基于核心素養(yǎng)理念下培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)研究

陳金貴 林炳煌 鄭衛(wèi)峰

關(guān)鍵詞：課堂教學(xué);科學(xué)思維;能力培養(yǎng);超重與失重

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中指出：“科學(xué)思維”是物理核心素養(yǎng)的一個(gè)方面[ 1 ]?！翱茖W(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)律及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;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)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[ 2 ]。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[ 1 ]。筆者以物理魯科版“超重與失重”一節(jié)的教學(xué)研究為例，探討基于問題解決促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的達(dá)成，闡述如何在物理課堂教學(xué)活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力。

1 ?在教學(xué)過程中實(shí)踐學(xué)生“科學(xué)思維”發(fā)展的達(dá)成

1.1 ?問題情境

（1）體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)

教師：（展示實(shí)驗(yàn)器材）在一個(gè)細(xì)細(xì)的紙帶上懸掛了兩個(gè)鉤碼，紙帶沒斷。如果我取走一個(gè)鉤碼，不用剪刀只用一只手，能不能讓鉤碼在豎直方向上運(yùn)動(dòng)將紙帶撕斷呢？

學(xué)生：兩兩一組開始實(shí)驗(yàn)探究。

（2）視頻播放

教師：在一個(gè)電梯里，放有兩個(gè)測(cè)力計(jì)：臺(tái)秤和彈簧測(cè)力計(jì)，將重物靜止放在（懸掛）在測(cè)力計(jì)上。此時(shí)臺(tái)秤和彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)反映了物體的重力。那么，當(dāng)電梯開始運(yùn)行的時(shí)候，示數(shù)會(huì)發(fā)生什么樣的變化呢？由于臺(tái)秤便于觀察，當(dāng)我們?cè)诓シ配浵駮r(shí)，大家注意觀察臺(tái)秤示數(shù)的變化并加以記錄。（播放視頻）

學(xué)生：認(rèn)真觀察并進(jìn)行現(xiàn)象描述。

此教學(xué)環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)了超重和失重現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生回顧已有的牛頓運(yùn)動(dòng)定律知識(shí)，明確視重概念，定義超重與失重現(xiàn)象。

1.2 ?探索規(guī)律

教師：在電梯上升的過程中我們看到了超重現(xiàn)象，也看到了失重現(xiàn)象;在電梯下降的過程中我們同樣也看到了超重現(xiàn)象和失重現(xiàn)象。那么到底在什么情況下會(huì)發(fā)生超重和失重呢？

活動(dòng)1 ? 學(xué)生利用一個(gè)傳感器，用它勾住鉤碼，然后上下移動(dòng)（這相當(dāng)于電梯的上下移動(dòng)）。學(xué)生借助DIS實(shí)驗(yàn)，直觀得到彈力隨時(shí)間變化圖象，如表1填寫表格的前兩列內(nèi)容。綜合分析彈力隨時(shí)間的變化圖象，進(jìn)而進(jìn)行猜想，分析出超重（失重）對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)過程。

為了避免只觀看視頻及教師講授，學(xué)生缺乏探究體驗(yàn)獲取知識(shí)，本設(shè)計(jì)借助DIS學(xué)生實(shí)驗(yàn)，突出了教學(xué)重點(diǎn)（知道超重與失重現(xiàn)象）。學(xué)生科學(xué)思維得以發(fā)展，達(dá)成了學(xué)習(xí)的第一層要求（目標(biāo)為知道超重與失重現(xiàn)象），同時(shí)為第二層要求（目標(biāo)為理解超重與失重現(xiàn)象產(chǎn)生的條件）的學(xué)習(xí)提供了歸納、猜想的依據(jù)。

活動(dòng)2 ? ?教師制作了一個(gè)模擬升降機(jī)，在升降機(jī)里放著兩個(gè)傳感器，一個(gè)力傳感器，下面懸掛一個(gè)重物，在運(yùn)行之后可以記錄彈力隨時(shí)間的變化圖象。另一個(gè)是位移傳感器，它可以幫助我們記錄下位移隨時(shí)間的變化圖象，通過計(jì)算機(jī)處理轉(zhuǎn)變成速度與時(shí)間的變化圖象。也就是通過教師演示DIS實(shí)驗(yàn)，同時(shí)獲得F-t圖像和v-t的圖象，驗(yàn)證學(xué)生的猜想，幫助學(xué)生歸納得出超重（失重）的條件。

本活動(dòng)設(shè)計(jì)是為了突出了教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)——探究超重與失重現(xiàn)象產(chǎn)生的條件。通過獲得F-t圖象和v-t的圖象，引導(dǎo)學(xué)生將這兩圖建立聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)生的猜想，并從中探究超重和失重?？茖W(xué)思維這一學(xué)科核心素養(yǎng)得以體現(xiàn)。

