“相對運動”教學邏輯的優化設計

摘 要：運用邏輯化處理策略，對“相對運動”的教學邏輯進行優化設計.結合此案例，闡述高中物理教學邏輯優化設計的三個策略：一、基于準確把握知識內在邏輯進行優化設計；二、基于落實學科課程目標進行優化設計；三、基于把握學情進行優化設計.準確把握知識內在邏輯是教學邏輯優化設計的基礎，依據課程目標，結合教學內容的內在邏輯，準確確定具體教學目標，是教學邏輯優化設計的主線，適應學情是教學邏輯優化設計的根本.

關鍵詞：相對運動；教學邏輯；優化設計

筆者運用邏輯化處理策略對人教版高中物理教材《物理》必修2（第三版）中第五章第一節“曲線運動”教學內容進行處理的過程中，發現教材編寫邏輯以及實際教學邏輯存在問題，認為教材和實際教學中把曲線運動的合成分解和“相對運動”混為一談不妥，建議將第五章第一節“曲線運動”中“運動描述的實例”刪除或后置.[1]31“運動描述的實例”實際上是對“相對運動”的研究.“相對運動”是學生形成運動觀不可或缺的內容.筆者建議將其刪除，只是基于對該內容相對高中學生的難度的一種考量.如果從物理核心素養視角、知識內在邏輯和學生認知規律角度考量，建議將該內容后置，置于平拋運動之后，或者置于章末.本文探討后置之后，關于“相對運動”教學邏輯的優化設計.

一、“相對運動”教學邏輯的優化設計

（一）創設情境 展開探究

同桌兩人為一小組，每組發一張探究學案.學生經歷分組合作探究過程，教師巡視.探究學案內容如下.

情景：如圖1所示，雨點以v1=4m/s的速度豎直下落，小明正以v2=3m/s的速度向東跑.

問題：（1）根據自己的生活體驗，能否判斷小明感覺到雨點沿什么方向落向自己？（2）你能否畫出小明感覺到雨點落向自己的速度的示意圖？能否用事例證明你的觀點？

探究：（1）請把三個速度的示意圖平移畫到一起，使它們尾端重疊.（2）猜想，這三個速度之間遵守什么規則？（3）假定規則，求出雨點相對小明的速度.

（二）評價交流 統一認識

（1）教師通過巡視，觀察學生探究情況，探究結束，進行評價，表揚獲得較好探究成果的小組.

（2）展示最優成果，統一認識.某一組探究成果如下：畫出雨點相對小明的速度示意圖v3如圖2；舉證，打傘傘柄斜向上；畫出三個速度平移到一起使它們尾端重疊的示意圖如圖3；猜想，三個速度之間遵守平行四邊形定則，v1是平行四邊形的對角線，v2、v3為平行四邊形的鄰邊；假定，遵守平行四邊形定則，根據定則做出這三個速度的圖示如圖4；求得雨點相對小明速度大小為5m/s.

（三）建立概念 總結規律

1.建立概念

（1）“相對運動”問題涉及兩個參考系，一個靜止參考系（一般選地面或相對地面靜止物體），另一個是運動參考系，本例的兩個參考系是地面和運動的小明.

（2） “相對運動” 問題針對三個運動，運動對象相對靜止參考系的運動（位移、速度、加速度）稱為絕對運動（絕對位移、絕對速度、絕對加速度），運動參考系相對靜止參考系的運動（位移、速度、加速度）稱作牽連運動（牽連位移、牽連速度、牽連加速度），運動對象相對運動參考系的運動（位移、速度、加速度）稱為相對運動（相對位移、相對速度、相對加速度）.本例中，研究對象雨點，相對地面的運動為絕對運動，相對小明的運動為相對運動，小明是運動參考系，小明相對地面的運動為牽連運動.

2.總結規律

（1）絕對速度（絕對位移、絕對加速度）、相對速度（相對位移、相對加速度）和牽連速度（牽連位移、牽連加速度）之間遵守平行四邊形定則（或三角形定則）.

（2）用平行四邊形定則表述為：三個矢量四邊形，相對、牽連和絕對，相對、牽連兩鄰邊，夾一絕對對角線.（圖示略）

（3）用三角形定則表述為：三個矢量三角形，相對、牽連和絕對，相對、牽連頭咬尾，絕對連尾又碰頭.（圖示略）

（4）伽利略最早揭示了相對運動的規律，稱做伽利略變換.伽利略變換只適用于宏觀物體低速運動情況，對高速相對運動的規律，用洛侖茲變換.

