超失重概念教学问题及策略

    林少颜

    

    摘? ?要：一项调查显示，学生对超失重的概念认识有所不足，尤其是太空飞船中宇航员的完全失重的原因，学生回答不上来。本文通过反思超失重概念教学中存在的问题，提出进阶式教学策略，由浅入深开展该部分教学。物理学知识前后联系紧密，相互关联。我们在物理教学中，应有大局观，更多关注教学过程中对学生物理学科核心素养的培养要求。

    关键词：超失重;完全失重;进阶式教学策略;核心素养

    引言

    在学完必修1超失重现象及必修2万有引力之后，笔者做了一项调查。调查问题：（1））什么是超失重、完全失重？（2）你如何理解宇宙飞船内宇航员完全失重现象，他与日常生活中的完全失重是否相同？调查对象是高一基础较好的学生。调查结果显示：问题一学生轻而易举完成，回答准确;问题二有点半开放，学生的回答五花八门，大部分同学对问题的理解有较大偏差。

    1? 调查结果

    问题二的理解偏差主要集中体现在以下几个方面：

    （1）宇航员在外太空不受万有引力作用，所以处于完全失重状态。（2）宇航员距离地球遥远，所受萬有引力很微小可忽略。（3）宇航员脱离地球引力，所以完全失重。（4）能够分析宇航员所受的万有引力提供圆周运动的向心力，地面上的物体受到万有引力作用自由落下，但无法建立起两者间的联系。

    前三个答案是大部分理解偏差学生的答案，他们的共同点是认为完全失重现象即不受重力作用。第四个答案的学生能够较好理解完全失重现象，但是理解不透彻，无法很好解释两者的区别与联系。不管是哪种理解错误，都暴露出一个问题：学生能够很好的记诵概念，但涉及具体问题的辨析就不能很好融会贯通。

    2? 教学存在问题

    2.1? 教材编排问题

    鲁科版必修1教材中这么编排超失重现象教学：在学完牛顿运动定律教学后，以应用的形式呈现超失重教学内容。教材中介绍了超失重概念，推导了超失重公式，解释超失重产生原因，总结了超失重产生的条件，最后介绍完全失重概念。同时，教材通过设置信息窗栏目，简介太空中的失重环境[ 1 ]。因未涉及圆周运动、万有引力部分的教学，教材中还未对太空中的完全失重现象做出解释。至此，学生能够较好掌握日常生活中的超失重、完全失重概念，也能较好解释实际超失重问题，但对太空中的完全失重则停留在最初级的感性认识上。我们期望通过接下来的必修2学习能够彻底理解这些问题。

    再看鲁科版必修2教材：学完圆周运动，紧接着学万有引力定律。第一节万有引力定律及引力常量的测定;第二节万有引力定律的应用，介绍人造卫星为什么能上天，引出三大宇宙速度，并介绍利用万有引力定律预测未知天体;第三节人类对太空的不懈追求，介绍人类对太空的不断探索过程[ 2 ]。我们所期待解决的太空中的完全失重问题在教材中没能得到有效处理。

    2.2? 教师教学设计问题

    教材、相关教辅、网络资源等是教师的教学设计课程资源，而这些教学资源的根本来源仍是教材，教材对教师的教学设计有较强的引领作用。因而，教师在实际教学中一般会遵循教材中的安排。必修1的教学过程中，圆周运动、万有引力尚未学习，太空中的完全失重现象不会深入讲解。必修2中，万有引力的教学一般会做这样的编排：先介绍万有引力定律;然后介绍万有引力定律应用，并以此展开教学，内容一般包括天体质量、密度的估算，环绕天体的绕行速度、角速度、周期与半径的关系，同步卫星、卫星变轨等。太空中的完全失重问题仍未得到解决。

    2.3? 考试题目、习题编排引导问题

    纵观各类习题、质检题、高考题等，对超失重的考查仅停留在对概念的了解，超失重的相关应用计算。出题样式如“外太空出现完全失重现象是因为不受重力作用”类似这样的辨析题。这样的辨析题一定程度上考查了学生对概念的理解程度，但事实上很大一部分学生是靠对知识点的记忆来排除选项的。而涉及到的上述的调查问题二时，学生的问题充分暴露出来，大部分学生不能深入地理解原因。当然深入理解这样的问题不适合出在一道习题上，可能更适合自主招生之类的面试题。

