指向大概念的高中物理微专题教学策略①——以“传送带问题”教学为例

任虎虎

(江苏省太仓高级中学,江苏 苏州 215411)

高中物理微专题复习立足于学生的原有认知结构，通过相关或相似的物理知识点提炼而成，使原有认知与提炼的问题点发生相互作用，整合相关的物理概念、规律、原理、模型和思想方法等，形成一种联系紧密、逻辑清晰的微型专题复习结构。“微专题”复习具有“因微而准、因微而细、因微而深、因微而大”等特征。

1 大概念的内涵及基本特征

《普通高中物理课程标准(2017年版)》明确指出：要“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实”。

大概念是指在一个学科领域中最精华、最有价值的内容，在学科中发挥着概念“魔术贴”或“文件夹”的作用，是在事实基础上抽象出来的深层次的、有意义的、结构化的、可迁移的概念。在教学实践中，大概念通常表现为一个有用的理论、主题、基本假设或原则等。

大概念具有抽象性、中心性、意义性、结构性、发展性和迁移性六大基本特征，这六个特征相互关联。大概念的获取路径包括：以课程标准为基准，以基本问题为导引，以高阶思维为架构。

2 指向大概念的高中物理微专题教学策略

指向大概念的高中物理微专题教学是以整合的知识为内容，以微专题为途径，以大概念发展为目标，以挖掘错误资源、进行变式拓展、注重知识关联、灵活迁移应用为教学策略促进深层次的学习。

传送带问题是牛顿运动定律的实际应用，涉及高中物理“力和运动”“能量”两个大概念，笔者以“传送带问题”教学为例，阐述微专题教学策略及其实施过程。

2.1 挖掘错误资源

学生呈现出来的“错误”或认知冲突是实施教学最好的“资源”，错误只是表象，本质上它反映了学生认知结构的不完备。要充分分析学情，揭示错误的成因，帮助学生理解知识内涵。

教学案例1：水平传送带被广泛地应用于机场和火车站,用于对旅客的行李进行安全检查。如图1所示为一水平传送带装置示意图，绷紧的传送带AB始终保持v0=2m/s的恒定速率运行，一质量m=4kg的行李无初速地放在A处。设行李与传送带间的动摩擦因数μ=0.1，AB间的距离L=3.0m，g取10m/s2，求：

图1

(1) 行李在传送带上运动的时间。

(2) 行李在传送带上留下的痕迹长度。

师：说说这里的a、v是相对哪个参考系的？

生：相对地面的。

师：那这里求出来的位移就是相对地面的，是题中所要求的痕迹长度吗？

接下来可以采用三个层次不同的学生活动，让学生深度理解此问题。

(1) 通过实验演示定性感知。让学生一只手拿一张白纸，另一只手拿一支笔，笔尖压在白纸上，两者以相同的速度一起向右水平移动。教师提出问题：“你观察到痕迹了吗？”学生回答：“没有。”教师追问：“笔相对地面有没有位移？”

(2) 追问促进理解痕迹的本质。教师继续追问：“那么你们觉得怎样才能形成痕迹？”学生很快意识到“只有两者间有相对运动时才能形成痕迹”，理解痕迹的长度是两个物体的相对位移。

(3) 通过v-t图像来加深理解。让学生画出传送带与木块的v-t图像(图2)。

图2

师：在v-t图像中哪部分“面积”表示物块相对地面的位移？

生：△OAB的“面积”。

师：哪部分“面积”表示传送带相对地面的位移？

生：矩形OABC的“面积”。

师：相对位移呢？

生：△OBC的“面积”，与△OAB的“面积”相等。

2.2 进行变式拓展

在高三复习课中利用变式拓展能使问题不断深化，通过变条件、变情境、变模型等方法使零散的知识点有机地串联起来，达到以点带面的效果，实现“少而精”的目标，帮助学生形成结构化知识。

