關(guān)于“角動量及其守恒定律”的教學(xué)改革實踐

喻 莉 劉 洋 周本元 何 艷 程 龍

(空軍預(yù)警學(xué)院基礎(chǔ)部 湖北 武漢 430019)

作為新時代的大學(xué)生，在獲取專業(yè)知識的同時，其相應(yīng)的能力素質(zhì)也應(yīng)得到全面提升.然而，長期的被“灌輸式”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，使得學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣不濃，課堂專注力不夠，物理知識掌握不扎實，能力素質(zhì)的提高更是不盡人意.為改變這一現(xiàn)狀，筆者以“角動量及其守恒定律”為例，進(jìn)行了課堂教學(xué)改革實踐.筆者首先通過問題牽引引入主題，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲望；然后采用類比歸納的方法講解新知識，實現(xiàn)授人以漁的目的；接著利用演示實驗探索，提高學(xué)生觀察和分析問題的能力；并進(jìn)一步結(jié)合拓展應(yīng)用，加深學(xué)生對理論知識的理解，提升其實踐應(yīng)用能力和發(fā)散性思維；最后是立德樹人，培養(yǎng)學(xué)生永不言棄的精神，并增強(qiáng)其責(zé)任感與使命感.

1 以問題為牽引 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

“學(xué)起于思，思起于疑”，創(chuàng)設(shè)問題情境，能較好地引導(dǎo)學(xué)生主動融入課堂，提高其學(xué)習(xí)興趣.這一方法關(guān)鍵在于問題的設(shè)置，提出的問題既要緊貼教學(xué)內(nèi)容，又要能足夠激發(fā)學(xué)生的求知欲望.考慮到以上兩點，在物理教學(xué)中，筆者認(rèn)為可以從物理學(xué)史、重要的科學(xué)定理和定律、日常生活、科技應(yīng)用等方面來設(shè)計問題.利用問題引入新課在不同的課程中均有著廣泛的應(yīng)用[1,2].

本堂課，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象(軍校學(xué)員)的特點，針對質(zhì)點和剛體的角動量部分，我們分別設(shè)計了一個科學(xué)定律問題(問題一)和一個軍事科技應(yīng)用問題(問題二)引入教學(xué).

問題一：開普勒第二定律的物理本質(zhì)是什么？

學(xué)生對開普勒第二定律都非常熟悉，并且都知道它是根據(jù)觀測到的行星運動數(shù)據(jù)總結(jié)出來的結(jié)果，但卻并不知道這一定律背后的物理本質(zhì)，通過對這一熟知的物理定律的本質(zhì)提問，激發(fā)學(xué)生的好奇心，啟發(fā)學(xué)生思考問題，從而引入質(zhì)點的角動量教學(xué)過程.

問題二：電影《黑鷹墜落》中“黑鷹”為什么會墜毀？

軍校學(xué)生一般對戰(zhàn)爭影片很感興趣，課堂上可以播放學(xué)生所熟悉的戰(zhàn)爭大片《黑鷹墜落》，讓他們觀察“黑鷹”直升機(jī)尾槳被擊中后墜機(jī)的過程，引導(dǎo)學(xué)生思考尾槳的作用.為什么尾漿被擊中后，飛機(jī)會失去平衡最終墜毀？從而引入剛體的角動量教學(xué)過程.

2 以類比為途徑 實現(xiàn)授人以漁

類比歸納教學(xué)法不僅可以讓學(xué)生順暢地學(xué)習(xí)、領(lǐng)悟新的教學(xué)內(nèi)容，還可以讓學(xué)生鞏固已有知識結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建新的知識體系，實現(xiàn)授人以漁的效果[3,4].角動量及其守恒定律這部分內(nèi)容理論性強(qiáng)，相關(guān)概念和定理、定律抽象難懂.但在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了質(zhì)點平動的動量和動量守恒定律相關(guān)知識.因此，我們可以考慮采用類比的方法進(jìn)行教學(xué).表1為剛體定軸轉(zhuǎn)動和質(zhì)點平動相關(guān)知識的類比.

表1 剛體定軸轉(zhuǎn)動和質(zhì)點平動的類比

3 以演示為支撐 調(diào)動探索意識

課堂上長時間的理論講授容易導(dǎo)致學(xué)生疲倦，注意力不集中.但如果能夠結(jié)合演示實驗，將物理現(xiàn)象直觀地展現(xiàn)出來，則可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.此外，通過演示實驗還可以較好地培養(yǎng)學(xué)員的觀察能力和解決問題的能力[5,6].根據(jù)我校的教學(xué)條件，本堂課設(shè)計了兩個演示實驗.

演示實驗1：講解角動量守恒定律時，借助茹科夫斯基凳演示，如圖1(a).實驗過程中，讓學(xué)生觀察凳上同學(xué)伸直手臂和收縮手臂時，凳子的轉(zhuǎn)速變化.啟發(fā)學(xué)生思考：為什么會出現(xiàn)這一現(xiàn)象.

