基于真实情境创设的高中物理教学设计①——以“匀变速直线运动与汽车安全行驶”为例

(1.广东省英德市教师发展中心,广东 清远 513000;2.广东省英德市第一中学,广东 清远 513000)

《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。[1]课堂是落实核心素养培养任务的主阵地,课堂教学中要重视情境的创设,强化物理知识与生活生产的联系。

“匀变速直线运动与汽车行驶安全”体现了物理规律与生活实际的紧密联系，教学设计中可以通过真实情境的创设,激发学生解决问题的内驱力,让学生经历问题解决的过程,感悟原理、内化品质、提升能力,形成必备的品质和创新能力。

1 教学设计

1.1 教材分析

“匀变速直线运动与汽车行驶安全”是广东教育出版社出版的普通高中物理必修1第二章的最后一节内容,主要阐述匀变速直线运动规律的应用和汽车行驶安全。要求学生掌握知识的同时，还要落实社会责任感的培养任务。编写理念是以实际情境为背景,建构物理模型,利用匀变速直线运动规律解决实际问题,同时通过实际情境的分析和定量计算,明白各个因素是怎样影响汽车行驶安全的。

1.2 学情分析及对策

(1) 心理特点

① 现状:学生有着较为浓厚的数学、物理等学科的学习兴趣,但不够认真细致、科学理性；

② 对策:通过问题驱动、寻找证据和角色扮演的方式开展教学。

(2) 知识储备

① 现状:学生对运动的描述已经有一定的理解,初步熟悉匀变速直线运动规律的应用,对于较复杂的运动过程和对象尚不够清晰；

② 对策:将较复杂问题进行分解,有层次、递进式呈现问题,螺旋式提升学生的科学思维能力。

(3) 学法思维

① 现状:学生能在熟悉问题情境中根据需要选用恰当的物理模型解决直线运动问题,但停留在经验层次；

② 对策:设置实际情境让学生学会提出问题,寻找证据,分析证据,习得“解决问题”的思维途径和策略。

(4) 能力储备

① 现状:学生能对常见的物理现象进行分析和推理,但将实际问题中的对象和过程转换成物理模型的模型建构能力不足；

② 对策:设置实际情境让学生经历观察、思考、分析和建模过程,提升学生的思维品质。

1.3 教学目标

(1) 物理观念

知道汽车行驶的反应时间和刹车时间,能用运动学公式求解反应距离和刹车距离,培养运用物理学规律解决实际问题的习惯。

(2) 科学思维

能分析汽车行驶的实际问题,综合应用匀变速直线运动的规律解决汽车行驶的复杂问题,在对汽车行驶的不同阶段的分析推断中,培养综合分析、科学推理的能力。

(3) 科学探究

通过汽车行驶安全问题与物理规律的关系探究,理解物理与生活、社会的关系。

(4) 科学态度与责任

通过计算推断饮酒、疲劳驾驶发生交通事故的危害,培养应用物理原理防止事故发生的习惯,具有应用科学保障社会安全的意识。[2]

1.4 教学重点和难点

重点：把实际物体的运动简化，建立物理模型，应用运动规律解决交通安全问题；汽车安全行驶和交通规则等生活实际问题的理解和应用。

难点：应用物理知识分析解决汽车安全行驶问题。

2 教学过程

2.1 情境引入

播放交通事故新闻报道,学生获取其关键信息，进行事故原因分析。

分组讨论后小组长汇报,老师总结并板书。雨天,前车路况不熟、突然刹车,后车车速太快、跟车太近、刹车不及等,并逐一分析每个原因对事故产生的影响。

设计意图：以新闻报道创设情境,培养学生处理信息、提炼关键信息的能力,让学生对道路交通安全事故有更深的感受和思考,引出课题。

2.2 角色扮演

假如你是这次交通事故的办案交警,需要调查事故发生过程及原因,进行事故责任的认定,该如何开展事故调查工作？

问题1:为了调查事故发生过程及原因，主要从哪些方面进行？

引导学生从酒驾、超速、车距、疲劳驾驶等方面进行调查。

问题2:现场需要测量哪些数据？该数据指向哪个物理量或物理过程？

学生分组讨论后展示交流,归纳成表1。

表1

设计意图：通过创设角色扮演的情境,激发学生的学习热情和解决问题的内驱力。

2.3 问题驱动,解决问题

在一次高速公路上发生追尾交通事故中,交警通过现场酒精检测，显示两司机均无酒驾,首先考虑司机是否违反限速规定。

交规链接：《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第78条规定：高速公路应当标明车道的行驶速度,最高车速不得超过每小时120公里,最低车速不得低于每小时60公里(图1)。

图1

2.3.1是否违反限速要求

问题1:经询问确定,前车司机在超车道上看到前方道路有散落物时立即刹车,车刚停下来时被后车追尾,警察测量前车刹车痕迹长度为52m,根据路面及轮胎花纹确定刹车过程的加速度为6m/s2,请通过计算判断前车是否违反限速要求。[3]

