基于真實問題指向素養培育的教學設計
——以“生活中的圓周運動”為例

齊國元

(浙江省杭州第四中學 浙江 杭州 310018)

1 教學內容與學生分析

從知識結構上看，學生已經具有受力分析、牛頓運動定律以及圓周運動的相關知識，具備從動力學研究生活中圓周運動的知識儲備.“生活中的圓周運動”是學生所學圓周運動知識在現實生活中的具體應用，課堂教學應該讓學生充分經歷實際問題解決的基本程序：問題呈現—提出方案—推理論證，促進學生思維的發展和素養的形成[1].

從認知結構上看，高一的學生具有大量生活中圓周運動的感性認識，但缺少理性分析生活中圓周運動的經歷.本課題的教學核心目標是讓學生從物理視角看生活中的圓周運動，利用所學的知識解決實際問題，讓學生從物理學角度理性認識生活中的圓周運動，實現對世界的觀察從感性認識到理性認知的升華[2].

2 任務分解

任務1：圓周運動力學條件的研究.

任務2：基于真實數據推理論證賽道中的汽車在轉彎時是否會發生危險(離心運動的條件).

任務3：為了防止賽道中的汽車做離心運動提出具體的方案并論證其可行性.

任務4：生活中豎直平面內圓周運動問題處理.

3 教學活動

任務1：圓周運動力學條件的研究.

復習問題：該環節旨在讓學生理解向心力在圓周運動中的作用，建立圓周運動力學條件的物理觀念.問題如表1所示.

表1 圓周運動力學條件研究中的問題與素養目標

教學建議：

(1)思維引導建議.“圓周運動合外力不一定指向圓心”是學生思維上的一個難點[3]，建議教師在教學過程中通過力與速度的示意圖來分析勻速圓周運動和變速圓周運動中，力與速度的關系.

(2)教學活動建議.該任務中的問題學生基本能解決，建議教學中讓學生評價學生的回答，以加深學生對圓周運動力學條件的理解.

任務2：基于真實數據推理論證賽道中的汽車在轉彎時是否會發生危險(離心運動的條件).

問題情境：該環節旨在培養學生處理實際問題的能力，通過模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新來實現科學思維的培育.

如圖1所示為一水平賽車跑道的俯視圖(不計路面的寬度)，賽道由兩條直道(AB,CD)和一個半圓賽道(BC)構成.一賽車(可視為質點)沿賽道從A處經B,C到達D處.

圖1 賽車跑道俯視圖

要求：在最短的時間走完賽道，如果你是賽車手你會怎么操控賽車？(問題如表2)

表2 操控賽車運動的問題與素養目標

教學建議：

(1)思維引導建議.學生對離心運動有感性的認識，但缺乏物理視角下理性的認知，建議教學中培養學生用數據來表達自己的想法和結論.通過問題的解決提煉出解決實際問題的一般模式：真實情景—模型建構—推理論證—得出結論.

(2)教學活動建議.該教學環節是本課題教學的重點，建議教師要給予學生充足的時間來自己完成，把學生在處理實際問題中的困難充分地暴露出來.

任務3：為了防止賽道中的汽車做離心運動提出具體的方案并論證其可行性.

問題呈現：該環節旨在讓學生直面真實問題，基于所學的物理知識提出可行性方案，并加以論證說明，提升學生的質疑創新能力，問題如表3所示.

表3 防止賽道中的汽車做離心運動分析中的問題與素養目標

教學建議：

(1)思維引導建議.這是一個培育學生科學思維的好案例，建議教師按照：模型構建—科學推理—科學論證—質疑創新的思維路線開展教學.

(2)教學活動建議.學生根據生活經驗對這個問題有話可說，建議教師對于問題(1)和問題(2)在教學中讓學生大膽地提出自己的方案，并讓學生對學生提出的方案進行評價.問題(3)和問題(4)要讓學生把實際問題轉化為物理模型，經歷實際問題處理的過程.

任務4：生活中豎直平面內圓周運動問題處理.

問題情境：本環節旨在培養學生把實際問題轉化為所學物理模型的能力，突出模型建構的過程.

如圖2為一拱形橋，一汽車正駛過拱形橋，若汽車要安全通過橋面，則在最高點汽車運行速度是大一點好還是小一點好？問題如表4所示.

表4 汽車安全駛過拱形橋分析中的問題與素養目標

圖2 汽車駛過拱形橋

教學建議：

(1)思維引導建議.引導學生把實際生活中的生活語言轉化成物理術語，這是解決實際問題的一個重要環節.建議教師做好一般曲線運動到圓周運動模型建立的鋪墊，通過橋的半徑不斷變大直到地球半徑,培養學生知識的遷移能力，為后續萬有引力的學習做好鋪墊.

(2)教學活動建議.豎直平面內圓周運動是生活中非常常見的物理模型，若教學時間允許可以增加“汽車過凹橋”“水流星”等模型,讓學生自主分析，以培養其對實際問題的分析解決能力.