    因此，在考试风向标的指引下，教学的方向也会偏向解决题目本身，而缺乏透彻的问题解决。

    2.4? 物理学的大局观问题

    新课标对物理学科明确提出了“物理观念”“ 科学思维”“ 科学探究”“ 科学态度与责任”四个方面的核心素养问题[ 3 ]。在物理观念方面，通过高中阶段的学习，学生应形成经典物理的物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念。超失重概念涉及运动观念、相互作用观念，对超失重概念的教学方式，其实也一定程度上暴露出了我们在教学上的物理观念大局观问题。高中物理分为几个模块，模块之间内容上看似有区分，实际上，物理学是一个大的整体，各模块之间紧密联系。上述问题出现在必修1，2两个模块中，教学上，我们不能孤立地区分对待两个模块。在解决实际问题时，应放在大的物理观念下，培养学生的全局观。

    3? 教学策略

    3.1? 教材应有明确指向

    教材、教学设计中应有明确完整的一套关于超失重现象的知识体系，外太空的失重现象作为失重现象的典型应有，不能缺少，可在学完必修2万有引力之后，以专题讨论的形式呈现。教学内容设计合理的话，能够很好地引导学生在学完必修1，2之后，将所学内容前后联系，既巩固了所学知识，思维层次上又有较大程度提升，同时有助于形成较统一的物理观念。

    3.2? 具体教学策略实施

    必修1中，介绍了超失重现象，及相关应用。对于外太空的失重现象，可以只作为一种现象提出来。为了激发学生学习兴趣，可以借助多媒体资源，呈现如“太空授课”之类的多媒体视频资源，并且提出问题：外太空为什么会出现这样的失重现象，让学生课后查找相关资源，初步认识外太空的失重现象。缺少必修2相关的知识，这里的教学处理只需做到点到为止，激发学生求知热情，引导学生通过其它各种渠道收集材料，或者开展研究性学习课题，主动获取知识，解决问题。

    必修2学完圆周运动、万有引力之后，外太空的失重问题应重新摆出来。接下来，我们看看具体的针对外太空失重现象的教学实施方案。

    首先，学生对万有引力等相关内容已有了较清晰的认识。教师采取进阶式教学策略[ 4 ]，由浅入深地设置问题，逐步引导学生解决问题。先提出总问题：太空飞船绕着地球运动，飞船内的一切物体处于完全失重状态，结合万有引力及超失重相关知识，讨论完全失重的原因。

    这个问题是我们最终要解决的疑问，对于学生来说，起点很高，还未能建立起概念之间 的关联。因此，我们可以设置以下几个分问题。

    问题1：什么是超失重现象？什么是完全失重现象？

    理解问题得先从它的基本概念出发。设置此问题，让学生回忆起高一所学知识。另外，让学生通过列举实例说明生活中的超失重现象，将物理与生活建立起关联，使抽象概念形象直观，贴近生活实际。

    问题2：超失重产生的条件、完全失重产生的条件是什么？

    从概念到规律，是一个物理科学思维的提升过程。可设置电梯中的超失重现象实例，让学生通过牛顿第二定律推导超失重表达式，分析超失重成因及形成条件。该过程基于生活实际场景建构物理模型，通过定性、定量的推理过程，找出规律，总结出形成条件。

    到此为止，学生通过知识回忆，对超失重概念及形成规律有了较深刻的认识。下一步的关键就是建立起联系。建立起联系的有效方式就是将超失重现象合理外延，找出更多的不同形式的超失重问题。

