指向大概念的高中物理微專題教學策略①
——以“傳送帶問題”教學為例

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學,江蘇 蘇州 215411)

高中物理微專題復習立足于學生的原有認知結構，通過相關或相似的物理知識點提煉而成，使原有認知與提煉的問題點發生相互作用，整合相關的物理概念、規律、原理、模型和思想方法等，形成一種聯系緊密、邏輯清晰的微型專題復習結構。“微專題”復習具有“因微而準、因微而細、因微而深、因微而大”等特征。

1 大概念的內涵及基本特征

《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確指出：要“重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實”。

大概念是指在一個學科領域中最精華、最有價值的內容，在學科中發揮著概念“魔術貼”或“文件夾”的作用，是在事實基礎上抽象出來的深層次的、有意義的、結構化的、可遷移的概念。在教學實踐中，大概念通常表現為一個有用的理論、主題、基本假設或原則等。

大概念具有抽象性、中心性、意義性、結構性、發展性和遷移性六大基本特征，這六個特征相互關聯。大概念的獲取路徑包括：以課程標準為基準，以基本問題為導引，以高階思維為架構。

2 指向大概念的高中物理微專題教學策略

指向大概念的高中物理微專題教學是以整合的知識為內容，以微專題為途徑，以大概念發展為目標，以挖掘錯誤資源、進行變式拓展、注重知識關聯、靈活遷移應用為教學策略促進深層次的學習。

傳送帶問題是牛頓運動定律的實際應用，涉及高中物理“力和運動”“能量”兩個大概念，筆者以“傳送帶問題”教學為例，闡述微專題教學策略及其實施過程。

2.1 挖掘錯誤資源

學生呈現出來的“錯誤”或認知沖突是實施教學最好的“資源”，錯誤只是表象，本質上它反映了學生認知結構的不完備。要充分分析學情，揭示錯誤的成因，幫助學生理解知識內涵。

教學案例1：水平傳送帶被廣泛地應用于機場和火車站,用于對旅客的行李進行安全檢查。如圖1所示為一水平傳送帶裝置示意圖，繃緊的傳送帶AB始終保持v0=2m/s的恒定速率運行，一質量m=4kg的行李無初速地放在A處。設行李與傳送帶間的動摩擦因數μ=0.1，AB間的距離L=3.0m，g取10m/s2，求：

圖1

(1) 行李在傳送帶上運動的時間。

(2) 行李在傳送帶上留下的痕跡長度。

師：說說這里的a、v是相對哪個參考系的？

生：相對地面的。

師：那這里求出來的位移就是相對地面的，是題中所要求的痕跡長度嗎？

接下來可以采用三個層次不同的學生活動，讓學生深度理解此問題。

(1) 通過實驗演示定性感知。讓學生一只手拿一張白紙，另一只手拿一支筆，筆尖壓在白紙上，兩者以相同的速度一起向右水平移動。教師提出問題：“你觀察到痕跡了嗎？”學生回答：“沒有。”教師追問：“筆相對地面有沒有位移？”

(2) 追問促進理解痕跡的本質。教師繼續追問：“那么你們覺得怎樣才能形成痕跡？”學生很快意識到“只有兩者間有相對運動時才能形成痕跡”，理解痕跡的長度是兩個物體的相對位移。

(3) 通過v-t圖像來加深理解。讓學生畫出傳送帶與木塊的v-t圖像(圖2)。

圖2

師：在v-t圖像中哪部分“面積”表示物塊相對地面的位移？

生：△OAB的“面積”。

師：哪部分“面積”表示傳送帶相對地面的位移？

生：矩形OABC的“面積”。

師：相對位移呢？

生：△OBC的“面積”，與△OAB的“面積”相等。

2.2 進行變式拓展

在高三復習課中利用變式拓展能使問題不斷深化，通過變條件、變情境、變模型等方法使零散的知識點有機地串聯起來，達到以點帶面的效果，實現“少而精”的目標，幫助學生形成結構化知識。

