汪弘

摘 要 為了加深學(xué)生對科學(xué)概念、科學(xué)解釋及科學(xué)實踐的認(rèn)識，基于學(xué)習(xí)進階對“宇宙航行”進行了的課堂教學(xué)設(shè)計。圍繞發(fā)射速度和環(huán)繞速度的辨別及物體做離心運動的條件進行了教學(xué)設(shè)計，前后呼應(yīng)、相互貫通，形成了循序的、連貫的、逐級遞進的學(xué)習(xí)序列，加深學(xué)生對相關(guān)概念的思考和理解。

關(guān)鍵詞 學(xué)習(xí)進階 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1學(xué)習(xí)進階

學(xué)習(xí)進階（learning progressions）是美國科學(xué)教育改革中提出的一個概念。2007年，美國國家研究理事會（NRC）發(fā)布《讓科學(xué)走進學(xué)校：K-8 年級科學(xué)學(xué)習(xí)的學(xué)與教》（《Taking Science to School：Learning and Teaching Science in GradesK-8》），將它定義為“隨著時間的不斷增加，學(xué)生對某一學(xué)習(xí)主題的思考和認(rèn)識不斷豐富、精致和深入的一種過程”。學(xué)習(xí)進階是對學(xué)生學(xué)習(xí)同一主題的概念時所遵循的連貫的循序的學(xué)習(xí)路徑的描述，呈現(xiàn)出認(rèn)識經(jīng)過多個中間水平的不斷完善、發(fā)展、深入。是學(xué)生對所學(xué)知識逐漸發(fā)展、不斷成熟的過程，是教師使用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略的結(jié)果，也是學(xué)生主動思考、探究和推理的結(jié)果。

“宇宙航行”是人教版《必修2》萬有引力與航天一章的最后一節(jié)，是學(xué)生對該章所學(xué)知識進行綜合應(yīng)用的內(nèi)容?！坝钪婧叫小敝攸c講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度。在學(xué)習(xí)進階的教學(xué)設(shè)計中，先讓學(xué)生通過牛頓大炮從平拋運動過渡到繞地球運轉(zhuǎn)的勻速圓周運動，并聯(lián)系物體做離心運動和近心運動的條件，分析、計算近地衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的速度大小，得到第一宇宙速度；其次，明確第一宇宙速度是最小發(fā)射速度、最大環(huán)繞速度，并對發(fā)射速度和環(huán)繞速度進行區(qū)分；最后，根據(jù)物體離心運動的條件分析得到增大發(fā)射速度時，物體將做離心運動，理解第二宇宙速度和第三宇宙速度的概念。教學(xué)設(shè)計圍繞著物體做離心運動的條件、發(fā)射速度和環(huán)繞速度，形成了循序的、連貫的、逐級遞進的學(xué)習(xí)序列。

2教學(xué)過程

2.1情景設(shè)疑

師：在科學(xué)技術(shù)欠發(fā)達(dá)的古代，"嫦娥奔月"只能是美麗的傳說。這個飛天夢，現(xiàn)在實現(xiàn)了嗎？播放運載嫦娥一號衛(wèi)星火箭的升空視頻。

提問：火箭在衛(wèi)星的發(fā)射過程中起著什么作用？沒有火箭，地球上的物體能飛上天空嗎？地球上的物體想要飛上天空，在宇宙間航行需要滿足哪些條件？隨意拋出一個物體，可以嗎？怎樣拋才行？

生：提出猜想。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生觀察人造衛(wèi)星發(fā)射的過程，并提醒學(xué)生注意升空的是裝載衛(wèi)星的火箭，火箭升空后脫落，衛(wèi)星繞地球環(huán)行。以此有意識地將升空的火箭與環(huán)行的衛(wèi)星區(qū)別開來，為發(fā)射速度與環(huán)繞速度的學(xué)習(xí)埋下伏筆。同時，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，使學(xué)生心中存疑，激發(fā)學(xué)生求知欲。并借助火箭升空的實例，引導(dǎo)學(xué)生提出猜想拋出的速度足夠大時，物體才能飛上天空。

2.2深入探究

師：講述牛頓關(guān)于人造衛(wèi)星的設(shè)想——牛頓大炮。引導(dǎo)學(xué)生得出，拋出的速度足夠大時，物體將環(huán)繞地球做勻速圓周運動。

生：思考和分析。

提問：拋出去的速度大到什么程度才能夠讓物體繞地球做勻速圓周運動呢？

生：思考物體做勻速圓周運動的條件。

師：物體做勻速圓周運動，需要萬有引力來提供向心力。速度變化時，物體做勻速圓周運動所需的向心力會跟著變化。當(dāng)速度過?。ɑ蜻^大）時，萬有引力將小于（或大于）所需的向心力，物體做近心（離心）運動。只有物體在某個速度下的向心力和萬有引力恰好相等時，物體做勻速圓周運動。

生：回顧相關(guān)物理知識，分析物體運動情況。

設(shè)計意圖：圍繞物體做近心運動和離心運動的條件進行分析，讓學(xué)生理解只有當(dāng)物體做勻速圓周運動所需的萬有引力等于向心力時，拋出去的物體才能不掉下來，物體將繞地球運轉(zhuǎn)成為地球的衛(wèi)星。

