高中物理复习课的情境创设探讨——以“牛顿运动定律”复习为例

周 玲

(上海市建平中学，上海 200135)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出了发展学生核心素养的要求，在教学设计和教学实施过程中应重视情境的创设，促进学生物理学科核心素养的提升。教师应该以物理学科核心素养为导向，在教学设计和实施过程中引领学生运用科学方法分析、解决问题，提升思维品质，领悟科学本质，形成物理观念，发展核心素养。

笔者在“牛顿运动定律”复习中以山东舰载机起降为背景，以缩短舰载机起降跑道长度的问题串联整个单元，引导学生从生活到物理，再从物理走向社会，体会科学技术的发展给军事带来的影响，激发学生的爱国情怀。

2 教学的主要流程

“牛顿运动定律”复习的主要教学流程如图1所示。

图1

2.1 情境引入，导入主题

情境1：利用视频展示舰载机在“山东号”航母上起降训练的场景。

2020年12月17日，“山东号”完成了最大架次的舰载机起降任务。舰载机起降事故在航母甲板事故中占绝大比重，因此航母甲板也被称为世界上最危险的机场。航母上的跑道宽为29米，长不到200米，舰载机的降落是最困难、也是事故率最高的环节，被誉为“刀尖上的舞蹈”。

问题1：我国是世界上第3个拥有双航母编队的国家，航母对于强国强军的意义重大。让我们一起从物理学视角来探讨，可以通过哪些方法让舰载机在这么短的跑道上实现安全降落？

设计意图：(1) 将物理融入学生熟悉的生产、生活、军事情境之中，易于激发学生的学习兴趣，学生在教师的引导下从实际情境出发，经历简化、抽象，建构模型，在问题解决过程中提升科学探究和科学思维能力。(2) 将舰载机在我国自主建造的航母上起降的情境贯穿于整个牛顿运动定律的复习过程。(3) 问题引导语中“我国是世界上第3个拥有双航母编队的国家”，寥寥数语自然地激发了学生的民族自豪感，育德于无形。基于视频介绍“刀尖上的舞蹈”，提出“安全降落”的问题，引导学生关注舰载机飞行员的生命安全，在从物理学角度解决问题的过程中，让学生有为祖国的强盛贡献自己的力量的“代入感”，激发他们的学习内驱力。

2.2 引导建模，复习旧知

导入：安全降落涉及的问题十分复杂，舰载机的整个降落过程要受到天气、气流等影响，运动情况也相当复杂，虽然以我们高中所学的物理知识还不可能完全解决，但可通过突出主要因素，忽略次要因素，建构物理模型来解决问题。

问题2：若航母静止在海面上，舰载机着舰时速度v=70 m/s，着舰后的运动可看成匀减速直线运动。设舰载机着舰后受到的阻力大小恒为f=5.0×104N，它的质量m=2.0×104kg。求舰载机滑行的距离为多少？

设计意图：从情境过渡到具体的问题，体验物理建模的过程，提升学生建模的科学思维能力。问题解决会涉及受力分析、选择恰当的运动学规律，应用牛顿第二定律，达成复习牛顿运动定律主干知识的目标。通过计算发现舰载机滑行的距离远远超过航母的总长度，呈现这一矛盾，一方面让学生体会到理论与实际之间的距离，另一方面进一步引发学生的思考，过渡到问题3。

问题3：航母跑道并没有理论计算的这么长，采用什么方法可以缩短舰载机降落时运动的距离？

有学生指出：航母上有阻拦索。

追问：航母上设计了4道阻拦索，那么加装阻拦索是通过改变什么而减小了舰载机降落时运动的距离？

师生交流：阻拦索的作用力增大了舰载机减速的加速度大小，从而快速改变物体的运动状态，让它在很短距离内减速到零。通过创设情境复习牛顿运动定律，学生在用科学、规范的学术语言表达问题的过程中，深化了对“力和运动”关系的认知，逐步形成运动与相互作用观念。此外，通过教师的引导，让学生从动力学视角思考问题并表达出来，使其内隐的思维过程通过表达外显化，全体学生在相互倾听、相互补充的过程中提升思维能力，并体会到合作学习、交流的意义，形成团队合作的意识。

2.3 尝试运用，巩固基础

问题4：如果舰载机尾钩挂上阻拦索到停止只用了2 s，求舰载机的着舰距离以及舰载机受到的阻拦索平均拉力的大小。

该情境主要是引导学生复习用牛顿运动定律中第一类典型问题(已知力求运动)的方法；再运用逆向思维方法设置发展性问题，着手尝试解决第二类典型问题(已知运动求力)。在自主解决问题的过程中经历问题解决的过程：分析问题——建构模型——运用规律解决问题，进一步发展运动与相互作用观。

