基于学科核心素养的情境创新

摘要

物理课程标准要求教学要贴近生活，联系当今科技，关注科技进步和社会发展需求，以便培养学生的物理学科核心素养。为贯彻这一教学理念，以第十四届珠海航展上的直20飞行表演为例，结合教学实践挖掘其中的物理知识，从原理分析、新课导入、科学探究等方面详细介绍直20在物理教学实践中的应用价值，凸显教学的现实性、融合性和时代性的特点。

Graphical abstract

关键词

学科核心素养 / 物理教学 / 珠海航展 / 直20飞行表演

物理是一门实践性很强的学科，能够引导学生认识自然原理，培养其科学思维，促进其掌握研究方法，进而增强其实践能力^［1］。然而很多学生对物理的认知存在较大偏差。首先，这部分学生普遍认为，物理就是由大量晦涩难懂的公式、概念以及形式多样的习题构成的，因此他们对物理学习的兴趣不高，仅仅是为了满足完成作业的需求；其次，在物理模型的熏陶下，物理“无用论”甚嚣尘上，认为物理就是斜面、滑轮以及抽象的电磁场等内容，根本与生活实际没什么关系。在这样的背景下，要想提高学生的核心素养而不仅仅是提升其解题能力，就需要广大物理教师遵循课程标准，注重课程内容的时代性，将前沿科技发展的成果作为情境素材，既引入教学之中，又借此创设令学生感兴趣的情境，从而提高教学质量。近年来，我国的科技发展十分迅速，涌现了一大批前沿科技成果。为此，作为物理教师的我们，要不断提高自学能力，紧跟时代步伐，基于现代教学手段，不断开发和利用教学情境资源^［2-3］。

1 情境创新的必要性

在教学过程中，教师有必要从现代科技入手，引导学生利用物理知识分析其中的现象，帮助其直观感知物理在科技发展中的实用价值。其优点体现在：一方面，可以提高学生的建模能力，使其在教师的指导下学会简化实际问题，并利用物理知识进行计算，培养其解决实际问题的能力；另一方面，可以增强学生的课堂参与感，提高其学习兴趣。

在创新情境的过程中，教师需要考虑以下因素：选取的情境应以学生的具体学情为前提，同时合理简化复杂的背景（前沿科技成果都是交叉学科的产物，背景复杂）；选取的情境应该契合教学内容，且教师在情境导入时的描述、要求要清晰，问题导向性要强；教师应该开发好选取的情境，将其工作过程进行合理划分，对应不同的知识点，凸显物理知识的关联性^［4-5］；在教学过程中，教师要牢牢抓住培养学生科学思维的主线，以学生为主体，引导学生积极进行科学探究。

笔者以珠海航展上精彩的直20飞行表演为例，引导学生分析其飞行过程的基本力学原理，针对具体情境拓展应用范围，鼓励学生设计实验进行科学探究，从而培养学生的学科素养，引导其树立正确的人生观。

2 直升机结构及飞行原理

直20是我国最新研制的第四代多用途直升机，打破了国外对我国先进直升机技术的封锁。直20飞行时依靠其旋翼系统提供升力和前后飞、左右飞的拉力，尾桨用以平衡旋翼产生的反扭矩，确保直升机的稳定飞行。该型机的控制，主要是通过各种组合方式改变旋翼和尾桨工作时的迎角来实现的。相比于固定翼飞机，直升机具有机动灵活的特点，对起降场地要求低，可以低空、低速作机动飞行。

选取直升机飞行表演作为情境，具有以下几方面优点：首先，观看精彩的直20表演视频，可以充分激发学生的学习兴趣，只要进行合理引导，他们就能够很快进入课堂教学氛围；其次，直升机的飞行涉及较多运动学以及力学知识，留给学生广阔的思考空间，可以充分激发其学习兴趣；再次，直20作为我国最先进的直升机，易于激发起学生浓厚的兴趣和好奇心，他们的学习参与感强、注意力集中，能够培养其心中的自豪感，树立正确的科学态度。

3 情境创新在教学中的应用

3.1 新课导入，激发学习兴趣

在人教版高中物理必修一第三章第五节“共点力的平衡”的新课教学中，教师可以先播放直20的飞行表演过程，待视频播放结束后，提出一系列与学生学情相契合的梯次问题，一方面可以引起学生思考，另一方面有助于实现其思维进阶。在此过程中，教师可引导学生利用物理知识解释其中的现象，激发其学习兴趣，同时增强其对于共点力平衡的理解。

【问题1】直升机悬停在空中准备索降，如图1所示，此时飞机受到几个力的作用？施力的物体分别是谁？合力有多大？

教师播放视频，补充解释直升机升力的产生原理：旋翼高速旋转，向下压缩空气，根据牛顿第三定律，翼面会受到向上的作用力，产生升力。

【问题2】直升机匀速向前飞行时，一般机头会下压，空气阻力不可忽略，此时飞机受到几个力的作用？施力的物体分别是谁？合力多大？

【分析过程】学生分组讨论，教师进一步引导——旋翼向下倾斜，此时受到空气斜向上的作用力，同时水平飞行时还会产生与运动方向相反的阻力，以及机体本身的重力。升力和阻力都是因空气产生的，重力的施力物体是地球。此时，物体虽然受到了3个力的作用，但仍保持平衡，合力为零，如图2所示。

