問題導向學習在高中物理解題教學中的應用探討

【摘要】本文探討問題導向學習在高中物理萬有引力單元解題教學中的應用效果.通過課堂觀察、教學實驗和學生反饋，考查問題導向學習策略對提升學生萬有引力概念理解和解題能力方面所產生的影響.研究發現，問題導向學習能有效激發學生對天體運動的興趣，培養物理思維，提高解決復雜問題的能力.結果表明，將問題導向學習融入萬有引力教學，能顯著提升學生的物理核心素養和解題水平.

【關鍵詞】問題導向;高中物理;解題教學

萬有引力是高中物理教學的重要內容，涉及抽象概念和復雜計算，學生普遍感到困難.傳統教學中，教師往往側重公式記憶和題型訓練，忽視了學生對自然現象的理解和探究能力的培養.而問題導向學習則強調通過設置真實情境問題引導學生主動思考和探究.將問題導向學習引入萬有引力單元教學，有望提高學生的學習興趣和解題能力，培養他們的科學素養和創新思維.

1引力之源

1.1構建知識星系：建構主義學習理論的應用

建構主義學習理論在問題導向的萬有引力教學中扮演著關鍵角色[1]REF_Ref11199wh.通過設計真實的天文觀測和航天工程情境，學生能夠將抽象的萬有引力概念與具體的現象聯系起來，主動建構知識體系.在討論開普勒定律時，教師可引導學生分析行星運動數據，讓他們自主發現軌道形狀與周期的關系.這種方法不僅可以幫助學生理解萬有引力定律的本質，還培養了他們的科學探究能力.

1.2激發思維引力：批判性思維在物理學習中的重要性

批判性思維是問題導向學習中的核心要素，在萬有引力單元尤為重要[2]REF_Ref11268wh.通過引導學生質疑和驗證經典理論，如牛頓萬有引力定律與愛因斯坦廣義相對論的異同，可以培養他們的科學懷疑精神.在解決復雜的軌道力學問題時，鼓勵學生分析問題的合理性，如思考地球扁率對人造衛星軌道的影響，有助于提高他們的問題分析能力.

1.3突破認知引力：問題解決能力的培養策略

問題解決能力是物理學習的核心目標之一，在萬有引力單元的教學中尤為重要[3]REF_Ref11307wh.通過設計層層遞進的問題序列，如從簡單的兩體問題到復雜的多體問題，可以逐步提升學生的解題能力.在教學過程中，引導學生建立物理模型，如將復雜天體簡化為質點，有助于他們掌握問題簡化的技巧.鼓勵學生運用多種方法解決同一問題，如在計算逃逸速度時比較能量法和力學法，可以培養他們的靈活思維.

2軌道設計

2.1發射探索火箭：設計真實的天文物理問題情境

在萬有引力教學中，設計真實的天文物理問題情境能有效激發學生的學習興趣和探究欲望[4]REF_Ref11356wh.

可以提出這樣一個問題：“一顆人造衛星在距地球表面300km的圓軌道上運行，如何計算它的軌道周期？”這個問題源于實際的航天工程，涉及萬有引力、圓周運動等多個知識點.通過這個情境，學生能夠感受到物理知識在現實世界中的應用，同時也能理解萬有引力在天體運動中的重要作用.

2.2調整認知軌道：引導學生分析萬有引力問題的本質

在分析上述人造衛星問題時，引導學生深入思考問題的本質至關重要[5]REF_Ref11398wh.教師可以通過提問來引導學生思考：

①地球和衛星之間的作用力是什么？

②這個力如何影響衛星的運動？

通過這些引導，學生能夠認識到萬有引力是衛星保持圓周運動的向心力.

進一步分析中，可以引導學生思考：

①衛星的速度與什么因素有關？

②軌道半徑如何影響周期？

通過層層深入的分析過程幫助學生建立起從力到運動的邏輯鏈條，理解萬有引力在衛星運動中的核心作用，從而掌握解決此類問題的關鍵.

2.3協同導航：小組討論與萬有引力解題策略的生成

在解決人造衛星軌道周期問題時，組織學生進行小組討論可以有效促進解題策略的生成.可以將學生分成小組，每組討論不同的解題方法.其中一組從力的角度出發，利用萬有引力公式和向心力公式；另一組從能量守恒的角度考慮問題.通過小組內的討論和小組間的交流，學生能夠比較出不同方法的優缺點，理解問題的多角度分析方式.

2.4軌道校正：解題經驗的反思與知識遷移

在完成人造衛星軌道周期的計算后，引導學生進行解題經驗反思和知識遷移至關重要.可以讓學生思考：

①如果改變衛星的高度，周期會如何變化？

②這個問題與開普勒第三定律有什么聯系？

通過這種反思，學生能夠將具體問題與普遍規律聯系起來，加深對萬有引力的理解.

3引力效應

3.1點燃求知恒星：學習興趣和內在動機的提升

通過設計與現實世界緊密相連的挑戰性問題，學生能夠深刻體會到物理學習的意義和樂趣.在講解開普勒定律時，可以提出這樣一個問題：“為什么彗星在接近太陽時會形成明顯的尾巴，而遠離太陽時尾巴卻幾乎不可見？”這個問題將抽象的天體運動規律與肉眼可觀測的天文現象巧妙結合.在解決問題的過程中，學生需要分析彗星的橢圓軌道特性，計算不同位置的運動速度，并考慮太陽輻射壓力與引力的相互作用.當學生成功解釋彗星尾巴的形成機制時，獲得的成就感會進一步增強他們的學習動力，形成持續探索的內在動機.

