核心素養(yǎng)理念下培養(yǎng)學生科學思維的教學研究

摘 要：本研究以人教版選修3-5《反沖運動 火箭》的教學為例，闡述基于培養(yǎng)與發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)的旨向，如何在教學設計與課堂教學活動中滲透與實踐學生科學思維的發(fā)展.

關(guān)鍵詞：科學思維；課堂教學；反沖運動

作者簡介：朱寧寧（1989-），女，北京人，碩士，中學二級教師，研究方向：中學物理學科教學.

當代教育變革的主題是促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展.物理學科核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐漸形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學生通過物理學系內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)，是學生物理學科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分.物理學科核心素養(yǎng)主要有“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態(tài)度與責任”等四個要素構(gòu)成. “科學思維”是從科學視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識，是分析綜合、抽象概括、推理論證等科學思維方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學推理對他人觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.本文以《反沖運動 火箭》一節(jié)的教學研究為例，探討基于核心素養(yǎng)理念，如何在物理課堂教學活動中促進學生科學思維的發(fā)展.

1 教學過程與培養(yǎng)學生科學思維的體現(xiàn)

1.1 觀察現(xiàn)象與提出問題

通過觀察“氣球運動”、“盛水容器轉(zhuǎn)動”實驗及生活中的一些類似現(xiàn)象，分析這些現(xiàn)象的共同特點，既激發(fā)與調(diào)動了學生參與課堂研究的積極性，同時滲透著培養(yǎng)學生觀察、分析、歸納、概括等能力，有助于逐步培養(yǎng)科學推理等思維能力.

1.2 概括特點與探索規(guī)律

1.2.1 概括特點

教師：（引導思考與交流）以上現(xiàn)象中物體的運動都有什么共同特點？

學生通過對多種相似現(xiàn)象的剖析、歸納與交流討論，能夠總結(jié)出這些現(xiàn)象都具有“系統(tǒng)分離出一部分物體后，剩下的另一部分物體向反方向運動”的特點.

教師：（概括）物理學把具有這一特點的現(xiàn)象叫做反沖，既“物體在內(nèi)力的作用下分離出一部分物體，另一部分物體朝反方向運動.”

在基于現(xiàn)象歸納特點的環(huán)節(jié)，留給學生充足的時間展開分析與討論，進行激烈的思維碰撞與交流活動.這一教學活動的安排，既遵循與體現(xiàn)了學生探究與獲取知識的主動性；又指向了培養(yǎng)學生分析歸納大量現(xiàn)象的共性，有助于分析綜合、抽象概括等思維的發(fā)展.

1.2.2 探索規(guī)律

教師：（引導思考）大量相同的現(xiàn)象背后一般可能蘊藏著一定的規(guī)律.那么，反沖現(xiàn)象蘊含著怎樣的物理規(guī)律呢？

學生展開激烈的討論交流，討論范圍涉及牛頓運動規(guī)律角度、能量角度、動量角度等.在此基礎(chǔ)上，教師適當引導，同時提出引導性問題.

教師：（問題引導）為什么靜止的物體噴出一部分物體后，另一部分物體會獲得反方向的速度呢？

學生再次陷入討論，發(fā)現(xiàn)用動量守恒的觀點解釋各系統(tǒng)中所涉及的反沖現(xiàn)象時，所有的問題均迎刃而解，思路清晰.最終總結(jié)得出所有的反沖現(xiàn)象均滿足系統(tǒng)動量守恒定律.

在探索規(guī)律的過程中，同樣安排留給學生充足的時間進行分析討論、剖析論證等思維活動的開展.這一教學過程的設計，有以下三處突出優(yōu)勢：一是遵循了物理規(guī)律獲得的一般過程，學生基于大量現(xiàn)象共性的探究而得出規(guī)律；二是學生在推理與論證過程中嘗試從多種角度分析問題，最終通過解釋論證了從動量的角度分析物體間的相互作用，有助于學生逐漸形成與豐富對物質(zhì)的相互作用觀的認識，從而有助于學生物理觀念的形成；三是學生通過反沖現(xiàn)象蘊含規(guī)律的分析推理、觀點交流的過程，有助于逐步培養(yǎng)科學推理、解釋論證等科學思維能力，達成了在教學過程中潛移默化地促進學生科學思維培養(yǎng)的核心素養(yǎng)目標.

1.3 規(guī)律應用與問題論證

情景1：演示實驗——自制教具“大炮的發(fā)射”（圖4）

教師：發(fā)射“炮彈”時，炮身為什么會后退？（學生容易分析得出，炮身由于反沖而會獲得向后運動的速度，故而后退.）

教師：（追問）炮身的反沖可能與什么因素有關(guān)？如何求炮身獲得的反沖速度？

學生在分析交流中，涉及到可能影響反沖后退速度與后退距離大小的多種因素，基于這些影響因素，學生難以準確分析“如何求炮身獲得的反沖速度”.

