基于物理学科核心素养的教学案例的开发和设计 论文

基于物理学科核心素养的教学案例的开发和设计

——-以火星探测器的发射窗口期的计算为例

【摘要】本文以火星探测器发射窗口期的教学为例阐述基于培养物理学科核心素养的

教学案例的开发和设计。【关键字】火星探测器发射窗口期霍曼转移轨道转移物理学科核心素养

《普通高中物理课程标准(2020版)》指出,物理教学应根据高中物理课程标准的基本

理念、课程总目标和物理核心素养的要求,结合教学的实际情况,创造性地开展教学工作,将核心素养的培养贯穿于物理教学活动的全过程。必须把核心素养作为物理教学的重要目标,

将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等核心素养的培养落实于教学活动中。在教学设计和教学实施过程中要根据具体教学内容和学生的认知水平创设情

境，引导学生的科学探究，发展学生的科学思维，应把物理课程中所形成的物理观念和科学思维用于分析、解决现实生活中的各种问题，在解决问题中进一步提高探究能力，增强

实践意识，养成科学态度，促进核心素养的形成。i本文以火星探测器发射窗口期的教学为例阐述基于物理学科核心素养培养的教学案例

的开发和设计。一、抓住科技前沿热点开发教学案例

中国天问一号火星探测器于2021年5月15日成功在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,火星上首次留下中国人的印迹。中国由此成为全球第二个能在火星表面展开科研探测

的国家。“天问一号”的成功发射对中学生来说，看似遥不可及，没有任何关系，实则最基本的原理却来自于中学物理，是高中物理知识的延伸与应用。教师可以挖掘其中涉及到

的物理知识分享给学生，让他们与天问一号成功发射这一伟大成就产生共鸣，获取知识的同时培养他们的科学思维，激增强他们的民族自豪感和责任感，进而提升他们的物理学科

核心素养。二、研读新课标，确定案例教学策略

本案例并不在高中物理课本中，但是高中物理知识的迁移和应用，所以教学要围绕相应内容的课标要求来设计。

1.确定教学重难点

本案例的教学重点是霍曼转移的规律学习，难点是火星探测器的发射窗口期的计算。.确定本案例可以培养的学科核心素养

2物理观念的学习，比如探测器的轨道转移涉及运动与相互作用观念，能量观念；科学

思维的培养，比如霍曼转移模型的建立，天体追及相遇模型的应用；科学探究的设计，比如请学生做探火工程设计师为天问一号设计转移轨道；科学态度与责任的渗透，比如通过

下一次发射时机的计算，说明国际太空装备竞赛激烈，激发学生的民族责任感。三、主要教学流程与设计分析

教学片段1师：同学们，中国天问一号火星探测器于2021年5月15日成功登陆火星，火星上首

次留下中国人的印迹，中国由此成为全球第二个能在火星表面展开科研探测的国家。关于天问一号的探火之旅你们知道多少？

生：（七嘴八舌，畅所欲言）师：同学们发言很精彩，接下来让我们用一个视频来了解一下天问一号从从发射到登

陆火星的全过程。生：（观看视频）

上课前学生对天问一号探火之旅了解的并不多，有的甚至毫不知情。所以该教学片段中先让学生谈谈他们自己对天问一号探火之旅的认识，知道什么说什么，畅所欲言，集思

广益。不仅能激发他们对国家大事，科技发展的兴趣，更能调动课堂气氛。当然这种学情下学生的发言内容肯定是杂乱琐碎甚至还有错误的信息，所以接下来给学生观看天问一号

从从发射到登陆火星的全过程的动画视频，帮助学生更加全面正确地了解天问一号探火之旅。教学片段2

师：通过刚刚的视频我们知道天问一号2020年7月23号发射到2021年2月10号才达到火星附近，飞行时间长达将近7个月，着实是一段漫长的旅程。实际上，2020年地球

一共向火星发射了三枚探测器。2020年7月20日阿联酋希望号火星探测器率先发射，紧随其后，23日中国天问一号火星探测器发射，7月30日美国毅力号发射。各国为何扎堆发