教學案例2：對于前面的例子中的第(1)小問,進行變式訓練：“若傳送帶的速度為v0=2.2m/s,其他條件不變，求行李在傳送帶上運動的時間。”學生算出來的結果為2.46s。

圖3

師：在物塊初速度及與傳送帶的動摩擦因數恒定的情況下，怎樣使物塊在傳送帶上運動的時間最短？

生：物塊一直做勻變速直線運動，不出現勻速運動的過程。

通過變式訓練和v-t圖像的動態分析使學生對物塊在傳送帶上運動過程的認識不斷深化，從而理解存在“最短時間”的原因和計算方法。

2.3 注重知識關聯

在復習課中要將已學知識進行關聯整合，達到理解和應用大概念的目的。傳動帶模型不僅僅涉及力和運動關系的分析，還涉及能量問題，放在一起研究可充分發揮微專題的作用。

教學案例3：如圖4所示，水平傳送帶長為L=10m，以v0=3m/s的速度逆時針勻速轉動。質量為m=1kg的物體以初速度v=2m/s滑上傳送帶的左端，小物體與傳送帶間的動摩擦因數μ=0.1，求在整個過程中物體與傳送帶之間產生的熱量是多少？

圖4

相對滑動摩擦產生的熱量Q=FμΔx，其中Δx是相對位移，即痕跡長度，這樣就將能量與運動過程聯系了起來。

小物體先向右做勻減速直線運動，速度減小到0后，再向左做勻加速直線運動，直到離開傳送帶，第一個過程所產生痕跡長度Δx1是小物體與傳送帶相對地面的位移大小之和還是之差呢？

可以通過運動的相對性來說明：如兩個物體A、B同時從同一地點相向運動，相對地面的位移大小分別為x1、x2，此時相對位移大小為x1+x2。

對于第二個過程，小物體向左做勻加速運動的痕跡長度Δx2很容易算出來，但是總的痕跡長度是Δx1+Δx2還是Δx1-Δx2呢？這里依然根據痕跡的成因，從相對運動的角度來解決：在第一個過程小物體相對傳送帶向右運動，在第二個過程小物體相對傳送帶仍然向右運動，總體上小物體相對傳送帶始終向右運動，那么總的痕跡長度就是Δx1+Δx2，代入數據就可以算出產生的熱量。

2.4 靈活遷移應用

遷移應用是理解和揭示大概念的重要策略，大概念能縱向統領學科內核心內容，橫向聯結學科間知識，有助于理解新的、不熟悉的概念，掌握了大概念就能使學生具備遷移應用、解決實際問題的能力。

高中復習課的遷移要解決具體實際問題，還要應用所學知識和方法解決相近問題，即“近遷移”。傳送帶有水平和傾斜兩種模型，很多教師將兩者分開處理，這樣既耗時又低效。筆者在充分分析水平類問題的基礎上，直接將傾斜類問題作為遷移的對象，整合在一起。

教學案例4：如圖5所示，傳送帶與地面所成的角θ=37°，從A端到B端的長度為16m，傳送帶以v0=10m/s的速度沿逆時針方向轉動。在傳送帶上端A處無初速地放置一個質量為0.5kg的物體，它與傳送帶之間的動摩擦因數μ=0.5，求物體從A端運動到B端所需的時間。

圖5

學生解決這個問題時，要進行受力分析和運動過程分析。受力分析的關鍵是滑動摩擦力方向的判斷，剛開始物體相對斜面向上運動，所以它受到的摩擦力沿斜面向下。當物體加速到與傳送帶的速度相同后會如何運動？一些學生能直接通過受力判斷，還有一些學生想到用如圖6所示的v-t圖像來幫助分析。

圖6

當物體和傳送帶速度相等后可能一起做勻速直線運動，也可能向前繼續做勻加速直線運動，但到底是哪一種情況？學生想到需要判斷物體的重力沿斜面向下的分力是否超過物體與傳送帶之間的最大靜摩擦力，代入數據得到的結果是：mgsinθ>fmax，即：物體相對傳送帶沿斜面向下運動，滑動摩擦力的方向沿斜面向上，加速度方向沒變，大小發生變化，從而突破了本題的難點。