论文分享 | 计算仿真支持下的高中物理核心素养教学——以“超重与失重”航天工程情境为例

  朱洪强^１，谭恬佳^１，文洁²，张鸣子³

1.重庆师范大学物理与光电工程学院

2.重庆八中宏帆中学校

3.云南大学附属中学

摘 要：传统“超重与失重”教学多围绕电梯、体重计等生活场景展开，学生容易形成“失重就是重力消失”之类的错误认识，也缺少从“解题”走向“解决真实问题”的能力训练。课例将抛物线飞行、中性浮力水槽和旋转空间站三个航天工程情境引入课堂，并自行开发三组基于HTML5 Canvas的交互仿真程序。学生在程序中调节参数、观察结果、验证判断，区分真实失重和模拟失重；再利用Python数值模拟评估空间站人造重力方案的工程可行性。教学流程分为“体验—探究—建模—评估”四个环节。

 １ 引  言

２   理论框架与教学目标

本设计以建构主义学习理论和情境认知理论为基础。建构主义强调，知识不是被动接收的，而是学习者在特定情境中借助工具和他人的帮助主动建构的。情境认知理论则指出，知识的意义依赖于其产生的具体情境，脱离情境的抽象知识很难被迁移和应用。在本设计中，这两个理论转化为两点：一是提供接近实际问题的学习情境，二是提供可以操作和反馈的工具，让学生在不同情境中理解物理概念。本课例的三个航天工程情境构成学习情境，三组交互仿真程序构成操作工具，教学过程分为“体验—探究—建模—评估”四个层次（表1）。

体验层先让学生接触现象，探究层利用交互仿真收集数据、检验猜想，建模层用物理规律和数学工具进行定量分析，评估层再加入生理安全极限等工程约束，要求学生作出取舍。数字工具只用于支撑和提示，不代替学生思考。

表１ “体验—探究—建模—评估”四阶递进式教学框架

素养目标包括四个方面。物理观念方面，区分万有引力、重力和视重，明确超重与失重对应的是支持力（或拉力）的变化，而不是重力的增减。科学思维方面，用牛顿运动定律和圆周运动规律分析抛物线飞行、旋转空间站等系统的受力，并比较“宏观平衡”与“微观失重”。科学探究方面，通过交互仿真调节参数、读取数据和检验判断。科学态度与责任方面，评估空间站人造重力方案，认识物理规律和人体生理极限对工程设计的约束。

评价设计采用表现性评价与过程性评价相融合的思路。水平一(基础）:能识别超重与失重现象,能运用公式N=m（g-a）进行简单计算；水平二（辨析）：能解释为什么水槽里的宇航员虽然“漂着”，却不是真正的失重；水平三（评估）：能够综合物理规律与生理约束，对给定的空间站设计方案进行合理性判断。

３  教学设计

3.1  抛物线飞行——真失重是什么样

导入时先提出问题：“宇航员在空间站里飘起来，是因为重力消失了吗”，讨论后再追问：“如果地面也能制造失重，你愿意试试吗”。随后，学生在平板设备上打开并操作仿真程序。

程序界面分上下两个视窗（图1）。上面是飞机在6 000 m高空拉升、俯冲的动画；下面左侧显示飞机的飞行轨迹（x-y坐标），右侧显示宇航员视重随时间变化的曲线（G-t坐标）。学生可以拖动时间滑块，反复观察不同阶段的受力状态。

在操作过程中，学生首先观察到飞机在拉升阶段开始向上加速，此时视重曲线达1.8G左右,为超重状态。继续拖动滑块,飞机收油门进入抛物线轨迹,此时飞机和里面的一切（包括宇航员）都在做自由落体运动,加速度a_y=g（约9.8 m/s²）,方向竖直向下。视重曲线下降至零,程序界面亮起“绿色失重区”。这一瞬间学生亲眼看到：万有引力并没有消失（飞机还在地球引力场里）,但宇航员对座椅的压力N=m（g-a）=0，从而真切地感受到“失重”的状态。这样，抽象的物理概念就和视重曲线对应起来。

图１ 抛物线飞行仿真系统

本环节要澄清的是：失重不是重力消失，而是视重为零。在传统的课堂教学中，教师一般采用悬挂弹簧秤来模拟悬挂重物自由下落的方式进行演示。但这一过程很短，学生不易反复观察和分析。针对这一问题，徐鹏曾经尝试利用数字化实验手段对“超重与失重”的教学进行改进。结合该案例，本课例也创建了仿真程序，该程序具备慢放、回放、定格等功能，让学生可以反复观察和分析这一过程。

