立足實際問題 破解情境難題
——以高三“萬有引力與航天”教學為例

楊 杰

(江蘇省新海高級中學 江蘇 連云港 222008)

10余年來的課程改革，為課堂教學注入了活力，考試招生體制也發生了前所未有的變化.江蘇自2008年實施新高考方案以來，高考物理命題更加注重試題情境的創設，近10年有波動上升的趨勢，近4年穩定在80%上下.以2019年高考江蘇物理試題為例，與情境相關的試題分布如表1所示，情境化試題占比約為76%.

表1 2019年高考江蘇物理與情境相關的試題分布

這些源于生活的情境化試題，注重考查學生自主分析解決問題的能力，對考生提出了更高的要求.如果平時不注重聯系實際，只關注純粹的解題訓練，很多問題考生往往無從下手.

因此，破解情境難題，課堂教學改革勢在必行.尤其是核心素養統領下的高三教學，不能盲目追求所謂“務實高效”，一味迷信題海戰術，而應立足實際問題，從學生親身經歷的實際問題入手，從推動社會進步的科技前沿入手，巧妙創設有利于啟發探究的教學情境，深入挖掘蘊含于情境之中的知識內涵，精心提煉有助于思維提升的探究問題，將原本看似孤立零散的知識、方法進行深度加工，還原規律的本質，進而形成全面系統的物理觀念，培養知行合一的科學思維和探究精神，提升學生的核心素養.

下面，以高三“萬有引力與航天”教學為例，探討情境難題的破解之道，以供參考.

1 情境引入

教師播放視頻“探月工程”.

師：探月工程，開啟了我國深空探測的新里程.尤其是2018年12月8日成功發射的嫦娥四號，作為世界首個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，實現了中華民族千年的奔月夢想.接下來就讓我們把目光投向嫦娥四號這段不平凡的探月之旅.

師：嫦娥四號的探月之旅可能經歷了哪些過程呢？

生：大膽猜想，交流討論.

師：播放視頻“嫦娥四號”，展示圖片，嫦娥四號運動軌跡示意圖、奔月過程示意圖.

過渡：由此可見，探月之旅大致可以分為發射過程、繞月運行、變軌過程3個階段.請結合萬有引力定律與航天的相關知識，探究各個過程中蘊含的物理學原理.

2 問題探究

2.1 發射過程(宇宙速度)

問題探究1：嫦娥四號的發射速度有什么要求？

問題探究2：發射嫦娥四號為什么采用三級火箭，而不是更多級數的火箭？

設計意圖:

利用問題探究1，讓學生直面實際問題，通過自主探究、合作交流，將第一宇宙速度的推導、3個宇宙速度的區別、在不同發射速度下的軌跡等基礎知識，梳理整合，融會貫通.

尤其注重第一宇宙速度的推導

由于探究問題緊貼實際、合作交流氛圍寬松，課堂生成層出不窮.

課堂生成1：火箭發射總要上升一定的高度，最起碼1 km，2 km,為什么計算時仍用地球半徑R呢？

問題探究2將3-5動量守恒中的反沖問題與實際衛星的發射聯系起來，同時，介紹我國已跨入世界先進行列的火箭技術和長征系列火箭(金牌火箭)，既可以實現知識融合，形成系統全面的物理觀念，又能激發學生的民族自豪感，喚醒學生投身科技興國的愛國情懷，培養正確的科學態度與責任.

2.2 繞月運行(穩定運行的圓軌道)

問題探究1：萬有引力的作用？月球表面重力與萬有引力的關系？嫦娥四號處于什么狀態？

問題探究2：繞月運行與繞地運行的區別?月球表面與地球表面的重力加速度的關系？

問題探究3：猜想月球的近地衛星和同步衛星的特點.聯系對比地球的近地衛星和同步衛星的特點(對比r,v,ω,T,a,軌道).

設計意圖:

問題探究1中的3個小問題系統梳理了萬有引力提供向心力的基本原理，其實都是在強化一個考點：萬有引力提供向心力(F=ma)，從而讓學生獲得整體的認識.

