基于物理學科核心素養(yǎng)的教學案例的開發(fā)和設計 論文

基于物理學科核心素養(yǎng)的教學案例的開發(fā)和設計

——-以火星探測器的發(fā)射窗口期的計算為例

【摘要】本文以火星探測器發(fā)射窗口期的教學為例闡述基于培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)的

教學案例的開發(fā)和設計?！娟P鍵字】火星探測器發(fā)射窗口期霍曼轉(zhuǎn)移軌道轉(zhuǎn)移物理學科核心素養(yǎng)

《普通高中物理課程標準(2020版)》指出,物理教學應根據(jù)高中物理課程標準的基本

理念、課程總目標和物理核心素養(yǎng)的要求,結(jié)合教學的實際情況,創(chuàng)造性地開展教學工作,將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于物理教學活動的全過程。必須把核心素養(yǎng)作為物理教學的重要目標,

將“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學活動中。在教學設計和教學實施過程中要根據(jù)具體教學內(nèi)容和學生的認知水平創(chuàng)設情

境，引導學生的科學探究，發(fā)展學生的科學思維，應把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決現(xiàn)實生活中的各種問題，在解決問題中進一步提高探究能力，增強

實踐意識，養(yǎng)成科學態(tài)度，促進核心素養(yǎng)的形成。i本文以火星探測器發(fā)射窗口期的教學為例闡述基于物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學案例

的開發(fā)和設計。一、抓住科技前沿熱點開發(fā)教學案例

中國天問一號火星探測器于2021年5月15日成功在火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)著陸,火星上首次留下中國人的印跡。中國由此成為全球第二個能在火星表面展開科研探測

的國家?！疤靻栆惶枴钡某晒Πl(fā)射對中學生來說，看似遙不可及，沒有任何關系，實則最基本的原理卻來自于中學物理，是高中物理知識的延伸與應用。教師可以挖掘其中涉及到

的物理知識分享給學生，讓他們與天問一號成功發(fā)射這一偉大成就產(chǎn)生共鳴，獲取知識的同時培養(yǎng)他們的科學思維，激增強他們的民族自豪感和責任感，進而提升他們的物理學科

核心素養(yǎng)。二、研讀新課標，確定案例教學策略

本案例并不在高中物理課本中，但是高中物理知識的遷移和應用，所以教學要圍繞相應內(nèi)容的課標要求來設計。

1.確定教學重難點

本案例的教學重點是霍曼轉(zhuǎn)移的規(guī)律學習，難點是火星探測器的發(fā)射窗口期的計算。.確定本案例可以培養(yǎng)的學科核心素養(yǎng)

2物理觀念的學習，比如探測器的軌道轉(zhuǎn)移涉及運動與相互作用觀念，能量觀念；科學

思維的培養(yǎng)，比如霍曼轉(zhuǎn)移模型的建立，天體追及相遇模型的應用；科學探究的設計，比如請學生做探火工程設計師為天問一號設計轉(zhuǎn)移軌道；科學態(tài)度與責任的滲透，比如通過

下一次發(fā)射時機的計算，說明國際太空裝備競賽激烈，激發(fā)學生的民族責任感。三、主要教學流程與設計分析

教學片段1師：同學們，中國天問一號火星探測器于2021年5月15日成功登陸火星，火星上首

次留下中國人的印跡，中國由此成為全球第二個能在火星表面展開科研探測的國家。關于天問一號的探火之旅你們知道多少？

生：（七嘴八舌，暢所欲言）師：同學們發(fā)言很精彩，接下來讓我們用一個視頻來了解一下天問一號從從發(fā)射到登

陸火星的全過程。生：（觀看視頻）

上課前學生對天問一號探火之旅了解的并不多，有的甚至毫不知情。所以該教學片段中先讓學生談談他們自己對天問一號探火之旅的認識，知道什么說什么，暢所欲言，集思

廣益。不僅能激發(fā)他們對國家大事，科技發(fā)展的興趣，更能調(diào)動課堂氣氛。當然這種學情下學生的發(fā)言內(nèi)容肯定是雜亂瑣碎甚至還有錯誤的信息，所以接下來給學生觀看天問一號

