面。例如：

①3颗同步卫星能实现全球通讯吗？要实现全球的覆盖，可以怎么做？

②卫星在日常生活中应用非常广泛，比如导航（利用视频介绍我国北斗导航系统所取得的成就，增强民族自豪感），首先要定位，卫星是如何定位的？至少需要几颗卫星？（这个涉及到参考系的选择、立体空间点的确定以及电磁波信号传输）

4    结束语

在本节复习课中，抛弃了以往先罗列复习知识点后归类逐一训练过关的教学方法，将知识点、方法融于具体情境中，把课堂还给学生，逐步深入，在复习中渗透科学思维的培养、民族自豪感的激发，最终根据思维导图理论将知识点、方法归纳在图形中，既避免了课堂枯燥乏味，又有助于学生在深度学习中提升核心素养，在解决问题的思维上逐步突破瓶颈点。经教学实践这是成功的，这点从学生课堂的积极表现以及作业的反馈可以看出来。

我们的学科核心素养就像是人体所必须的营养成分，而老师就是大厨，主要任务就是要根据需要不断改进教学方法做好“大餐”，让学生“吃”得好、消化吸收得好，“吃”完了还想再“吃”，保持学习的兴趣，实现课堂效益的最大化。

参考文献：

[1]李华兵.用故事情境组织高三复习的尝试[J].中学物理教学参考，2015，44（1-2）：33-35.

[2]方红德.指向核心素养的深度学习在单元复习课中的实施策略[J].中学物理，2017（12）：6-8.

[3]陈永葆.思维导图在初中电学计算中的应用[J].中学物理教学参考，2016，45（2）：59.

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2018-11-29

基金项目：本文为福建省中学物理教学带头人培养工程专项课题“高中物理习题教学瓶颈及突破策略”（编号：WLDTRKT201709）的研究成果。

作者简介：洪勇辉（1980-），男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作，曾获石狮市中学教师教学技能比赛一等奖。