(1)萬有引力提供向心力

(2)地球表面：忽略自轉，萬有引力和重力是同一個力(如同一個人的大名與小名).

(3)由于萬有引力提供向心力，衛星處于完全失重狀態.嫦娥四號中的物體與其接觸面間無彈力，凡與重力有關的儀器，在嫦娥四號中均不能使用.

課堂生成2：r越大，v越小，與宇宙速度(r越大，v越大)相矛盾，如何解釋？

問題探究2是對問題探究1的進一步深化拓展，起到了學以致用、強化鞏固的效果.

問題探究3通過近地衛星與同步衛星的對比，具體分析了r,v,ω,T,a,軌道的區別與聯系(萬有引力提供向心力，軌道圓心必須與地心重合)，將抽象的知識原理具體化，進而不失時機地提出問題，猜想月球的近地衛星和同步衛星的特點，即加深了學生的理解，又提升了學生的科學思維.

2.3 變軌過程(落月過程)

問題探究1：地球人造衛星變軌示意圖如圖1所示，從低軌道1上升到高軌道2，衛星在Q點應加速還是減速？從橢圓軌道2變為圓軌道3，在P點應加速還是減速？

圖1 地球人造衛星變軌示意圖

問題探究2：比較軌道1上Q點、軌道2上Q點、軌道2上P點、軌道3上P點4個位置處速度、加速度的大小，各軌道的機械能是否守恒？

問題探究3：要使嫦娥四號落到月球表面，應該如何變軌？返回地球，又需經歷怎樣的過程？

設計意圖：

問題探究1主要是幫助學生梳理變軌過程的重點環節及原理.

r1,r3分別為圓軌道1、軌道3的半徑，v1和v3分別為對應的速度大小.

問題探究2利用問題探究1討論的原理，明確軌道特殊點的特點，v2Q>v1>v3>v2P，a1=a2Q>a3=a2P.且各軌道機械能守恒，但不同軌道機械能不同，每次加速機械能增加，E3>E2>E1.將萬有引力相關知識原理與功能關系結合起來，前后聯系，打通了知識壁壘，起到了觸類旁通的效果.

課堂生成3：軌道不斷升高，需要不斷加速，為什么速度v反而減小呢.

探究問題3又將所學知識原理用到解決嫦娥四號落月及返回的實際問題中，既鞏固了所學內容，又解決了實際問題，起到了畫龍點睛的效果.

3 鞏固練習

【例題】1970年成功發射的“東方紅一號”是我國第一顆人造地球衛星，該衛星至今仍沿橢圓軌道繞地球運動．如圖2所示，設衛星在近地點、遠地點的速度分別為v1和v2，近地點到地心的距離為r，地球質量為M，引力常量為G．則

圖2 例題題圖

從近地點到遠地點萬有引力做負功，動能減小，也能確定v1>v2，故選項B正確.

說明:這是一道典型的情境化高考試題，雖然看上去似乎難度不大，但考查方式明顯不同于傳統試題.既要求學生具備良好的處理情境化問題的能力，又要求學生全面掌握萬有引力與航天的基本知識方法.作為鞏固訓練題，能夠起到很好的查漏補缺、鞏固提高的效果.

4 結束語

高三教學中普遍存在著偏重碎片化、被動式的知識傳授，過分強調知識網絡的建構，一味追求特殊規律的總結，無法滿足學生解決實際問題的需要，與立德樹人的育人目標存在著較大的差距.要改變這一現狀，破解情境難題，就需要立足實際問題，積極營造與現實生活緊密關聯的問題情境，優化課堂內容，以學科大觀念統領和重構內容，將大量碎片化的知識、方法進行深度加工，利用高度融合的探究問題，引導學生分析新舊知識間的相似、相異之處，深刻理解知識內涵，準確運用科學方法，助力學生知識體系的構建和思維能力的提升，培養學生的探究能力和創新精神，提升學生的核心素養.