從從發(fā)射到登陸火星的全過程的動畫視頻，幫助學生更加全面正確地了解天問一號探火之旅。教學片段2

師：通過剛剛的視頻我們知道天問一號2020年7月23號發(fā)射到2021年2月10號才達到火星附近，飛行時間長達將近7個月，著實是一段漫長的旅程。實際上，2020年地球

一共向火星發(fā)射了三枚探測器。2020年7月20日阿聯(lián)酋希望號火星探測器率先發(fā)射，緊隨其后，23日中國天問一號火星探測器發(fā)射，7月30日美國毅力號發(fā)射。各國為何扎堆發(fā)

射火星探測器呢？約好的嗎？還是比賽誰先到呢？生：（思考回答）

師：看來這個問題有些為難大家了。實際上是因為這個時間段是發(fā)射火星探測器的最佳時間，被稱為發(fā)射窗口期。今天老師就帶大家一起來計算一下這個窗口期所在時間點。

在情境中發(fā)現(xiàn)問題，用問題引入教學內(nèi)容，過度自然，同時也引起了學生的探索問題的興趣。

教學片段3師：要計算窗口期時間，就必須要知道探測器是如何從地球轉(zhuǎn)移到火星的，也就是要

知道探測器的轉(zhuǎn)移軌跡。考慮到地球和火星都是繞著太陽同方向運動，且根據(jù)我們學習的“高軌低速大周期”模型，我們知道火星在地球的外側(cè)且飛行較慢。如果你們是探火工程

的設計師，請你們設計天問一號的軌道轉(zhuǎn)移。請大家分組討論一下，然后畫出火星探測器轉(zhuǎn)移軌跡，談談你們的設想。

生：（分組討論后借助多媒體將設計圖展示給全班并介紹設想）師：（根據(jù)學生展示做評價）實際上火星探測器的發(fā)射

首要考慮的就是安全和節(jié)約燃料。這就不得不提到人類星際航行的先驅(qū)——瓦爾特?霍曼（1880年-1945年，德國），他

在1925年提出了一個節(jié)約燃料的軌道轉(zhuǎn)移設想，即利用一個與初始軌道和最終軌道都相切的橢圓軌道來實現(xiàn)變軌。如圖

1所示，航天器在低圓軌道的切點A第一次點火加速進入橢圓

軌道，依靠來自引力中心的吸引力到達橢圓軌道的遠端B時再一次點火加速切入高圓軌道，實現(xiàn)從低軌道高軌的變軌。

這條橢圓軌道就叫霍曼轉(zhuǎn)移軌道。該教學片段設計了一個請學生當探火工程設計師來設計飛行器軌道轉(zhuǎn)移的分組活動，

激發(fā)學生的科學責任感，培養(yǎng)他們思考探究能力。學生的設想可能五花八門，教師要給予更多的鼓勵性評價。在同學們的一番思考探索以后教師再來介紹霍曼轉(zhuǎn)移，學生更容易被

帶入,理解接受新的知識。教學片段4

師：有沒有同學覺得這個軌跡轉(zhuǎn)移似曾相識？生：同步衛(wèi)星也是這樣發(fā)射的。

師：對，我們之前講的同步衛(wèi)星的發(fā)射其實就是霍曼轉(zhuǎn)移，先將衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道，然后點火加速離心到遠地點時再一次點火加速離心進入同步軌道。所以霍曼轉(zhuǎn)移既適用于

同步衛(wèi)星的發(fā)射也適用于星際探測器，完全可以作為一個物理模型來用?，F(xiàn)在我們將模型應用于火星探測器，請同學們想想圖1中的“引力中心”是哪個天體？“低圓軌道”“高

圓軌道”分別是誰的軌道？說一說火星探測器軌道轉(zhuǎn)移的具體過程。生：引力中心為太陽，低圓軌道為地球公轉(zhuǎn)軌道，高圓軌道為火星公轉(zhuǎn)軌道，探測器

從地表發(fā)射后，超過第二宇宙速度從A點切入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，飛行半個橢圓后到達火星所在軌道，此時火星正好運動到切點B處，則探測器被火星引力捕獲，成為火星的衛(wèi)星，轉(zhuǎn)

移成功。該教學片段結(jié)合已學同步衛(wèi)星的發(fā)射過程，構(gòu)建理想模型?；袈D(zhuǎn)移的模型構(gòu)建能夠

幫助學生理解此類航天器軌道轉(zhuǎn)移過程的本質(zhì)屬性,內(nèi)在規(guī)律和相互關系。然后將模型應用于火星探測器，考察學生對模型應用的遷移能力，

