基于“大情境”主线的物理复习教学探讨

陆永华

（南京航空航天大学苏州附属中学，江苏 苏州 215000）

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“课标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］在物理复习中基于“大情境”主线开展教学实践，有利于解决情境“碎片化”问题，系统优化学生的物理认知结构，培养学生的问题解决能力.

1 物理核心素养视域下的“大情境”

物理核心素养视域下的“大情境”是指为了发展学生的物理学科核心素养，把课程标准及教材所呈现的理论知识与真实的问题情境相关联，以问题或任务为中心构成的深度加工的接近真实客观世界的活动场域.结合“课标2017年版”“大情境”主要源于贴近学生、贴近生活、贴近时代的“生活实践问题情境”和真实的物理科学研究过程、学生实际的探索过程，涵盖学习探索与科学探究过程中所涉及问题的“学习探索问题情境”两大类.“课标2017年版”涉及的“问题情境的复杂程度”可分为“简单”的情境和“复杂”的情境，对应素养不同的水平层次，分为常见的去情境或抽象的情境、新颖的简单抽象的情境、常见的复杂但有指向性的情境、新颖的复杂结构良好情境或简单结构不良的情境等.

2 基于“大情境”主线的物理复习教学路径

认知过程的本质是由情境决定的，情境是一切认知活动的基础.物理核心素养视域下的“大情境”复习教学从真实“大情境”出发，通过“大情境”主线与课堂教学环节有机融合，以“大情境”和分解的“子情境”为载体，辅以“知识问题化、问题情境化”的复习教学路径，“通过问题解决促进物理学科核心素养的达成”.具体来说，如图1所示，创设教学任务“大情境”，将“大情境”中呈现的“原始物理问题”进行剖析，结合学情关联学生的具体情境认知，挖掘优化情境，构建情境中的物理模型，将教学目标的落实有机融合到对“大情境”的逐层分析之中，通过分解系列“子情境”，设置不同层次的任务“问题链”，多线并进，驱动学生解决系列“问题链”，将原本孤立的、碎片化的知识方法等进行深度加工，构建系统化的物理认知结构，发展科学思维，培育科学态度与责任，通过“大情境”和分解“子情境”的问题解决培养学生的物理核心素养.

图1

3 基于“大情境”主线的物理复习教学案例

在物理复习教学过程中，依据“课标2017年版”相关内容要求，把复习内容嵌入到“大情境”之中，为知识的意义建构提供问题解决的载体，帮助学生“形成把情境与知识相关联的意识和能力”.［1］

3.1 依据“课标2017年版”要求，创设任务“大情境”

“课标2017年版”中提出“观看有关人造地球卫星、神舟飞船、航天飞机、空间站的录像片，与同学交流观后感”“收集我国和世界航天事业发展历史和前景的资料，写出调查报告”“认识科学定律对人类探索未知世界的作用.”［1］基于“大情境”主线的教学要求将复习主题内容与真实世界的情境相结合，依据“课标2017年版”中“万有引力与航天”的内容要求，按照教学实际需求合理地增减或重构等方式，确定以中国探测月球的“嫦娥工程”为主线任务“大情境”进行复习教学.

3.2 整合“原始物理问题”，增进具体情境认知

嫦娥五号是中国首个实施无人月面取样返回的月球探测器，图2是嫦娥五号的运行过程示意图.2020年11月24日，嫦娥五号成功发射升空进入预定轨道，经过两次轨道修正，进入环月轨道飞行，然后从椭圆环月轨道变为近圆形环月轨道，最后在月球正面预选着陆区着陆.嫦娥五号主要科学目标包括对着陆区的现场调查和分析，以及携带月球样品返回地球以后的分析与研究.嫦娥五号任务是中国探月工程的第6次任务，也是中国航天最复杂、难度最大的任务之一，实现了中国首次月球无人采样返回，助力月球成因和演化历史等科学研究.中国人的探月工程，为人类和平使用月球做出了新的贡献.通过对图2所示的嫦娥五号的运行过程示意图及相关视频等资料的整理分析，帮助学生了解嫦娥五号探月工程相关“原始物理问题”的具体情境内容，有意识渗透并筛选出所需“大情境”的物理信息.