3.2鍛造思維引擎：物理思維方式的培養

問題導向學習在萬有引力教學中能有效鍛造學生的物理思維方式，培養他們的抽象建模、定量分析和系統思考能力.以下例題展示了如何通過具體問題培養學生的物理思維：

例題一艘質量為500kg的探測器在距離火星表面100km處做圓周運動，求：

（1）探測器的軌道速度；

（2）探測器繞火星一周的時間.（已知火星質量為6.42×1023kg，半徑為3397km）

解析（1）建立物理模型：將探測器視為質點，忽略其他天體影響，僅考慮火星引力.

分析受力情況：探測器受火星引力作為向心力做勻速圓周運動.

列出公式：萬有引力公式：F=GMmr2，向心力公式：F=mv2r.

求解軌道速度：GMmr2=mv2r，v=GMr.

代入數據：G=6.67×10－11N·m2/kg2，M=6.42×1023kg，r=3397km+100km=3.497×1062m，

計算得：v≈3.50×103m/s=3.50km/s.

（2）求解周期：T=2πrv=2π×3.497×1083.36×103≈6278s≈105min.

通過解決這個問題，學生不僅學會了如何將復雜的實際情況簡化為物理模型，還掌握了如何運用多個物理定律（萬有引力定律、圓周運動定律）來分析問題.

3.3突破解題障礙：萬有引力問題解決效率的提高

通過培養系統思考和策略分析能力，學生能更快速、準確地解決復雜問題.

例如地球表面重力加速度g0=9.8m/s2，地球半徑R=6370km，求地球同步衛星的軌道半徑r.

傳統方法在解決萬有引力問題時可能直接套用公式，而問題導向學習則側重于引導學生從物理本質出發：同步衛星的周期等于地球自轉周期（1恒星日=86164s），且衛星所受引力提供向心力.

列方程：GMr2=v2r，v=2πrT，

代入得GMr2=2πrT2r，注意到g0R2=GM，

整理得r3=g0R2T24π2.

此推導過程不僅得到答案r≈42241km，還揭示了軌道半徑與重力加速度、地球半徑和周期的關系.學生通過這種方法，能建立起萬有引力、圓周運動和開普勒定律之間的聯系，形成系統的知識網絡，從而在面對新問題時能更快找到解決思路，大幅提高解題效率.

3.4拓展認知宇宙：物理學科核心素養的發展

通過設計多層次、跨學科的問題情境，學生得以培養科學思維、科學探究、科學態度與責任等核心素養.例如，在探討引力波探測時，學生需要理解廣義相對論的基本概念，分析引力波的產生機制和傳播特性，并學習利用激光干涉儀等先進設備進行精密測量.這個過程不僅鍛煉了學生的物理建模能力和數學運算技巧，還培養了他們的科學探究精神和創新思維.

4未來航向

4.1個性化軌道：針對不同學生的問題設計策略

針對不同學生的認知水平和興趣特點，教師可以設計階梯式的問題序列.例如，對于基礎較弱的學生，可以從簡單的兩體引力問題入手，如計算地球繞太陽運動的軌道半徑；對于中等水平的學生，可以引入三體問題的簡化版本，如探討月球對地球潮汐的影響；而對于優秀學生，則可以設計更具挑戰性的問題，如分析拉格朗日點的穩定性.通過這種個性化的問題設計，每個學生都能在自己的認知起點上獲得適度的挑戰和成長.

4.2平衡推進力：教師引導與學生自主探究的調控

在問題導向學習的實施過程中，如何平衡教師引導與學生自主探究是一個關鍵問題.教師的角色應從單純的知識傳授者轉變為學習促進者和引導者.在萬有引力的教學中，教師可以通過設置關鍵性問題來引導學生思考.例如，在討論開普勒定律時，教師可以提出“為什么行星軌道是橢圓而不是圓形？”這樣的問題，激發學生的探究欲望.同時，教師應給予學生充分的時間和空間進行自主探索，鼓勵他們提出假設、設計實驗或模擬.在學生遇到困難時，教師可以通過提示性問題或建議性意見來提供適度幫助，而不是直接給出答案.

4.3多維評估系統：過程性評價與終結性評價的結合

為了全面評估學生在問題導向學習中的表現和進步，需要建立一個多維的評估系統，將過程性評價與終結性評價有機結合.在萬有引力單元的學習中，過程性評價可以包括學生的課堂參與度、小組討論貢獻、問題解決策略的創新性等方面.例如，可以使用觀察量表記錄學生在解決復雜萬有引力問題時的思維過程和合作表現.終結性評價則可以通過綜合性的項目任務來進行，如設計一個行星探測任務，要求學生運用所學的萬有引力知識解決實際問題.

5結語

問題導向學習在高中物理萬有引力解題教學中的應用，充分調動了學生的主觀能動性，有效提升了解題能力和物理核心素養.通過設置與日常生活和天文現象相關的問題情境，引導學生主動思考、協作探究，不僅培養了科學思維，還增強了解決復雜物理問題的能力.未來研究可進一步探索問題導向學習在不同難度萬有引力問題中的差異化應用，以及與現代教育技術的融合，為高中物理教學改革提供更多實踐參考.

參考文獻：

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[5]郭強.深度學習視域下以問題為導向的教學策略[J].中學物理教學參考，2020，49（30）：2-3.