2.3分析推導(dǎo)

2.3.1第一宇宙速度

生：運用計算器計算近地衛(wèi)星的運行速度。

師：在地球表面附近，若忽略隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力，萬有引力和重力近似相等。引導(dǎo)學(xué)生理解計算第一宇宙速度的兩種方法，并強調(diào)公式的使用范圍、計算結(jié)果不一致的誤差來源。

2.3.2最小發(fā)射速度和最大環(huán)繞速度

提問：近地衛(wèi)星的軌道貼近地球表面，是最低的。將人造衛(wèi)星送到較低位置和較高位置，哪一個更容易？所需的速度哪一個更大？衛(wèi)星在越高的位置繞地球做勻速圓周運動，繞行的速度越小。更高的位置更容易嗎？

生：給出猜想并說明理由。

師：位置越高，軌道半徑越大，速度越小。這個速度是衛(wèi)星被發(fā)射到空中后繞地球做勻速圓周運動的線速度，是環(huán)繞速度。而問題問的是衛(wèi)星被發(fā)射到空中前要給衛(wèi)星的速度，是發(fā)射速度。火箭的作用是通過點火、發(fā)射火箭來給火箭內(nèi)的衛(wèi)星一個速度（發(fā)射速度）。升空后火箭成為殘骸墜落，衛(wèi)星繞地球環(huán)行，其速度是環(huán)繞速度。

提問：這兩個速度哪一個可能要更大一些？在地面上給人造衛(wèi)星一個發(fā)射速度讓它升空后能夠繞地球運行，這個過程中有沒有損失？要克服什么嗎？

生：空氣阻力和萬有引力。

師：要讓一個物體更高，要給它更大的初（下轉(zhuǎn)第83頁）（上接第80頁）速度。第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度。但是近地衛(wèi)星，從地面發(fā)射，升空后貼近地面飛行。不用上到太高的位置，損失不是很大，發(fā)射時速度為7.9km/s就可以了。而近地衛(wèi)星是離地面最近、位置最低的衛(wèi)星，上到更高的位置要更大的發(fā)射速度，所以7.9km/s是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。

提問：在環(huán)繞速度中，第一宇宙速度是最大的還是最小的？

生：給出猜想并說明理由。

師：若近地衛(wèi)星繞行速度變大，將會做離心運動，到達(dá)更高的位置。位置越高，軌道半徑越大，環(huán)繞速度越小。第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度。

2.3.3第二宇宙速度和第三宇宙速度

師：以7.9km/s的最小發(fā)射速度發(fā)射人造衛(wèi)星，它將在地球表面附近做環(huán)繞地球的勻速圓周運動，成為近地衛(wèi)星。

提問：如果發(fā)射速度大與第一宇宙速度呢？

生：將做離心運動。

師：講解第二宇宙速度和第三宇宙速度。

設(shè)計意圖：圍繞物體做勻速圓周運動時速度的變化引起的受力變化，即物體做離心運動和進行運動的條件進行教學(xué)設(shè)計，貫穿人造地球衛(wèi)星從提出設(shè)想到成功發(fā)射的歷程。同時，解釋課堂開始時提出的問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，讓學(xué)生體會到物理與科技的密切相關(guān)。通過一個接一個的問題，步步引導(dǎo)，為學(xué)生搭建臺階來學(xué)習(xí)本節(jié)知識的腳手架。環(huán)環(huán)相扣，步步緊逼，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下積極地參與其中，主動地思考和分析，完整地經(jīng)歷整個探究過程，以此來加強學(xué)生對宇宙速度等概念的理解和掌握，同時也增強和培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣與自信。

2.4課后思考

提問：嫦娥衛(wèi)星一號發(fā)射速度大小的范圍。若發(fā)射的是火星探測器呢？

生：第一宇宙速度和第二宇宙速度之間，第二宇宙速度和第三宇宙速度之間。

設(shè)計意圖：圍繞人造地球衛(wèi)星從提出設(shè)想到成功發(fā)射的歷程，鞏固本節(jié)知識。加強與現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，增強學(xué)生科學(xué)探索的興趣，有助于學(xué)生發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。

3教學(xué)反思

人造衛(wèi)星是萬有引力定律的一個應(yīng)用實例，是人類利用知識的力量征服自然的見證，是《萬有引力與航天》章節(jié)知識的重要內(nèi)容，更是學(xué)生了解現(xiàn)代科技的良好素材。本教學(xué)設(shè)計通過人造衛(wèi)星發(fā)射升空，對發(fā)射時的火箭與環(huán)繞時的人造衛(wèi)星對發(fā)射速度和環(huán)繞速度進行了區(qū)分和辨別。通過人造衛(wèi)星做勻速圓周運動時由萬有引力提供向心力、速度變化導(dǎo)致人造衛(wèi)星可能做離心運動（或近心運動）的重點內(nèi)容貫通了整節(jié)課，使學(xué)生經(jīng)歷了一個思路清晰、環(huán)環(huán)相扣、循序漸進的學(xué)習(xí)過程，符合學(xué)生的認(rèn)知特點，達(dá)成了對本節(jié)知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)進階。

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