比如,应用万有引力定律解决天体运动的问题。教学重点是熟练应用万有引力定律理解和区别中心天体(以地球为例)、近地卫星、同步卫星,及解决相关计算问题。在实际教学中,学生觉得这一部分内容名目繁多,公式混杂,总是弄不清、理不顺,往往产生畏惧心理。实际上,这一环节的教学内容对学生的能力要求较高,若能视之为策略性知识,并采用相应的学习方式,学生通过师生对话、生生交流,依据练习题去感受体悟,也就能内省生成解决这一类问题的隐形知识,从而提升能力。具体教学环节如下:
案例五万有引力定律在天文学上的应用
创设问题情景:地球在做什么运动?人造地球卫星在什么地方做什么运动?
(通过展示图片为学生建立清晰的图景)
提出问题:离开地球表面的人造卫星绕地球作匀速圆周运动要遵循哪些规律?
师:向心力是谁提供的?
生:地球对卫星的万有引力。
师:由万有引力提供向心力,你可求出卫星运行的哪些物理量?
教师启发:由此可以分析出卫星轨道半径r改变时,卫星各个物理量随之变化的规律吗?
生生交流:当轨道半径不变时,则卫星的周期、线速度、角速度都不变;当轨道半径变大,卫星的周期变大,而线速度和角速度都变小。
第二环节:教师设计更深层次的问题引导学生深度思考,应用第一环节的规律(可视为智慧技能)解决天体运动的实际问题,进而内省生成某种策略,掌握这一块策略性内容的精髓。
提出问题:利用卫星绕地球的运动,测量某些物理量,可否称出地球的质量?推知地球的密度?
(这是一个开放性的问题,可以引导学生在解决问题的过程中不断推理、反复推敲,进而内化成解决卫星绕地球这一类问题的根本途径和方法,获得隐性知识。)
学生讨论:若测得卫星绕地球的周期和轨道半径,利用万有引力提供向心力的公式,可以推出中心天体(地球)的质量。若已知地球的半径就可以计算地球的密度。
第三环节:举一反三,进一步内化巩固新获得的知识经验。
地球同步卫星的周期与地球自转周期相同,能否得知同步卫星距离地球表面的高度?近地卫星绕地球运动的轨道半径近似为地球半径,能否得知近地卫星的运行速度?
解决问题:学生经过上述两个环节的磨炼,能顺利利用新概念、新规则解决一类问题。
案例六机械能守恒定律[4]
第一环节:师生对话,理解定律本身。
教师让学生对照课本上的定律内容,概括出关键词。先以师生对话的方式领略定律阐述的要义。
师:机械能守恒的条件是什么?物理实质是什么?遵循的规律是什么?
学生讨论交流:
生1:我对守恒条件的理解:只有表明了物体在运动变化过程中只受到重力和弹力。规律是:动能和势能都发生了变化,但机械能的总量在变化前后是相等的,是机械能的总量保持不变,而不涉及其他形式的能。
生2:不对,条件应是:只有重力和弹力做功,表明做功的只有弹力和重力,而不是只受到重力和弹力。如果还受其他力,只要这力不做功机械能就守恒。还有其他学生发表各自的理解。
问题解决1:教师设置问题引导学生辨析概念。一个物体从高3米,长5米的光滑斜面上下滑,求到达最低点的速度。
生1:从题中我们可知这是个斜面问题,题中给出了斜面的高和长。由此我想把这个条件转化为斜面倾角的正弦值。然后运用正交分解可以求出物体的加速度,由物体做的是匀变速度直线运动,根据运动规律求出其速度。
生2:首先对物体进行受力分析,由题可得物体受到两个力,其中支持力不做功,符合机械能守恒条件。
(问题1有两种解法,并不一定要从机械能守恒的角度去考虑。既然没有切中要害,教师设置问题2,引导学生真正理解机械能守恒的条件及其应用的场合)
问题解决2:一个物体从高3米,弧长7米的圆形光滑曲面上下滑,求其到达最低点的速度。因为不再是匀变速直线运动,生1无法应用运动学规律解决这问题。此时学生都意识到某些问题只能用机械能守恒定律解决,可见守恒定律的应用范围要更宽泛一些。
(当学生发现有些用运动学规律无法解决的问题可以用机械能守恒定律去解决,正有些洋洋得意之时,教师设置更深层次的问题)
问题解决3:一个物体从高3米,长5米的粗糙斜面上下滑,求到达最低点的速度。学生发现把问题1的光滑斜面改成粗糙斜面了,顺藤摸瓜自然想到可否用守恒定律解题,这就加强了学生对守恒定律的条件的理解和判断。
通过几个问题的层层深入,学生不断体会,渐渐领悟出什么情景下用机械能守恒定律,用该定律之前要首先判断是否符合守恒的条件,如果真的不守恒,那又该如何解决问题。学生的思维层次不断提高,知识逐渐内化,进而形成解决这类问题的根本性策略,从而顺利完成策略性知识的学习。
[1]梁树声。物理学习论。南宁:广西教育出版社,1996
[2]莫雷。论学习理论。教育研究,1996(6)
[3]本案例设计者汤守平,江苏省天一中学
[4]本案例设计者黄政,高中物理学习策略的研究和实施,有改动