【问题3】物体处于平衡状态包括哪几种情况？受力特点是什么？

教师进一步引导学生总结上述两种情况，则有：无论直升机是在空中悬停还是匀速飞行，都是处于平衡状态，合力均为零。

3.2 科学推理，拓展思维深度

在新课导入环节，教师已经引导学生对直升机的飞行原理以及飞行过程的受力情况进行了分析。在此基础上，教师可以进一步拓展直升机的其他应用场景，分析直升机在使用过程中存在的问题，引导学生利用高中物理知识分析、解决问题，锻炼学生的建模以及解决问题的能力，最终完成知识学习的“落地”环节。

例如，吊挂能力是衡量直升机性能的重要指标，吊挂能力出色的直升机，可以快速、高效、精准地将物资吊运到目的地。在展示吊挂能力时，直20可以轻松吊起重达3吨的“山猫”全地形车，其强大的吊挂能力可见一斑。为引发学生思考，教师可以播放直升机吊装视频片段，直升机在匀速前进时，吊索的位置发生了什么变化？如何利用现有的知识进行解释？学生观看视频后发现：直升机未悬挂重物匀速前进时，吊索向后倾斜成一条直线。教师针对刚学习共点力知识的学情，给出相应提示：吊索的状态发生了改变，必然是外力作用的结果，引导学生分析吊索受力情况。在教学中，教师应留给学生一定的思考时间，以分组形式展开讨论并解释现象，从而锻炼学生的思维能力、知识应用能力。即使学生未能给出相应的解释，但只要经历了科学探究和思考的过程，就对培养其物理学科核心素养大有裨益。

结合各小组的分析方法，教师引导学生分析吊索的运动过程以及受力情况。吊索随直升机匀速前行，处于平衡状态，受到的合力为零。进而，对吊索整体进行受力分析，如图3所示，则有：吊索受到重力、空气阻力以及直升机拉力的作用，阻力和重力的合力斜向左下方，因此拉力方向沿着吊索向上，吊索整体呈现倾斜状态。

接下来引导学生思考：为什么吊索会呈现为一条倾斜的直线，而不是曲线形状呢？此时就需要进一步分析吊索内部的受力情况。为了研究方便，可参考人教版高中物理必修一第二章第三节介绍的微元法思想，将均质吊索等分为n段，每一段质量为m，取最下面一段吊索进行分析。假设吊索受到的空气阻力f与吊索的迎风面积s和速度v成正比，在速度一定的条件下，空气阻力为：f=ks。此时，吊索与水平面的夹角θ₁满足：\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{1}}=\frac{mg}{ks}。取下面两段进行分析，此时吊索与水平面夹角θ₂满足：\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{2}mg}{k\times \mathrm{2}s}=\frac{mg}{ks}，因此θ₁=θ₂。同理，可以继续分析剩余吊索的受力情况，最终得出结论：任一段吊索与水平面的夹角都相等，此时吊索整体倾斜成一条直线（图4）。

【问题1】若增大飞行速度，吊索状态有何变化？

对吊索末端进行受力分析，飞行速度增大，吊索受到的空气阻力f增加，吊索与水平方向的夹角满足以下公式条件，\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{1}}=\frac{mg}{f}。因此，夹角减小后，看起来吊索更加水平。同样，继续沿吊索向上分析，夹角不变，因此吊索整体依然保持一条直线。

【问题2】若增加吊索末端重物质量（不超过吊索质量），吊索状态有何变化？

在吊索末端，吊索的张力要很大时，才能平衡配重，但是空气阻力相比很小。对末端吊索进行受力分析，设此时吊索与水平面夹角为{\theta }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}，则有：\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{{}_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{\text{'}}}=\frac{Mg}{ks}；未添加配重，角度为θ₁，即满足公式：\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{1}}=\frac{mg}{ks}。因此：{\theta }_{\mathrm{1}}\text{'}>{\theta }_{\mathrm{1}}，看上去吊索变得更加竖直。

【问题拓展】在吊装过程中如果吊索倾角过大，则直升机在转弯的倾斜状态下，其旋翼很容易触碰到吊索，引发事故。基于上述分析，请学生思考，在吊装物体重量不变的情况下，如何减小吊索的倾角以避免事故的发生？