教師：（引導）當我們要面對與研究實際生活情境中的問題時，會有多種因素影響著我們的研究.通常情況下，首先我們要對生活中的物理問題進行忽略次要因素，考慮主要因素，既進行抽象簡化，創(chuàng)設圍繞主要因素的物理情境，將生活問題轉(zhuǎn)換成物理問題.既建立物理模型的過程.

帶領(lǐng)學生抽象簡化情境，建立動量守恒定律的物理模型：“一門大炮，炮身質(zhì)量為M，炮彈質(zhì)量為m.炮彈水平射出時相對于地面的速度為v0，不計炮車與地面的摩擦，求炮身向后反沖的速度v.”

學生在規(guī)范作答的情況下，能夠基于炮身與炮彈的系統(tǒng)動量守恒，推導得出“炮身速度v=-m v0/M”.

教師：基于結(jié)果分析，如何能夠減小反沖對大炮的影響？

學生根據(jù)炮身速度v=-m v0/M，很容易分析論證：減小炮彈的質(zhì)量，增大炮身的質(zhì)量均能減小發(fā)射炮彈時反沖對大炮的影響.

教師：（聯(lián)系實際）有誰了解當前在軍事科技上控制或預防反沖對大炮影響的措施？

學生基于自己的課外了解情況，展開介紹與解釋.同時教師展示當前大炮預防反沖措施的圖片（圖5），包括縮頭炮以及設計液壓緩沖器、止退犁、履帶等方式，一方面驗證學生的猜想，另一方面拓展學生學習的廣度.

這一教學情境的設計與教學過程的開展，實現(xiàn)了對學生剛剛獲得的物理概念和規(guī)律的實踐應用；同時關(guān)注了對學生進行STSE教育，體現(xiàn)了從生活走向物理、從物理走向生活；又在潛移默化中促進了學生科學思維能力的發(fā)展，包括培養(yǎng)創(chuàng)設物理情境與建立物理模型的意識、基于證據(jù)對問題進行分析解釋、推理論證的能力.endprint

情景2：演示實驗——自制教具“水火箭”（圖6）

教師：（引導學生觀察）水火箭是如何飛出去的？

航天科技中的火箭又是如何飛上天的呢？（聯(lián)系科技播放我國火箭發(fā)射升空的視頻）

教師：火箭的發(fā)射與水火箭是否相似？

教師：（追問）火箭的速度可能與哪些因素有關(guān)？

教師：（追問）你認為火箭的飛行滿足什么規(guī)律？其飛行的工作原理是什么？

教師：（追問）如何求火箭獲得的速度？

追問的設計，為學生思考與分析火箭速度問題搭設了思維臺階，引導學生對現(xiàn)象進行比較、分析，對問題進行解釋、預測等.這樣一來，學生比較容易分析出，火箭的發(fā)射與飛行是一種反沖運動，火箭的工作原理就是動量守恒定律，從而能夠預測猜想影響火箭速度的可能因素.最后的問題“如何求火箭獲得的速度？”指向引導學生再次建立模型，運用規(guī)律進行推理論證.

引導學生結(jié)合實際情況，將火箭升空的過程抽象簡化，建立符合題意的物理模型如下：“火箭噴氣前的總質(zhì)量是M，假設火箭準備起飛時在極短時間內(nèi)噴出燃氣后，其質(zhì)量變?yōu)閙，噴出燃氣的速度相對于地面是u，計算火箭在噴氣后增加的速度△v.”

為方便學生較好地理解火箭獲得速度的過程，本情境選取為火箭準備起飛的過程，參考系選取為地面，且設計了如表2所示的表格，以有助于學生的思維分析.

學生基于表格的填寫與運算，能用動量守恒定律求出火箭增加的速度表達式，并且根據(jù)結(jié)果，能夠分析得出，影響火箭速度的因素有兩個：Mm和u.

教師：總結(jié)火箭速度影響因素有噴氣速度u和火箭質(zhì)量比Mm.

教師：根據(jù)研究結(jié)果和你的了解，現(xiàn)代科技上采取什么措施能夠提高火箭的速度？

（學生交流）

教師：（播放嫦娥一號發(fā)射的模擬視頻）觀看視頻，驗證與總結(jié)提高火箭速度的措施.

學生觀看視頻，能在引導下總結(jié)出當前處理方法：一是火箭尾部捆綁助推器，增加噴出燃氣的量；二是設計多級火箭（圖7），燃料燃燒后拋掉空的燃料箱，增加質(zhì)量比.

教師：論證為什么多級火箭能夠提高最終速度？

引導學生分析論證“假設有兩枚火箭（總質(zhì)量、所裝推進劑的量均保持一樣）第一枚是單級火箭，發(fā)射質(zhì)量是2t，其中推進劑1.5t；第二枚為二級火箭，各重1t，每級均裝有0.75t的推進劑.”但后者的火箭質(zhì)量比是前者的2倍（8∶4），所以，分級火箭有利于提高火箭的最終速度.

