創(chuàng)設(shè)情境 激發(fā)思維 提升素養(yǎng)
——以“反沖運(yùn)動(dòng) 火箭”教學(xué)為例

(廣東省佛山市南海區(qū)桂城中學(xué),廣東 佛山 528200)

1 引言

愛因斯坦說(shuō)過(guò):“如果人們忘掉了他們?cè)趯W(xué)校里所學(xué)到的每一樣?xùn)|西,那么留下來(lái)的就是教育。”物理教學(xué)怎樣才能給學(xué)生留下適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力?這是物理教師應(yīng)當(dāng)思考和探索的課題，筆者以“反沖運(yùn)動(dòng) 火箭”為例,探討如何通過(guò)合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)情境,幫助學(xué)生形成物理觀念

“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí);是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。要幫助學(xué)生形成物理觀念,首先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)恰當(dāng)情境，要注意以下兩方面問題。

(1) 物理情境是聯(lián)系學(xué)生學(xué)習(xí)和物理觀念的橋梁,創(chuàng)設(shè)情境要以學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),貼近學(xué)生的思維發(fā)展水平,基于最近發(fā)展區(qū)尋求新知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)。

如圖1、2所示，在“反沖運(yùn)動(dòng) 火箭”教學(xué)中用小實(shí)驗(yàn)引入。

圖1 氣球小車實(shí)驗(yàn)

圖2 水火箭實(shí)驗(yàn)

給出氣球和玩具小車,提出問題1:如何讓小車運(yùn)動(dòng)起來(lái)?

給出用可樂瓶自制的“火箭”,提出問題2:如何讓“火箭”飛向高空?

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生體驗(yàn)動(dòng)手樂趣,領(lǐng)悟科技奧妙,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)際操作中,學(xué)生往往會(huì)遇到很多困難,經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),最終獲得成功。通過(guò)動(dòng)手體驗(yàn),既可以提高克服困難的信心,又能幫助學(xué)生形成堅(jiān)韌和頑強(qiáng)的品質(zhì),在輕松愉悅的氛圍中完成“動(dòng)手創(chuàng)作”，還會(huì)帶來(lái)成就感,增強(qiáng)自主探索的能力。

(2) 情境要通過(guò)學(xué)生的內(nèi)化與聯(lián)想,才能形成物理觀念。教師提出問題進(jìn)行引導(dǎo),幫助學(xué)生揭開表象、分析問題本質(zhì)。

問題3:兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中分別是誰(shuí)和誰(shuí)之間的相互作用?

問題4:兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中物體的運(yùn)動(dòng)有什么共同點(diǎn)?

學(xué)生分析:小車和其上物體原來(lái)靜止。在內(nèi)力的作用下分離，小車和其上物體運(yùn)動(dòng)方向相反。從而自主得出反沖運(yùn)動(dòng)的概念。

這個(gè)過(guò)程是從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)入手,創(chuàng)造條件,給學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐、自主探索、充分思考的機(jī)會(huì),讓學(xué)生在觀察、思考、分析、歸納的過(guò)程中去理解知識(shí)的形成和發(fā)展過(guò)程,符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn),這樣建構(gòu)的概念是深刻的,是能夠上升到物理觀念的。

3 設(shè)置“問題串”,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程，是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗(yàn)和修正,進(jìn)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(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

具備科學(xué)思維能力是創(chuàng)新時(shí)代的要求,學(xué)生的學(xué)習(xí)是積極主動(dòng)的建構(gòu)過(guò)程,教師要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境,設(shè)置適當(dāng)?shù)膯栴}情境,引起學(xué)生的認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的積極思維。

在學(xué)生學(xué)完反沖運(yùn)動(dòng)的概念后,教師要引導(dǎo)學(xué)生分析得出“相互作用力一般很大,內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力,通常可以用動(dòng)量守恒定律來(lái)處理”,還要進(jìn)行知識(shí)的再發(fā)現(xiàn)、再創(chuàng)造,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力,滲透問題解決的方法教育。

(1) 通過(guò)設(shè)計(jì)學(xué)以致用的問題,推進(jìn)課堂教學(xué),促進(jìn)學(xué)生理解并運(yùn)用科學(xué)方法。