3.2  中性浮力水槽——“漂着”不等于失重

学生理解真实失重后，再追问：“抛物线飞行一次只有几十秒，宇航员要进行长达数小时的出舱训练怎么办”，由此引出中性浮力水槽——航天局训练宇航员的标准设备。

水槽仿真程序的界面如图２所示。左侧是参数面板:可以调节宇航服外配重（铅块）和水槽液体密度;右侧主视图显示宇航员在水中的沉浮状态,还有一个“内脏受力放大镜”按钮。学生调节配重,排开水的体积恰好使浮力F_浮=ρVg=2 940 N等于总质量为300 kg的宇航员所受重力G=mg=2 940 N时,宇航员达到“完美悬浮”，宏观合力为零。学生此时可能会问:“这不就是失重吗”。

图２ 探究中性浮力水槽模拟失重原理的交互程序界面

教师先不直接给出答案，提示学生点击“内脏受力放大镜”按钮。放大视图里显示，一个红色的1G重力箭头竖直指向宇航员体内——血液、前庭器官、骨骼等人体组织仍然受到完整的地球重力作用。此时，学生能够认识到：水槽只是让宏观合力为零，实现了力学平衡，但重力场本身并没有被消除。宇航员虽可在此环境中模拟漂浮状态进行出舱训练，却无法将其用于微重力生理实验——因为他身体里的细胞感受到的仍然是1G的重力。

学生需要比较宏观合力和身体内部受力，说明为什么漂浮不等于失重。胡轶波指出，高中物理情境教学中认知冲突的设计对于促进概念转变具有重要作用。本环节利用这一冲突，帮助学生重新区分漂浮、平衡和失重。

3.3  旋转空间站——人造重力的工程可行性分析

最后讨论：长期失重会导致骨质流失，科幻电影里经常出现的旋转空间站制造人工重力，真的可行吗？

先从理论推导入手。学生建立模型：空间站圆环外壳对人的支持力N充当向心力，同时N 的反作用力压在人身上，这就是“人造重力”的来源。若要视重N=mg，结合向心力公式F=mω²R，必须满足g=ω²R。这个方程有无穷多组解：半径小，转速就高；半径大，转速就低，都可以得到1G视重。工程上应如何选择？

还要加入生理学约束：人体前庭系统对转速较敏感，超过3 RPM（每分钟三转）可能因科里奥利力引发前庭眩晕。本设计把3 RPM作为生理安全上限。在航空航天医学领域，张翔等的研究揭示了人体离心机产生的超重环境对人体生理功能的显著影响，证实了转速上限设定的必要性。因此，问题变为：在转速≤3 RPM的前提下，半径至少要多大？

仿真程序界面如图3所示。左侧是旋转空间站的动画和宇航员受力方向，右侧是“转速—人造重力”参数曲线。学生拖动半径滑块，观察代表当前状态的红点如何移动。将半径R调至10 m后，界面红点显示需达到9.5 RPM才能达到1G目标线，程序显示红色警报——转速超出人体生理安全上限。学生需要逐步增大半径，直到红点进入1G目标线与3 RPM安全线交汇处右下方的“绿色区域”。

图３ 旋转空间站人造重力工程仿真系统界面

图4把半径、转速和安全上限放在同一坐标系中。实线表示产生1G所需的转速,虚线表示3 RPM的生理安全上限,阴影区域表示满足这两个条件的工程可行性。曲线与安全线在R≈100 m处相交,因此在本模型和3 RPM上限下,半径小于约100 m的方案不能同时满足1G和安全转速要求。R=200 m时,所需转速约为2.1 RPM,可作为满足约束的示例。 

图４ 旋转空间站人造重力参数设计曲线

4  结 语

本课例围绕“超重与失重”设置了三个航天工程情境：辨析抛物线飞行中的真实失重，比较中性浮力水槽中的漂浮与失重，再评估旋转空间站的人造重力方案。教学流程按“体验—探究—建模—评估”展开，仿真程序用于调节参数、观察反馈和支持问题讨论。它提供了比静态课件更大的参数操作空间，但不能代替真实实验或学生自己的判断。本文将这些内容作为教学设计提出，未报告课堂实施和学习评价数据；后续实施时可根据学生的操作记录和作品进一步检验教学效果。