射火星探测器呢？约好的吗？还是比赛谁先到呢？生：（思考回答）

师：看来这个问题有些为难大家了。实际上是因为这个时间段是发射火星探测器的最佳时间，被称为发射窗口期。今天老师就带大家一起来计算一下这个窗口期所在时间点。

在情境中发现问题，用问题引入教学内容，过度自然，同时也引起了学生的探索问题的兴趣。

教学片段3师：要计算窗口期时间，就必须要知道探测器是如何从地球转移到火星的，也就是要

知道探测器的转移轨迹。考虑到地球和火星都是绕着太阳同方向运动，且根据我们学习的“高轨低速大周期”模型，我们知道火星在地球的外侧且飞行较慢。如果你们是探火工程

的设计师，请你们设计天问一号的轨道转移。请大家分组讨论一下，然后画出火星探测器转移轨迹，谈谈你们的设想。

生：（分组讨论后借助多媒体将设计图展示给全班并介绍设想）师：（根据学生展示做评价）实际上火星探测器的发射

首要考虑的就是安全和节约燃料。这就不得不提到人类星际航行的先驱——瓦尔特•霍曼（1880年-1945年，德国），他

在1925年提出了一个节约燃料的轨道转移设想，即利用一个与初始轨道和最终轨道都相切的椭圆轨道来实现变轨。如图

1所示，航天器在低圆轨道的切点A第一次点火加速进入椭圆

轨道，依靠来自引力中心的吸引力到达椭圆轨道的远端B时再一次点火加速切入高圆轨道，实现从低轨道高轨的变轨。

这条椭圆轨道就叫霍曼转移轨道。该教学片段设计了一个请学生当探火工程设计师来设计飞行器轨道转移的分组活动，

激发学生的科学责任感，培养他们思考探究能力。学生的设想可能五花八门，教师要给予更多的鼓励性评价。在同学们的一番思考探索以后教师再来介绍霍曼转移，学生更容易被

带入,理解接受新的知识。教学片段4

师：有没有同学觉得这个轨迹转移似曾相识？生：同步卫星也是这样发射的。

师：对，我们之前讲的同步卫星的发射其实就是霍曼转移，先将卫星发射到近地轨道，然后点火加速离心到远地点时再一次点火加速离心进入同步轨道。所以霍曼转移既适用于

同步卫星的发射也适用于星际探测器，完全可以作为一个物理模型来用。现在我们将模型应用于火星探测器，请同学们想想图1中的“引力中心”是哪个天体？“低圆轨道”“高

圆轨道”分别是谁的轨道？说一说火星探测器轨道转移的具体过程。生：引力中心为太阳，低圆轨道为地球公转轨道，高圆轨道为火星公转轨道，探测器

从地表发射后，超过第二宇宙速度从A点切入霍曼转移轨道，飞行半个椭圆后到达火星所在轨道，此时火星正好运动到切点B处，则探测器被火星引力捕获，成为火星的卫星，转

移成功。该教学片段结合已学同步卫星的发射过程，构建理想模型。霍曼转移的模型构建能够

帮助学生理解此类航天器轨道转移过程的本质属性,内在规律和相互关系。然后将模型应用于火星探测器，考察学生对模型应用的迁移能力，

教学片段5师：要计算发射的时间点的关键就是要找到探测器发

射时火星与地球的相对位置，然后通过天文观测来确定这个位置对应的时间点。老师给大家提供两组数据：如图2所

11示，地球绕太阳公转轨道半径r=1.5×10m,公转周期

111T1=365天；火星绕太阳公转轨道半径

r

=2.3×10

m,公转周

2期T=687天。请同学们思考讨论一下如何计算探测器发射时火星与地球的相对位置。

2生：（思考讨论回答）

师：（根据学生回答情况做评价）总结一下推导思路：探测器从A点到B点并和火星在

B点相遇，只要算出探测器从

A到

B的运动时间

t

,再根据火星的周期计算出火星在

tAB

AB内转过的圆心角θ，即可求出探测器出发时，地球与火星的相对位置。接下来的具体列式

计算交给同学们来完成。生：（计算）

师：（拍照展示学生计算过程并加以讲解）r1r

211

1.910ma

2火星探测器绕太阳公转的椭圆半长轴

31232ra由开普勒第三定律可得T

T1代入数值得探测器公转周期T=520天

则探测器从

A到

B的时间

t

=260天（8.7个月）AB

2660360136

87

该时间内火星公转角度由此可见当探测器从A点出发时，火星应该在距离B点圆心

ii角136°，距离A点圆心角44°的位置。满足此相对位置关系的

探测器飞行约260天后与火星相遇。所以整个转移过程，地球，火星，探测器三者相对位置的变化如图3所示。2020年7月底8

底月初时，地火相对位置大约处于图

3中所示初始位置，是最佳的发射时间。

该教学片段是本节内容的重难点，对于这样的案例研究，教师需要补充一些隐藏的必要信息作为已知条件。然后适当的引导学生找到解决问题的关键和思路，培养学生解决问

题的能力。教学片段6

师：不知道同学们可有发现上述计算结果有一个与实际有出入的？生：探测器从A到B的时间计算结果是8.7个月，而天问一号的飞行时间只用了不到7

个月。师：是的，为什么存在这样的差距呢？

生：8.7个月是理想化模型计算出来的，并不是天问一号实际的飞行时间。师：很好，其实在刚刚的视频中同学们也能略知一二，天问一号在奔火途中还会受到

地球和火星引力的干扰，还会受到入轨偏差、控制精度偏差等因素影响。所以天问一号的实际转移轨迹与霍曼转移是有偏差的。

该教学片段旨在培养学生的批判意识，养成大胆质疑，尊重事实，追求真理核心素养。教学片段7

师：如果错过这次发射窗口期，也可以等到下一次同样的时机出现。请同学们根据天体的追及相遇的特点，计算出当地球和火星下一次处于该相对位置的时间。

生:(思考计算)师：（展示学生解答过程并加以评价讲解）下一次地火处于该相对位置时，地球要比

（22

）t

2TT12火星多转过

2Π弧度。即

，代入数值计算可得

t≈779天(约

2年)。也就

是说地球下一次发射火星探测器需要等到两年后。在当今科技突飞猛进的时代，这是参与航天太空装备竞赛的任何国家都耽搁不起的。所以2020年7月底，中国，美国，阿联酋都

瞅准了时机发射火星探测器。该教学片段从案例中挖掘考点，考察学生利用天体追及相遇模型解决实际问题的能力。

同时也要启发学生认识到当今竞争激烈的太空竞赛，激