教學片段5師：要計算發(fā)射的時間點的關鍵就是要找到探測器發(fā)

射時火星與地球的相對位置，然后通過天文觀測來確定這個位置對應的時間點。老師給大家提供兩組數(shù)據(jù)：如圖2所

11示，地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道半徑r=1.5×10m,公轉(zhuǎn)周期

111T1=365天；火星繞太陽公轉(zhuǎn)軌道半徑

r

=2.3×10

m,公轉(zhuǎn)周

2期T=687天。請同學們思考討論一下如何計算探測器發(fā)射時火星與地球的相對位置。

2生：（思考討論回答）

師：（根據(jù)學生回答情況做評價）總結(jié)一下推導思路：探測器從A點到B點并和火星在

B點相遇，只要算出探測器從

A到

B的運動時間

t

,再根據(jù)火星的周期計算出火星在

tAB

AB內(nèi)轉(zhuǎn)過的圓心角θ，即可求出探測器出發(fā)時，地球與火星的相對位置。接下來的具體列式

計算交給同學們來完成。生：（計算）

師：（拍照展示學生計算過程并加以講解）r1r

211

1.910ma

2火星探測器繞太陽公轉(zhuǎn)的橢圓半長軸

31232ra由開普勒第三定律可得T

T1代入數(shù)值得探測器公轉(zhuǎn)周期T=520天

則探測器從

A到

B的時間

t

=260天（8.7個月）AB

2660360136

87

該時間內(nèi)火星公轉(zhuǎn)角度由此可見當探測器從A點出發(fā)時，火星應該在距離B點圓心

ii角136°，距離A點圓心角44°的位置。滿足此相對位置關系的

探測器飛行約260天后與火星相遇。所以整個轉(zhuǎn)移過程，地球，火星，探測器三者相對位置的變化如圖3所示。2020年7月底8

底月初時，地火相對位置大約處于圖

3中所示初始位置，是最佳的發(fā)射時間。

該教學片段是本節(jié)內(nèi)容的重難點，對于這樣的案例研究，教師需要補充一些隱藏的必要信息作為已知條件。然后適當?shù)囊龑W生找到解決問題的關鍵和思路，培養(yǎng)學生解決問

題的能力。教學片段6

師：不知道同學們可有發(fā)現(xiàn)上述計算結(jié)果有一個與實際有出入的？生：探測器從A到B的時間計算結(jié)果是8.7個月，而天問一號的飛行時間只用了不到7

個月。師：是的，為什么存在這樣的差距呢？

生：8.7個月是理想化模型計算出來的，并不是天問一號實際的飛行時間。師：很好，其實在剛剛的視頻中同學們也能略知一二，天問一號在奔火途中還會受到

地球和火星引力的干擾，還會受到入軌偏差、控制精度偏差等因素影響。所以天問一號的實際轉(zhuǎn)移軌跡與霍曼轉(zhuǎn)移是有偏差的。

該教學片段旨在培養(yǎng)學生的批判意識，養(yǎng)成大膽質(zhì)疑，尊重事實，追求真理核心素養(yǎng)。教學片段7

師：如果錯過這次發(fā)射窗口期，也可以等到下一次同樣的時機出現(xiàn)。請同學們根據(jù)天體的追及相遇的特點，計算出當?shù)厍蚝突鹦窍乱淮翁幱谠撓鄬ξ恢玫臅r間。

生:(思考計算)師：（展示學生解答過程并加以評價講解）下一次地火處于該相對位置時，地球要比

（22

）t

2TT12火星多轉(zhuǎn)過

2Π弧度。即

，代入數(shù)值計算可得

t≈779天(約

2年)。也就

是說地球下一次發(fā)射火星探測器需要等到兩年后。在當今科技突飛猛進的時代，這是參與航天太空裝備競賽的任何國家都耽擱不起的。所以2020年7月底，中國，美國，阿聯(lián)酋都

瞅準了時機發(fā)射火星探測器。該教學片段從案例中挖掘考點，考察學生利用天體追及相遇模型解決實際問題的能力。

同時也要啟發(fā)學生認識到當今競爭激烈的太空競賽，激