2.4 情境深化，铺垫进阶

相比较降落过程，舰载机的起飞在技术方面要求就更高、更难，如何缩短舰载机起飞所需的距离呢？下面我们一起了解“山东号”航母和歼-15舰载机的部分参数(表1、表2)

表1 “山东号”航空母舰参数

表2 歼-15舰载机参数

2.5 问题驱动，认知进阶

问题5：在有关航母和舰载机的参数中，哪些与舰载机起飞有关？

交流和讨论：舰载机的起飞与跑道长度、最大推力、起飞速度、舰载机质量有关。在学习过程中，学生要将动力学相关规律罗列出来，并根据给出的参数进行分析、筛选，提升了提取有效信息和处理信息的能力。通过对舰载机降落过程的分析，学生已经回顾了解决问题的方法，容易想到把舰载机起飞过程视为匀加速直线运动，然后选出和匀加速直线运动相关的参数即可解决。用类似情境与恰当的问题来引导学生积极主动地加工信息，运用科学方法，在学以致用的过程中活化了知识，提高了思维能力。在相互交流、倾听、讨论中发展认知，从而增强团队合作的意愿。

问题6：假设舰载机在最大推力的作用下由静止起飞，请描述舰载机起飞过程的运动性质。

设计意图：(1) 要描述运动的性质，须从初速度、加速度和运动轨迹三方面进行阐述，情境1涉及匀变速直线运动，而情境2中舰载机做初速度为零的变加速直线运动，可使学生体会牛顿第二定律的瞬时性，促进他们对牛顿第二定律的认知发展进阶。(2) 通过提供新信息，使学生利用已掌握的知识和技能，经过阅读和思考创造性地解决问题，不仅能够促使学生实现认知水平进阶，从而提升学生的思维能力与品质，而且通过解决新问题获得了成就感。

问题7：舰载机的陆地起飞距离是多大？

运用运动学公式可以计算出舰载机的起飞距离为243 m，还是远远大于航母起飞跑道的长度。

问题8：如何缩短起飞距离，确保飞行员的起飞安全？

这一问题的解决重在基于真实问题的讨论，不是让学生生搬硬套物理规律，而是能关注到规律使用的前提条件，体会到实际舰载机起飞受到多种因素的影响，能基于证据进行问题分析，同时提升思维的发散性，提升科学探究能力。关于舰载机顺风起飞，还是逆风起飞的问题，部分学生认为是顺风起飞，风推着舰载机可以使舰载机更容易达到起飞速度。形成这一认识的原因是由于没有理解起飞速度的概念，更主要的是学生在学习物理之前，通过生活经验，在头脑中形成了前概念，而这种前概念可能是肤浅的甚至是错误的。通过这个问题的设置，帮助学生通过独立思考、交流、讨论，纠正错误的前概念，建立科学认知。在学习中遇到与已有认识相冲突的情形时，易产生学习动机，迫切希望知道自己的前概念的错误之处，从而激发学生的求知渴望，此时教师只要适当给予提示，便可以活跃学生的思维，帮助学生转变概念。

2.6 回扣主题，回归育人

问题9：我们称舰载机的降落过程是“刀尖上的舞蹈”，这个过程不仅对技术的要求很高，对于飞行员来说也具有很大的危险性。舰载机降落时飞行员会出现“红视”、身上出现乌青块的原因是什么？

设计意图：舰载机白天复飞的概率约为5%，夜间达到12%—15%。这也是事故率最高的环节，需要飞行员具有优秀的心理品质和高超的技能。通过上述问题渗透学科德育，让学生崇尚英雄，学习英雄们不畏牺牲的精神，体会我们之所以岁月静好，是有这么多的英雄为我们负重前行。

3 教学反思

(1) 在教学中基于一个情境：航空母舰上舰载机的起降，围绕一个核心问题：如何缩短舰载机的起降距离？创设真实的情境，引导学生探究舰载机的安全起降问题，极大地激发了学生的兴趣，通过教师引导和学生的思考、讨论，让学生经历建模、信息加工等过程，形成运动与相互作用观念，提升学生的科学探究、科学思维能力，渗透思政教育，达成了核心素养的培养目标。

(2) 复习教学应从知识本位向核心素养的转变，从解题方式的教学到学科原理的理解和应用的转变，从题海战术到实际问题解决的转变，从学生基本知识和能力的评价到核心素养的评价的转变，为实现上述转变，创设情境是一种有效策略。

(3) 针对舰载机是顺风起飞还是逆风起飞这个问题，课上是通过讨论得出结论。要是时间允许的话，这里可以设计实验，让学生动手探究，将物理过程生动地展现在学生眼前，更有利于对知识的理解和掌握。