    问题3：除了刚才分析的竖直方向上的超失重现象，其它运动形式会不会产生超失重现象？

    这一提问，将学生的思维进一步拓宽。学生很快能联想到抛体运动、圆周运动等运动方式也能产生超失重现象。如平抛、斜抛、竖直面上的圆周运动等。教师重点设置图1模型让学生分析：盒中小球与盒子在竖直面上做半径为R的圆周运动，当盒子运动到最高点A时，速度 v=，此时，通过受力分析，列出牛顿第二定律方程，可知盒子对小球的作用力为零，即视重为零，小球处于完全失重状态。从加速度的角度看，小球加速度等于重力加速度，方向竖直向下，满足完全失重条件。将盒子平抛、斜抛，盒子对小球的作用力也为零，小球加速度也等于重力加速度，也是完全失重。

    問题4：太空飞船绕着近地轨道做圆周运动，分析太空飞船的受力情况。对照完全失重条件，说明为什么太空飞船处于完全失重状态。

    太空飞船绕着地球近地轨道圆周运动，受到地球的万有引力作用，万有引力提供向心力。显然，太空飞船加速度大小为g，方向指向地心，等同于上面分析的生活中的完全失重现象的条件。若为非近地轨道，太空飞船的加速度大小变为g'，方向仍指向地心，只是加速度值因轨道半径变化发生了改变，其它因素没变，仍满足完全失重条件。

    解决完设置的四个问题后，教师做进一步的总结提升，将看似分离的几个章节有机地统一起来，形成总的相互作用运动观。这里，教师可通过牛顿的思考，将这一系列串起来。牛顿认为：苹果落地、抛体运动、月球绕地球运动都是因为受到万有引力作用。这几个运动都有共同特征，都受到万有引力，加速度为g，方向竖直向下（或指向地心），均处于完全失重状态。再演示如下实验：塑料瓶装水，并戳小孔，自由落下、沿任意方向抛出，水几乎不流出。设想水瓶以第一宇宙速度抛出，水瓶就像太空飞船一样绕着地球做圆周运动，水瓶中的水完全失重，也不会流出。同理，绕地运行的飞船也处于完全失重状态[ 5 ]。这个设置环节通过渗透牛顿发现万有引力定律过程的物理学史的教育，体验科学前人的科学思维方法。并以简单易行的演示实验直观体会完全失重状态产生的现象。最后，经过合理外推，得出绕地运行的飞船也处于完全失重状态。

    基于进阶问题设计开展教学，学生合理地建立起了超失重、完全失重模型，不但理解了问题本身，还将物理前后知识联系起来，拓宽了物理思维，有效渗透了科学方法，形成了大物理运动观。

    3.3? 改变教师的传统教学观

    传统教学观重知识技能。2017年新课标明确提出了学科的核心素养，旨在改变传统教学方式，努力培养新一代能够适应科学技术高速发展、具有创新能力的人。同样是超失重教学，如果按照传统的教学方式教学，势必出现学生对问题理解不透彻，调查问卷出现的问题自然情有可原了。

    当传统教学方式出现了上述问题时，就值得我们反思教学过程中出了什么问题。无论是教材编写还是题目编排，都过于偏向概念本身的认知、相关规律的应用，而轻视概念本身的深挖与拓宽，至于核心素养中的大物理观念的形成培养更是缺失。超失重现象本身涉及到牛顿运动定律，受力、运动分析。外太空中的失重现象更进一步涉及到圆周运动、万有引力等内容。看似不同的教学内容，不同的教学模块，内在本质都离不开受力、运动分析，离不开大物理观念中的运动观。因此，教师在教学过程中应有“大物理观”，以培养学生的物理学科核心素养为导向，促进学生形成物理观念，锻炼学生的科学思维，加强科学探究，培养学生的科学态度与责任感。

    参考文献：

    [1]司南中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理1（必修）[M].山东：山东科学技术出版社，2011：117-119.

    [2]司南中学物理教材编学组.普通高中课程标准实验教科书物理2（必修）[M].山东：山东科学技术出版社，2011：83-104.

    [3]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-6.

    [4]应发宝，李俊鹏. 基于概念学习进阶理论的课堂教学设计[J]. 中学物理教学参考， 2018（12）：31-34.

    [5]马少红. 浅谈物理学科如何培养学生的核心素养[J]. 中学物理教学参考， 2018（12）：5-6.