（四）運用變式 拓展深化

船渡河運動問題分析.以問題化為手段，引導學生按以下邏輯展開研究.

（1）情境呈現：船渡過流水河.（展示圖示和教師語言描述，或展示圖示和觀看船渡河視頻）

（2）提出問題：關于船渡河，我們一般關注哪些問題？渡河時間；渡河位移；渡河航線（軌跡）等.

（3）該情境主要物質有哪些？船，流水，河岸；該問題的研究對象是什么？船.

（4）兩個參考系是什么？靜止參考系是兩岸，運動參考系是流水.

（5）三個運動是什么？絕對運動：船相對兩岸的運動；相對運動：船相對水的運動；牽連運動：水的運動.

（6）建立模型.最簡單的河道是什么樣子？（河道建模）兩岸為平行直線，河寬度不變；最簡單的運動是什么？（運動建模，水流建模）最簡單的模型是相對運動和牽連運動都是勻速運動，牽連運動為勻速，指河中任意位置的水流速度相同；假定相對運動仍然為勻速運動，但水流模型假設為：沿同一平行河岸線各點速度相同，但在垂直河岸方向，中央速度最大，靠近兩岸逐漸變小，那么，牽連運動是什么運動？先加速后減速.本節主要針對相對運動和牽連運動都是勻速運動模型探討渡河時間、渡河位移和渡河航線（軌跡）等問題，有興趣的同學們課后可以進一步探究更為復雜模型的渡河問題.

（7）運用概念、規律解決問題.船相對兩岸的運動（位移、速度、加速度）稱為絕對運動（絕對位移s絕、絕對速度v絕、絕對加速度a絕），水的運動（位移、速度、加速度）稱作牽連運動（牽連位移s牽、牽連速度v牽、牽連加速度a牽），船相對水的運動（位移、速度、加速度）稱為相對運動（相對位移s相、相對速度v相、相對加速度a相）.其中，相對運動（相對位移s相、相對速度v相、相對加速度a相）是由駕船人控制的，比如相對速度v相的方向和大小.這里，我們做一些約定，在高中物理習題中，相對速度v相的方向就是沿船頭方向；另外，有的習題中，會出現“船在靜水中的速度”一說，相對速度v相等于“船在靜水中的速度”.endprint

如果相對運動和牽連運動都是勻速運動，則有a相=0，a牽=0，根據平行四邊形定則，得a絕=0，故可推斷絕對運動也是勻速運動，其航線為直線.下面我們討論兩種特殊情形，如圖5，相對速度v相垂直河岸，如圖6，絕對速度v絕垂直河岸.航線如圖5、圖6中沿絕對速度v絕的虛線所示.因為三個運動均為勻速直線運動，所以渡河時間t===.設河寬為d，則圖6中=，當時，即圖5情形，d.在保持相對速度大小不變前提下，由t=可知，無論還是，圖5情形為渡河時間最短，但絕對位移不是最短.圖6情形，絕對位移最短，所以最短渡河位移為d，但從圖6可知此情形必須滿足，若，最短位移問題請有興趣的同學課后進一步討論.

二、教學邏輯的優化設計策略

如何對教學邏輯進行優化設計？筆者運用邏輯化處理策略，[2-4]針對“相對運動”教學邏輯的優化設計案例，主要談以下三個策略.

（一）基于準確把握知識內在邏輯進行優化設計

教材把“相對運動”的教學內容和曲線運動的研究編排在同一節，并且缺乏對相對運動問題表述概念的建立，致使大多數高中物理教師把“相對運動”和運動的分解、合成混為一談，偷換概念，對“相對運動”進行錯誤表述，不僅誤導學生對“相對運動”的理解，增加學習和運用的難度，而且還對平拋運動的學習產生強烈的前攝抑制作用.[1]31可見，知識的內在邏輯不清或者混亂，教學邏輯的設計必然先天不足，縱然千方百計終歸事倍功半.所以，教學邏輯的優化設計，必須正本清源，以準確把握知識內在邏輯為基礎.正是基于厘清了曲線運動的分解合成與“相對運動”的本質區別，筆者才優化設計了把“相對運動”分離后置，并且增設了建構描述“相對運動”的相關概念的教學邏輯架構.