教学案例2：对于前面的例子中的第(1)小问,进行变式训练：“若传送带的速度为v0=2.2m/s,其他条件不变，求行李在传送带上运动的时间。”学生算出来的结果为2.46s。

图3

师：在物块初速度及与传送带的动摩擦因数恒定的情况下，怎样使物块在传送带上运动的时间最短？

生：物块一直做匀变速直线运动，不出现匀速运动的过程。

通过变式训练和v-t图像的动态分析使学生对物块在传送带上运动过程的认识不断深化，从而理解存在“最短时间”的原因和计算方法。

2.3 注重知识关联

在复习课中要将已学知识进行关联整合，达到理解和应用大概念的目的。传动带模型不仅仅涉及力和运动关系的分析，还涉及能量问题，放在一起研究可充分发挥微专题的作用。

教学案例3：如图4所示，水平传送带长为L=10m，以v0=3m/s的速度逆时针匀速转动。质量为m=1kg的物体以初速度v=2m/s滑上传送带的左端，小物体与传送带间的动摩擦因数μ=0.1，求在整个过程中物体与传送带之间产生的热量是多少？

图4

相对滑动摩擦产生的热量Q=FμΔx，其中Δx是相对位移，即痕迹长度，这样就将能量与运动过程联系了起来。

小物体先向右做匀减速直线运动，速度减小到0后，再向左做匀加速直线运动，直到离开传送带，第一个过程所产生痕迹长度Δx1是小物体与传送带相对地面的位移大小之和还是之差呢？

可以通过运动的相对性来说明：如两个物体A、B同时从同一地点相向运动，相对地面的位移大小分别为x1、x2，此时相对位移大小为x1+x2。

对于第二个过程，小物体向左做匀加速运动的痕迹长度Δx2很容易算出来，但是总的痕迹长度是Δx1+Δx2还是Δx1-Δx2呢？这里依然根据痕迹的成因，从相对运动的角度来解决：在第一个过程小物体相对传送带向右运动，在第二个过程小物体相对传送带仍然向右运动，总体上小物体相对传送带始终向右运动，那么总的痕迹长度就是Δx1+Δx2，代入数据就可以算出产生的热量。

2.4 灵活迁移应用

迁移应用是理解和揭示大概念的重要策略，大概念能纵向统领学科内核心内容，横向联结学科间知识，有助于理解新的、不熟悉的概念，掌握了大概念就能使学生具备迁移应用、解决实际问题的能力。

高中复习课的迁移要解决具体实际问题，还要应用所学知识和方法解决相近问题，即“近迁移”。传送带有水平和倾斜两种模型，很多教师将两者分开处理，这样既耗时又低效。笔者在充分分析水平类问题的基础上，直接将倾斜类问题作为迁移的对象，整合在一起。

教学案例4：如图5所示，传送带与地面所成的角θ=37°，从A端到B端的长度为16m，传送带以v0=10m/s的速度沿逆时针方向转动。在传送带上端A处无初速地放置一个质量为0.5kg的物体，它与传送带之间的动摩擦因数μ=0.5，求物体从A端运动到B端所需的时间。

图5

学生解决这个问题时，要进行受力分析和运动过程分析。受力分析的关键是滑动摩擦力方向的判断，刚开始物体相对斜面向上运动，所以它受到的摩擦力沿斜面向下。当物体加速到与传送带的速度相同后会如何运动？一些学生能直接通过受力判断，还有一些学生想到用如图6所示的v-t图像来帮助分析。

图6

当物体和传送带速度相等后可能一起做匀速直线运动，也可能向前继续做匀加速直线运动，但到底是哪一种情况？学生想到需要判断物体的重力沿斜面向下的分力是否超过物体与传送带之间的最大静摩擦力，代入数据得到的结果是：mgsinθ>fmax，即：物体相对传送带沿斜面向下运动，滑动摩擦力的方向沿斜面向上，加速度方向没变，大小发生变化，从而突破了本题的难点。