問題5:如圖3所示，一艘小船停在岸邊,船身與岸平行,船上站著一質(zhì)量為m的人,他如何用自帶的卷尺粗略測(cè)出船的質(zhì)量(不計(jì)水的阻力)？

圖3

設(shè)計(jì)意圖:雖然考查的知識(shí)點(diǎn)是“人船模型”,但改變了提問的方式,要求學(xué)生想象情景,能夠具體問題具體分析,而不是生搬硬套模型,這樣可提升學(xué)生的解題能力,為學(xué)生提供了思考的空間,鼓勵(lì)學(xué)生提出創(chuàng)新見解,培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

(2) 用實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生突破認(rèn)識(shí)誤區(qū)。

問題6:在人船模型中,人相對(duì)船停下后，船是否還要運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間才能停下來(lái)?

教師設(shè)計(jì)了“平板小車”實(shí)驗(yàn),在玻璃管上平放玻璃板,在玻璃板上放一輛遙控小車,用遙控器啟動(dòng)小車,同時(shí)看到玻璃板沿相反方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)小車停止運(yùn)動(dòng)時(shí),玻璃板也同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。教師演示之后,還可以讓學(xué)生親自嘗試,眼見為實(shí),更有說(shuō)服力。

(3) 制造愉快的教學(xué)氛圍,延長(zhǎng)黃金教學(xué)時(shí)間。

問題7:如果在劃船時(shí)雙槳意外掉落水中,而乘客又是不習(xí)水性的人,那該用什么辦法回岸呢?

提問的同時(shí)播放“讓我們蕩起雙槳”歌曲，學(xué)生的情緒一下子被調(diào)動(dòng)起來(lái),討論異常熱烈,提出了很多方案,不但得出正確的答案“把船上可以拋掉的東西以盡可能大的速度向后拋出”,加深了對(duì)反沖運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí),而且把課堂氣氛推向了高潮。

設(shè)計(jì)意圖:心理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)：在40分鐘的一節(jié)課上,學(xué)生的注意力隨教師講課時(shí)間的變化而變化。學(xué)生的注意力指標(biāo)數(shù)y隨時(shí)間x的變化規(guī)律如圖4所示。所以在25分鐘時(shí),學(xué)生的注意力開始下降,筆者設(shè)計(jì)了“討論與交流”環(huán)節(jié),并播放了一首大家都很熟悉的歌曲,讓原本消極的時(shí)間又變成了黃金時(shí)間,使學(xué)生高效地完成了整節(jié)課的學(xué)習(xí)。這也符合心理學(xué)的觀點(diǎn):人在快樂中學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)更主動(dòng),接受知識(shí)更快。

圖4

(4) 開發(fā)、利用“易錯(cuò)點(diǎn)資源”,從多角度靈活變換問題形式,提升學(xué)生科學(xué)思維水平。

問題8:船和人的總質(zhì)量為M,人手中拿一質(zhì)量為m的物體,起初船、人、物以共同速度v0前進(jìn)，水的阻力不計(jì)。當(dāng)人相對(duì)于船以速度u向相反方向?qū)⑽矬w拋出后,人和船的速度變?yōu)槎啻?

在問題8提出后，不要求學(xué)生直接計(jì)算,在運(yùn)用動(dòng)量守恒定律時(shí)要遵照“同一性”“同時(shí)性”“矢量性”原則,給出以下三種解法,讓學(xué)生判斷對(duì)錯(cuò)。