同時說明級數(shù)過多會影響火箭的整體強度，并有復雜的技術(shù)問題.一般常用兩級或三級火箭發(fā)射運載人造地球衛(wèi)星.從而介紹多級火箭的構(gòu)造與用途，以及我國具有不同運載能力的長征系列運載火箭的不同用途，介紹我國火箭研究、航空航天事業(yè)的發(fā)展歷程與成果，以進一步拓展學生的知識廣度.

這一教學情境的設計與教學過程的開展，既是對反沖現(xiàn)象概念和規(guī)律的再次深化應用，更是對學生科學思維的進一步培養(yǎng).該環(huán)節(jié)再次讓學生主動經(jīng)歷了物理模型建構(gòu)的過程，經(jīng)歷了基于推理論證進行預測與解釋現(xiàn)象的過程.

綜合而看，“規(guī)律應用與問題論證”這一教學過程的設計與實踐，達到了以下三點目標：

（1）學生在觀察實驗、分析解決問題的過程中，體現(xiàn)了對物理概念與規(guī)律的學以致用；同時結(jié)合當前軍事及航天科技上的發(fā)展，體會物理規(guī)律在科技上的體現(xiàn)和實用性.

（2）反沖的防止與應用，一反一正兩個案例的教學對比，無形中滲透給學生反沖現(xiàn)象有利有弊，學會一分為二的看問題，使分析問題時思維有所突破.

（3）學生經(jīng)歷抽象建立物理規(guī)律模型，基于分析推理解釋反沖的防止或利用現(xiàn)象，利用結(jié)論依據(jù)論證如何防止或利用反沖問題等過程，逐漸滲透著對學生科學思維的培養(yǎng).

2 教學反思與總結(jié)

本節(jié)課的教學設計與課堂教學過程，一直秉持以下三點原則：（1）用實驗創(chuàng)設情境；（2）以問題驅(qū)動思維；（3）在觀察、討論、解釋、論證等學生活動中培養(yǎng)思維能力.基于此，逐步滲透與實現(xiàn)學生物理學科核心素養(yǎng)各要素的培養(yǎng)與發(fā)展.

科學思維的培養(yǎng)特別依賴于問題情境的創(chuàng)設，當將物理概念規(guī)律的學習與真實的物理情境聯(lián)系起來，并以問題引導的方式驅(qū)動學生的思維活動展開學習研究時，才能更好的實現(xiàn)概念規(guī)律的靈活應用，科學思維才能得以發(fā)展.因此.本節(jié)課中堅持用實驗創(chuàng)設情境，包括得出概念的情境與規(guī)律探索的情境；同時，本節(jié)課中精心設計各個問題及追問問題，力求問題符合學生的思維發(fā)展，為必要的思維活動搭建問題臺階，從而逐步引導學生展開對物理規(guī)律的探索及物理現(xiàn)象的推理論證；此外，課堂特別注重學生的思維闡釋與表達，有意識地引導學生進行觀察分析、總結(jié)概括、解釋說明等交流與觀點表述活動，從而逐步培養(yǎng)學生用科學思維分析與解決各種問題.

下面從科學思維要素的角度，總結(jié)本課堂教學中對培養(yǎng)學生科學思維的滲透教育.

（1）模型建構(gòu)：通過對發(fā)射大炮與火箭等生活情境的抽象簡化，抓住研究問題的主要因素，忽略次要因素，建立動量守恒定律模型，進而研究發(fā)射過程中炮身或火箭獲得的速度.滲透了科學思維中模型建構(gòu)要素的培養(yǎng).

（2）科學推理：通過對大量生活現(xiàn)象的分析綜合、歸納概括與科學推理，從而得出反沖運動的概念與所滿足的物理規(guī)律；之后運用該規(guī)律對發(fā)射大炮與火箭飛行等反沖現(xiàn)象進行解釋.學生的這些思維活動過程直接體現(xiàn)了科學思維中科學推理能力要素的培養(yǎng)與發(fā)展.

（3）科學論證：學生基于推理得出的炮身或火箭速度表達式，對如何減小或增大反沖現(xiàn)象的效果做出判斷并加以表達闡述；并且批判性地使用證據(jù)描述與解釋反沖的利弊，分析論證多級與單級火箭的優(yōu)劣.這些思維活動過程指向了科學思維中科學論證能力要素的培養(yǎng)與發(fā)展.

（4）質(zhì)疑創(chuàng)新：本教學活動中，學生在多次的討論交流中，能基于自己的證據(jù)和邏輯對他人的觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑和批判，從而逐漸培養(yǎng)學生的批判性思維意識，而非一味地盲從與接受；在如何設計裝置或構(gòu)造，使其能夠防止炮身的反沖或增大火箭的反沖的設想交流中，學生敢于從不同角度思考問題，追求創(chuàng)新.這些活動中學生的思維表現(xiàn)滲透著科學思維中質(zhì)疑創(chuàng)新能力的逐漸發(fā)展.

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