（二）基于落實學科課程目標進行優化設計

隨著課程改革的不斷深化，高中物理學科的課程目標從“三維目標”升級為“物理核心素養”目標.依據課程目標，結合教學內容的內在邏輯，準確確定具體教學目標，是教學邏輯優化設計的主線.主線是綱，綱舉目張.

高中物理核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個方面.物理觀念包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素.科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素.科學態度與責任主要包括科學本質、科學態度、科學倫理、STSE等要素.

在確定具體教學目標時，切忌把課程目標全面套用，而要結合教學內容的特點，制定切實可行的目標.要著重落實由于應試理念造成的忽視模型建構、質疑創新、科學探究和科學態度與責任這些目標.

“相對運動”是日常生活生產中常見的運動，對學生形成運動觀念不可或缺.既然是生產生活中常見的運動，就應當信手拈來，選擇生產生活中常見的相對運動情境為例，大可不必閉門造車，做個“蠟塊運動”演示實驗.落雨情境，每個學生都多次身臨其境，無需做演示實驗，對其感性認識也勝于初次課堂上所見的“蠟塊運動”. “蠟塊運動”不是生產生活常見的，以此為例，使物理脫離生產生活，設計從落雨探究物理規律，再用物理規律去研究渡河等實際問題，從生產生活走向物理，再把物理應用到生產生活中去，凸顯物理的科學價值.

針對應試教育忽視的目標，設計了對落雨運動的探究，落實科學探究，設計對船渡河問題的解決，落實模型建構.應試教育忽視模型建構，使物理成為純理無物.只有重視模型建構，學生才能夠見物思理，對物說理，以理究物.所以，模型建構應當貫穿物理教學始終，把模型建構作為必要的教學邏輯層次之一.精心創設物理情境，按照科學探究的主要要素設計教學邏輯，把科學探究素養目標巧妙地融合于教學邏輯設計當中.

（三）基于把握學情進行優化設計

沒有學情分析，一切教學目標的實施都不可能真正實現，只能是空中樓閣.學生是課堂的真正主體，一切教學活動是圍繞這一主體的主動參與學習展開的，只有當教師充分了解自己的學生，對學生進行學習前的各種情況分析，才能有效地利用學生的最近發展區完成各項學習活動，從而做到有的放矢.優化設計教學邏輯最終是為了學生主體的發展，適應學情是優化設計的根本.

學情分析重點把握兩個方面，第一方面，學習基礎，包括能力水平、知識基礎和前概念等，第二方面，認知規律，包括心理特點、思維規律、情感意志狀態和學習習慣等.要通過理論研究和實踐調查，分析教學邏輯的設計是否符合學情.

設計以落雨運動為例進行探究，主要基于以下學情分析.首先，考慮到這是與學生生活密切相關的運動，比演示蠟塊運動更加能夠激發學生探究興趣，教學實踐表明，學生探究的積極性都很高.其次，筆者先經過抽查不同層次學生，調查學生對落雨運動的感悟能力，問：雨點相對地面豎直下落，跑步的人感覺雨點是沿什么方向打到臉上的？大多數都能正確回答，個別經過問題反復說明，也能糾正.第三，“猜想”的設計也是適應學生基礎的，學生在“探究求合力的方法”中已有類似的體驗.

在船渡河運動問題解決教學過程，設計了建構模型的教學邏輯層次.其實，高中學生完全有能力建構這些簡單的模型，但由于長期的應試教育影響，學生都缺乏建構模型的意識和習慣.筆者運用問題化手段，點醒學生建構模型的意識和習慣.教學中，如果始終重視模型建構的意識和習慣的培養，必能點化學生建構模型的能力.

參考文獻：

[1]張惠作.“曲線運動”教學邏輯的設計[J].中學物理教學參考，2016（12）.

[2]張惠作.高中物理教學內容的邏輯化處理模式和措施[J].教學月刊·中學版（教學參考），2015（1）：37-41.

[3]張惠作.高中物理教學內容的認知化處理策略[J].教學與管理，2015（9）：66-68.

[4]張惠作.高中物理教學內容的細膩化處理[J].教學與管理，2016（11）：70-72.endprint