【分析过程】学生讨论，教师引导学生基于现有事实和证据提出解决问题的猜想：根据问题2，在吊索末端增加重物，即重力增加的情况下，会导致末端倾角增加。基于此，学生提出猜想和假设：可以考虑在吊索末端增加一个质量很小、但受到空气阻力很大的物体，如小型降落伞，可增大阻力，这样末端倾角就会减小，吊挂作业更安全。教师进一步引导学生对猜想进行理论分析：对吊索末端进行受力分析，吊索受到的空气阻力很大，重力相对较小，所以吊索受到张力的方向需要接近水平方向。沿吊索继续向上分析，空气总阻力与飞机下面的重力的比值将会减小，所以吊索就需要变得更加垂直来平衡不断增加的重力，如图5所示。

3.3 科学论证，促进思维发展

实验验证，是科学探究的重要环节。因此，教师应引导学生明确实验目的，依托实验器材设计实验，制订具有可操作性的实验方案，并对实验结果进行分析，让学生完整地经历科学探究过程，以便切实培养学生的学科核心素养，达到学科育人的目标。

为了模仿直升机带着吊索匀速前进的过程，学生提议用一根细绳代替吊索，再用手拉着细绳前进。经过讨论后学生发现：这一方法很难保证匀速前进，且运动过程太快。为了便于观察，师生决定进一步改进实验。有学生提出用轨道小车代替直升机，即：实验时，先调节轨道倾角以平衡摩擦力，保证小车匀速前进；针对运动过快的问题，可以采用手机慢动作拍摄的功能，回放模拟吊索运动过程中的姿态变化。其实验装置如图6所示。

在现有实验条件下，由于缺乏专业器材，吊索末端吊挂重物的场景难以复现，即挂上重物后，绳子仍然呈现为倾斜的直线。对此，教师可以引导学生分析实验现象：为什么没有产生理论分析的结果？针对问题，师生经过讨论后得出：此时吊索受到的空气阻力太小，相比重力和吊索拉力均小，所以无法呈现理论分析的状态。苛刻的实验条件，决定了观看视频进行验证是一个好方法。经多次观看实验视频后，各小组从中发现了解决之道，基本上完成了对理论分析的验证。

该环节进一步拓展了直升机应用场景，通过对直20吊挂过程的受力分析，巧妙地引入微元法加以解释，并且引导学生根据现有事实提出猜想，进而设计、改进实验装置并验证理论分析。在这一教学过程中，教师设计阶梯式的探究情境，引导学生循序渐进地分析、探究和建构物理模型，培养了学生的科学探究思维能力，助其用所学知识去解决实际问题，既锻炼了他们的动手能力，也提升了他们对物理的学习兴趣并树立了学好物理的信心。

4 科学态度与责任

在第十四届珠海航展上，精彩的直20飞行表演给观众留下了深刻的印象，它的横空出世，打破了国外对直升机先进技术的垄断，使我国摆脱了对进口先进直升机的依赖，极大地提高了我国的国防实力和科技水平，因此，直20是一款名副其实的“争气机”。纵观我国直升机的发展历程，一路上困难重重。新中国伊始，虽然仿制成功了“直-5”，但质量不高，技术也比较落后；后来，陆续研制了“直-6”“直-7”，最终因种种原因都未能量产^［6］。20世纪70年代，我国陆续进口国外先进机型，在此基础上一步步自行研制技术先进的直升机，涌现出了“直-10”“直-20”等优秀机型。上述事实证明，虽然我国直升机发展历程颇为坎坷，但在党和国家领导人的亲切关怀下，在广大航空科研工作者的共同努力下，终于取得了令世人瞩目的成绩，使我国直升机研发和生产进入了世界先进行列。直20的突破，是我国坚持科教兴国战略的成果，它的背后凝聚着无数国防军工人员的心血。科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，从根本上决定了国家和民族的前途命运。作为祖国的未来，莘莘学子要承担起这份责任，努力学习科学文化知识，关心国家建设，树立正确的人生观，为实现中华民族伟大复兴而奋斗。

5 结语

以直20飞行表演为素材，结合实践经验，考虑学生基础，对物理教学情境进行创新，以前沿科技为背景导入新课，合理设问，调动学生学习的积极性，提升课堂教学的质量。对于学生，贴近前沿科技的情境更容易激发学习兴趣。在教师的引导下，他们可以利用现有的物理知识，结合自身的思考以及小组智慧，针对实际问题提出解决方案，培养学科核心素养以及解决实际问题的能力。对于教师，创新情境可以丰富教学资源，让自己的教学方式多元化，避免形成路径依赖。要想持续地进行情境创新，就必须紧跟科技发展的步伐，这样才能有效促进自身学科专业技能的成长。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 毛向东.基于提升素养的物理教学资源开发策略探讨［J］.高考，2019（08）：263.

[3] 李世阳.挖掘物理教学资源　提升学生科学素质［J］.中学理科园地，2021，17（03）：1-2.

[4] 李安发.基于科学思维培育的物理情境创设研究［J］.物理之友，2022，38（07）：40-42.

[5] 彭宪流，李池华，陈信余.核心素养视角下的物理情境创设策略［J］.中学物理教学参考，2021，50（28）：18-21.

[6] 陈怡枢.中国直升机产业发展之路［J］.航空制造技术，2001（06）：19-21，32.