图2

3.3 深度加工解构，构建物理模型

“大情境”不是真实情境的原版，只是尽可能接近真实情况，限于学生知识、能力的发展水平，需要从促进学生物理核心素养发展的目的出发对真实情境进行简化、剪辑、凝练.［2］在图2所示的嫦娥五号探测器运行轨道过程示意图分析基础上，把嫦娥五号成功送到月球，简化为大致经历“发射→转移轨道→环绕与变轨→着陆”4步，把图2中的部分过程进行解构并模型化处理，构建如图3所示的过程模型示意图，以此作为复习“大情境”载体，以“发射→转移轨道→环绕与变轨→着陆”4步为上课的“情境”主线，通过设置系列“问题链”把相关的碎片化知识结构化、系统化.

图3

3.4 分解“子情境”，设置“问题链”

在任务“大情境”的基础上，依据学习任务要求设计分解“小情境”，围绕“嫦娥五号探月”核心问题的解决，结合“小情境”设计系列“问题链”呈现复习的内容，把研究的核心问题分解为具体问题.将核心问题解构为系列“问题链”是问题解决的关键能力之一.

3.4.1 子情境1：发射阶段

2020年11月24日4时30分，长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空.已知地面附近的重力加速度为g，地球半径为R，万有引力常量为G.

问题1（1）：从地球发射“奔向”月球的过程中，用h表示“嫦娥五号”与地球表面的距离，F表示它所受的地球引力，能够描述F随h变化关系的图像是图4中的

图4

问题1（2）：假设在“嫦娥五号”舱内有一平台，平台上放有测试仪器，仪器对平台的压力可通过监控装置传送到地面.在发射起始过程中，舱内物体处于超重还是失重状态？

问题1（4）：我国多次成功使用“冷发射”技术发射运载火箭，如图5所示，发射舱内的高压气体先将火箭竖直向上推出，火箭速度接近0时再点火飞向太空.从火箭开始运动到点火的过程中

图5

（A）火箭的加速度为0时，动能最大.

（B）高压气体释放的能量全部转化为火箭的动能.

（C）高压气体对火箭推力的冲量等于火箭动量的增加量.

（D）高压气体的推力和空气阻力对火箭做功之和等于火箭动能的增加量.

3.4.2 子情境2：轨道转移阶段

2020年11月24日22时06分，嫦娥五号探测器3000 N发动机工作约2 s，顺利完成第1次轨道修正.11月25日22时06分，嫦娥五号探测器两台150 N发动机工作6 s，顺利完成第2次轨道修正.12月14日，嫦娥五号轨道器和返回器组合体顺利完成第1次月地转移轨道修正.

问题2（1）：嫦娥五号飞向P点过程中，嫦娥五号的速度和加速度如何变化？

问题2（2）：嫦娥五号要从P点进入环月段做匀速圆周运动，在P点需要采取什么措施？

3.4.3 子情境3：环绕与变轨阶段

2020年11月28日20时58分，嫦娥五号探测器经过约112 h奔月飞行，在距月球表面400 km处成功实施3000 N发动机点火，约17 min后，发动机正常关机，顺利进入环月轨道.11月29日20时23分，嫦娥五号探测器在近月点再次“刹车”，从椭圆环月轨道变为近圆形环月轨道.将过程简化如下：嫦娥五号探测器从地球表面发射后，进入地月转移轨道，轨道修正后近月制动变轨进入圆形轨道Ⅰ，在轨道Ⅰ上经过P点（远月点）时再次变轨进入椭圆轨道Ⅱ，之后将择机在Q点（近月点）着陆月球表面.已知嫦娥五号探测器围绕月球在轨道Ⅰ做匀速圆周运动，月球的半径为R，探测器的质量为m，距月球地表高度为h，运行周期为T，引力常量为G.

问题3（1）：求月球的质量和密度.

问题3（2）：月球的第一宇宙速度是多大？

问题3（3）：求探测器在轨道Ⅰ上的向心加速度，角速度、线速度（动能）.

问题4（1）：比较探测器分别经过轨道Ⅰ和Ⅱ上同一P点时的速度和加速度大小.