结论：前车初速度为90km/h,根据交规对高速公路超车道的限速要求(110 km/h～120 km/h),前车违规占用超车道。

问题2:后车在看到前车刹车尾灯亮后立即刹车,测量后车的刹车痕迹为100m。根据两车损坏程度及司机提供的证据,后车以36km/h撞上前车,若后车刹车过程的加速度为6m/s2,请通过计算判断后车是否违反限速要求。[3]

结论：后车初速度为130km/h,属于超速驾驶。两辆车均违反了高速道路限速要求,交警需要进一步判断后车是否按要求保持安全距离。

设计意图：通过交规链接,引导学生重视交通法规。通过简化抽象、建立物理模型,应用匀变速直线运动规律解决问题。

2.3.2 反应时间

(1) 体验反应时间:让学生两人一组,一同学捏住直尺上端,一同学大拇指与食指之间距离保持3cm左右,与直尺下端零刻线保持水平,在没有任何预示的前提下,突然放开直尺,另一同学尽快用手指去夹住它,思考：为什么总是夹不到零刻线处？

(2) 测量反应时间:实验中第一次当对方没注意时突然放手,另一次对方集中注意力时突然放手,测出两次尺子下落的高度。

设计意图：通过两次实验的不同结果,让学生体验影响反应时间的因素,激发学生的学习兴趣,感受正常反应和非正常反应(疲驾,酒驾等)对汽车安全行驶的影响,认识反应时间的长短对汽车安全行驶的极端重要性,增强学生的社会责任意识。[4]

2.3.3 是否保持安全距离

交规链接：《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第80条规定：机动车在高速公路上行驶,车速超过每小时100公里时,应当与同车道前车保持100米以上的距离,车速低于每小时100公里时,与同车道前车距离可以适当缩短,但最小距离不得少于50米(图2)。

图2

问题3:交警经过调查得知前车司机已经连续驾驶几个小时,反应时间约为3s,后车司机驾驶时间不长,反应时间约为0.5s,则事故发生前,后车是否与前车保持了安全距离？

结论：事故发生前,后车未按要求保持安全距离。

2.4 总结与评价

通过扮演交警角色调查一起交通事故的原因，反映超速、疲劳驾驶的危害性和保持安全距离的必要性,应用匀变速直线运动规律知识解决实际问题,同时学习相关的交通法规。

3 贴近生活,融合科技

(1) 结合图3所示的交通标志牌,对家人提出关于汽车行驶安全的建议,并在乘车中提醒监督。

图3

(2) 自动驾驶汽车

情境：播放自动驾驶汽车视频(图4)，自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作,自动安全地操作机动车辆。

图4

设计意图：让学生明白许多交通法规的制定都有物理根据,从而能更自觉地遵守交通安全法,体验物理与生活的紧密联系。通过前沿科技的介绍,引导学生关注科技进步,开阔视野、热爱生活、憧憬未来。

4 课后拓展

(1) 交通安全法规定机动车在高速公路上行驶时,遇到有雾、雨、雪、沙尘、冰雹等低能见度气象条件,应当遵守下列规定：在能见度小于200m时,开启雾灯、近光灯、示廓灯和前后位灯,车速不得超过60km/h,与同车道前车保持100m以上的距离。请你从物理学的角度分析其制定的原因及内涵。

(2) 假期里你和家人准备自驾外出旅行,出发前和行车路上为了确保行车安全,你该做好哪些工作？可以用学过的知识解释一下吗？

设计意图：利用开放性的真实问题情境,强化物理知识与生活生产的联系,让学生学以致用,提高学生应用物理知识解决生活实际问题的能力。

5 反思与评价

5.1 知学情,定对策

教学设计应根据学生的认知特点、知识储备等制定有效的对策开展教学，在课堂教学中充分发挥教师的主导作用,重视学生的学习过程,积极实施自主、合作、探究的学习方式,针对综合性和拓展性较强的教学内容设置有梯度的问题,螺旋式驱动学生完成学习任务。

5.2 结构简,理念新

教学设计以“事故调查”方式呈现,引导学生观察、思考,寻找证据,将超速、安全距离、反应时间、疲劳驾驶等问题融入其中,注重培养学生的问题意识、证据意识和应用科学方法分析问题和解决问题的能力。

5.3 创情境,重思维

教学设计从解决实际问题出发,将知识应用置于具体的实际情境之中，将实际问题中的对象和过程转换成物理模型,合理使用证据得出结论,综合应用物理知识解决实际问题,并指导学生的生活实践。

5.4 明目标,育素养

培养学生分析相关现象或事实,提出并准确表述可探究的物理问题,分析数据、发现规律,形成合理的结论。在综合应用所学的物理知识解决实际问题的过程中，培养学生的核心素养,真正实现从解题向解决问题转变。