演示實驗2：介紹角動量守恒定律的應(yīng)用時，先播放我國航天員劉洋在太空倉中的陀螺實驗視頻，激發(fā)學(xué)生的興趣，啟發(fā)學(xué)生思考陀螺儀定向的原理.然后邀請學(xué)生參與如圖1(b)所示的陀螺儀定向演示.讓學(xué)生觀察陀螺儀在旋轉(zhuǎn)的過程中其轉(zhuǎn)軸方向的不變性.同時引導(dǎo)學(xué)員分析其中的原因.

(a)茹科夫斯基凳 (b)陀螺儀

通過這兩個演示實驗，一方面讓學(xué)生掌握角動量的概念，學(xué)會分析運動系統(tǒng)在運動中是否滿足角動量守恒定律的條件；另一方面培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，調(diào)動學(xué)生的探索意識，提升學(xué)生利用已學(xué)知識解決實際問題的能力.

4 以拓展為契機(jī) 培養(yǎng)發(fā)散思維

培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維是提高其創(chuàng)新能力的一種重要方法.教學(xué)過程中，可以通過對課本知識的拓展介紹，擴(kuò)大學(xué)生原有認(rèn)知的深度和廣度，培養(yǎng)其發(fā)散思維.本堂課的教學(xué)中，我們從角動量守恒定律在自然界和軍事中的應(yīng)用，來開闊學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的知識面.

4.1 角動量守恒定律在自然界中的應(yīng)用

回答引入部分的問題一.利用角動量守恒定律，從理論上推導(dǎo)得出開普勒第二定律.讓學(xué)生明白開普勒第二定律不僅可以從實驗數(shù)據(jù)中總結(jié)得到，還可以從理論上進(jìn)行嚴(yán)格的推導(dǎo).開普勒第二定律只是質(zhì)點角動量守恒定律的外在表現(xiàn)而已.開普勒第二定律是表象，質(zhì)點角動量守恒定律才是本質(zhì).此外，我們還可以拓展介紹中子星塌縮過程中轉(zhuǎn)速的變化，讓學(xué)生進(jìn)一步體會角動量守恒在天體運動中的應(yīng)用.

4.2 角動量守恒定律在軍事中的應(yīng)用

引導(dǎo)學(xué)生利用角動量守恒定律對引入部分的問題二作出解釋，并進(jìn)一步提出問題：既然尾翼受損后會產(chǎn)生這么嚴(yán)重的后果，那是否有“沒有尾翼的飛機(jī)”呢？然后在此基礎(chǔ)上拓展介紹一種新型的直升機(jī)——共軸雙槳布局的直升機(jī).共軸雙槳布局的直升機(jī)上裝有兩幅反向旋轉(zhuǎn)的旋翼，利用角動量守恒的原理，同樣很好地維持了機(jī)身的平衡.通過新的軍事應(yīng)用來拓展學(xué)生的視野和思維.

5 以事跡為靈魂 既立德又樹人

物理作為一門科學(xué)文化類的基礎(chǔ)課程，其中所包含的知識雖然是冰冷的，沒有溫度，但卻包含了大量的文化內(nèi)涵、科學(xué)精神，有血有肉、情感豐富，是思政教育的沃土.

講解角動量守恒定律時，可以先播放奧運冠軍郭晶晶的跳水視頻，講解角動量守恒定律在其中的應(yīng)用，然后啟發(fā)學(xué)生思考：奧運金牌背后隱含的是怎樣的努力與付出？介紹郭晶晶的長期刻苦努力，以及在訓(xùn)練中所遭受的挫折，比如：骨折、視網(wǎng)膜脫落、比賽失利等.讓學(xué)生感受她持之以恒、不畏困難、永不言棄的精神；同時結(jié)合郭晶晶在香港學(xué)生發(fā)展委員會的講話：“我覺得每一次走上領(lǐng)獎臺，都是有使命感和榮譽(yù)感，內(nèi)心非常激動，這些榮譽(yù)其實是國家給我的……我覺得每一個人都要有激情和夢想……”，來增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任感與使命感，鼓勵學(xué)生為了自身的夢想、為了國家的安定與發(fā)展、為實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興而努力奮斗.

6 結(jié)束語

本堂課通過引入上的問題牽引，理論上的類比歸納, 實踐上的演示探索，拓展上的科技應(yīng)用, 思政上的立德樹人等方面，對“角動量及其守恒定律”進(jìn)行了課堂教學(xué)改革.這一教學(xué)設(shè)計能夠讓學(xué)生擺脫被“灌輸式”的教學(xué)模式，切實激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動地參與到課堂教學(xué)中，有利于學(xué)生知識的掌握以及能力的提高，相信對其他內(nèi)容的教學(xué)也能起到一定的借鑒作用.