问题4（3）：若PQ＝2QS，则在轨道Ⅰ上由P点到S点的时间与轨道Ⅱ上P点到Q点的时间之比为多少？

3.4.4 子情境4：着陆阶段

2020年12月1日22时57分，嫦娥五号着陆器和上升器组合体从距离月球表面约15 km处开始实施动力下降，7500 N变推力发动机开机，逐步将探测器的相对月球速度从约1.7 km／s降为0.期间，嫦娥五号探测器进行快速姿态调整，逐渐接近月球表面.此后进行障碍自动检测，选定着陆点后，开始避障下降和缓速垂直下降（如图6所示）.

图6

问题：“嫦娥五号”登月探测器在月球着陆过程如下，在反推火箭作用下，探测器在距月球表面h处悬停（速度为0，h远小于月球半径），通过对障碍物和坡度进行识别，选定相对平坦的区域后，开始以加速度a垂直加速下降.当4条“缓冲脚”触地时，反推火箭立即停止工作，随后飞船经时间t减速到0，停止在月球表面上，每条“缓冲脚”与地面的夹角为60°，已知探测器总质量为m（不包括燃料），地球和月球的半径比为k1，质量比为k2，地球表面附近的重力加速度为g，4条缓冲脚的质量不计.求

问题5（1）：月球表面附近的重力加速度大小.

问题5（2）：探测器垂直下降过程中，火箭推力对探测器做了多少功.

问题5（3）：从“缓冲脚”触地到探测器速度减为0的过程中，每条“缓冲脚”对探测器的冲量大小.

3.4.5 子情境拓展：从月球返回地球阶段

“嫦娥五号”探测器在月球安全着陆区进行现场调查和分析，钻表取样等，然后在月球表面起飞，把样品转移到返回器，之后进入月地转移轨道，返回地球.“嫦娥五号”探测器是如何实现上述过程的？请课后查阅资料并撰写研究报告.

3.5 优化物理认知结构，提升问题解决能力

我国各地高考涉及“万有引力与航天”模块的考题多以我国处于世界领先地位的航天作为命题情境，培养学生爱国情怀和健康的科学态度与责任.“嫦娥五号”探测器“大情境”的复习是一种基于实践的深度学习，是将“嫦娥五号”“大情境”解构为系列“子情境”的过程模型，通过设置层进式的系列“问题链”，如图7所示，活化具体概念，整合重要概念，并将其提炼和升华，在情境问题解决中形成大概念.将“万有引力与航天”模块内容中零碎、浅层知识的内涵和外延系统化、结构化，完善优化学生的认知结构，有助于将学生的学习应用迁移至各种具体情境之中，培养物理学科核心素养.

图7

4 基于“大情境”主线的物理复习的教学思考

4.1 物理复习教学中“大情境”呈现的教学实践取向

以“大情境”为载体改变教学实践取向，凸显从知识记忆到知识理解，从知识解析到促进认识转变和发展，从知识结论到彰显知识的功能价值，从“知识为本”向“核心素养为本”转变.物理复习教学中的“大情境”创设的实践形式，根据教学主题知识模块内容以及教学课时等维度，主要以“大专题”和“微专题”，以及“单元复习”为主.“大专题”和“单元复习”的模块内容的融合程度相对较高，系统性较强，所用教学课时也有不同要求.“微专题”是“大专题”的补充与细化，教学课时一般为1－2课时.教学实践表明，“微专题”利于精准实施定点打击，利于知识的深度加工整合，有助于实现“一课一得”，是促进深度学习的有效途径.

4.2 通过“大情境”教学促进“解题”向“解决问题”转变

“课标2017年版”指出“习题教学的作用不仅仅是为了得到答案，而是要全面提高学生的问题解决能力”.［1］问题解决能力是发展学生物理核心素养的关键能力.“解题”向“解决问题”转变需经历知识点掌握→知识的内化和理解→知识的应用→知识在真实性情境中的灵活与创造性应用的进阶发展过程.以真实性情境为载体，将知识与实际问题融入有意义的真实情境之中，让学生经历问题解决的过程.“把物理课程中所形成的物理观念和科学思维用于分析、解决生产生活中的问题，在问题解决中进一步提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进物理学科核心素养的形成.”［1］

“大情境”是物理学科核心素养发展的载体，基于“大情境”的物理复习是教学实践中培养学科核心素养的重要教学形式之一，其合理性与必要性不言而喻，也更需要一线教师在教学中不断实践与反复改进.