解法一:選定船速方向?yàn)檎较?設(shè)物體拋出后船和人的速度為v，由系統(tǒng)動(dòng)量守恒求解，(m+M)v0=Mv+m(-u)。

分析:錯(cuò)誤在于列方程時(shí)沒有注意參照系的同一性。

解法二:選定船速方向?yàn)檎较?設(shè)物體拋出后船和人的速度為v，由系統(tǒng)動(dòng)量守恒求解,(m+M)v0=Mv+m(v0-u)。

分析:錯(cuò)誤在于沒有注意到狀態(tài)的同一性,拋出后物體對(duì)地的速度是v-u,而不是v0-u。

解法三:選定船速方向?yàn)檎较?設(shè)物體拋出后船和人的速度為v，由系統(tǒng)動(dòng)量守恒求解,(m+M)v0=Mv+m(v+u)。

分析:錯(cuò)誤在于沒有注意動(dòng)量的矢量性,選定船速方向?yàn)檎较驎r(shí),u應(yīng)當(dāng)取負(fù)值。

正確解法:選定船速方向?yàn)檎较?設(shè)物體拋出后船和人的速度為v，再由系統(tǒng)動(dòng)量守恒求解,(m+M)v0=Mv+m(v-u)。

實(shí)踐證明,上面的三種解法好像三面鏡子,把學(xué)生自身的問題暴露出來(lái),他們自己完全有糾錯(cuò)的能力。在科學(xué)思維能力的培養(yǎng)中,要從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)精心設(shè)計(jì)好“問題串”,實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的量變,從而實(shí)現(xiàn)將學(xué)生的思維從識(shí)記、模仿等低層次活動(dòng)向分析、綜合等高層次活動(dòng)的質(zhì)的飛躍。

4 利用身邊材料做好物理小實(shí)驗(yàn),創(chuàng)造條件進(jìn)行科學(xué)探究

“科學(xué)探究”是指提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流與合作等要素。

本節(jié)課設(shè)置了分組實(shí)驗(yàn):氣球小車、電吹風(fēng)小車、反擊式水輪機(jī)，演示了平板小車、水火箭實(shí)驗(yàn)。這些都是利用身邊材料所做的物理小實(shí)驗(yàn),整節(jié)課就是以這些科學(xué)探究活動(dòng)為主線串聯(lián)而成的。科學(xué)探究是學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、形成物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度的重要手段和途徑。在物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生利用身邊材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不僅能解決實(shí)驗(yàn)器材的不足問題,動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合,還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、發(fā)散思維能力。

5 激活物理知識(shí),提升學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心，主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE(科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境)等。

(1) 聯(lián)系實(shí)際,理解STSE的關(guān)系。

問題9:你能舉出哪些反沖運(yùn)動(dòng)的實(shí)例?

利用有益的反沖運(yùn)動(dòng)：噴氣式飛機(jī)通過(guò)連續(xù)不斷地向后噴射高速燃?xì)?最快可達(dá)3.5倍音速。反擊式水輪機(jī)是靠水流的反沖作用旋轉(zhuǎn)的,可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

避免有害的反沖運(yùn)動(dòng)：自行榴彈炮后面的止退犁是為了減少火炮的反沖作用,提高命中精度。

(2) 展示科學(xué)家探索自然的心路歷程,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)的形成。

本節(jié)的第二部分“火箭”是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的好素材。介紹從三國(guó)時(shí)期、唐末宋初的火箭到長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭的歷史進(jìn)程,重點(diǎn)介紹長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭研制的艱辛過(guò)程和火箭基本參數(shù),為后面的問題埋下伏筆。展現(xiàn)我國(guó)在航天領(lǐng)域的巨大成就,激發(fā)學(xué)生銳意進(jìn)取、振興中華的使命感,培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。

問題10:火箭飛行的最大速度是由什么因素決定的?

例題:設(shè)靜止的火箭起飛時(shí)在極短的時(shí)間內(nèi)噴射燃?xì)獾馁|(zhì)量為m,噴出的燃?xì)庀鄬?duì)地面的速度為u,噴出燃?xì)夂蠡鸺馁|(zhì)量為M,則火箭噴氣后的速度v?

問題11:如何提高火箭的速度?

拓展延伸:2017年5月5日,我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代大型噴氣式客機(jī)C919在上海浦東機(jī)場(chǎng)首飛成功。

問題12:如何提高噴氣式飛機(jī)的速度?

最后進(jìn)行課堂小結(jié)，此時(shí)學(xué)生特別積極主動(dòng),他們對(duì)反沖運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用體會(huì)深刻,感受物理就在我們身邊,體會(huì)到學(xué)以致用的樂趣,尤其備受航天精神的激勵(lì),科學(xué)態(tài)度和責(zé)任得到了提升。

6 結(jié)語(yǔ)

在物理教學(xué)中,要基于學(xué)生實(shí)際,循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。要善于挖掘教材中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的素材,充分利用身邊材料做好物理小實(shí)驗(yàn),創(chuàng)造條件引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究,多從生活中提煉物理問題，創(chuàng)設(shè)情境,基于學(xué)生思維的最近發(fā)展區(qū)，精心設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的“問題串”,激發(fā)學(xué)生科學(xué)思維,提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。