1.3 ?理論分析

教師：我們用DIS模擬實(shí)驗(yàn)的方法找到了產(chǎn)生超重與失重現(xiàn)象的條件。發(fā)現(xiàn)物體在向上加速，向下減速的過程中都出現(xiàn)了超重。那么這兩個(gè)超重現(xiàn)象有什么共同特點(diǎn)呢？

活動(dòng)3 ? ?引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律通過理論上進(jìn)一步探究出現(xiàn)超重與失重現(xiàn)象的原因，填寫表1的后兩列。

以電梯里的重物為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，有

Ⅰ.當(dāng)電梯靜止或做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)_N=G=mg;

Ⅱ.當(dāng)電梯向上加速或向下減速時(shí)，F(xiàn)_N+（-G） =ma，則F_N=m（g +a）>mg，超重;

Ⅲ.當(dāng)電梯向下加速或向上減速時(shí)，G+（-F_N）=ma，則F_N=m（g-a）

總結(jié)：在超重和失重現(xiàn)象中，重力沒變，變的是彈力。

本活動(dòng)是為了落實(shí)教學(xué)目標(biāo)：會(huì)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋超重和失重現(xiàn)象。結(jié)合理論推導(dǎo)，采用理論與實(shí)際聯(lián)系相結(jié)合，學(xué)習(xí)掌握運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析問題的方法，歸納出了結(jié)論。通過理論分析探究，科學(xué)思維這一學(xué)科核心素養(yǎng)又得以展現(xiàn)。

教師：在失重狀態(tài)時(shí)，如果當(dāng)a=g，那么FN應(yīng)該等于多少啊？

學(xué)生：F_N=0。

教師：要讓物體加速度等于重力加速度，怎么做才可以？

學(xué)生：讓物體做自由落體運(yùn)動(dòng)！

活動(dòng)4 ? ?教師操作DIS軟件，通過演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完全失重現(xiàn)象。

本活動(dòng)是為了落實(shí)教學(xué)目標(biāo)：知道完全失重狀態(tài)的特征和條件。從感知和理性兩方面加深學(xué)生對(duì)完全失重概念的認(rèn)知。

1.4 ? 應(yīng)用鞏固

（1）解釋上課伊始的小實(shí)驗(yàn)，教師演示，學(xué)生觀察：第一次緩慢提升紙帶，紙帶沒斷，第二次快速提升紙帶，紙帶斷了，第三次向下做減速運(yùn)動(dòng)，紙帶斷了。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：加速度方向都是豎直向上的，都處于超重狀態(tài)。學(xué)生回答抓住問題的關(guān)鍵點(diǎn)——加速度的方向。判斷超重和失重現(xiàn)象就看在豎直方向上加速度方向，與物體運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)。

（2）將兩本書交疊在一起，叫兩位同學(xué)對(duì)拉，無法拉而分開。教師把這兩本書拋起，輕松地把這兩本書分開。依據(jù)是什么？完全失重。

（3）將一只裝滿水的瓶子，在其瓶底鉆了很多小孔，將瓶蓋擰開可以觀察到水從瓶底漏出。將其自由下落，觀察到水不灑出來。（教師演示，錄像并慢鏡頭播放）

（4）學(xué)生展示：宇航員的超重和失重現(xiàn)象。

教師點(diǎn)評(píng)：航天員為了國(guó)家的發(fā)展，都需要奉獻(xiàn)精神。

此部分是本課的應(yīng)用拓展環(huán)節(jié)，通過對(duì)實(shí)際問題中超重和失重現(xiàn)象的解釋，通過設(shè)計(jì)小實(shí)驗(yàn)觀察失重，鞏固對(duì)概念的認(rèn)識(shí)與學(xué)習(xí)。達(dá)到第三層目標(biāo)要求：能根據(jù)加速度的方向，判別物體的超重或失重[ 3 ]。

2 ?教學(xué)反思與總結(jié)

科學(xué)思維的培養(yǎng)特別依賴于問題情境的創(chuàng)設(shè)，用真實(shí)的物理情境聯(lián)系物理概念規(guī)律，運(yùn)用問題導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)學(xué)生思維，通過問題解決展開學(xué)習(xí)探究，靈活運(yùn)用多種教學(xué)手段，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)就遵循著這些原則，有效創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，通過問題解決展開科學(xué)探究活動(dòng)，培養(yǎng)思維能力以達(dá)成核心素養(yǎng)，從多個(gè)維度來構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 ?概念教學(xué)環(huán)節(jié)清晰

超重失重作為重要的物理概念，本教學(xué)設(shè)計(jì)在概念教學(xué)各環(huán)節(jié)非常流暢，認(rèn)識(shí)概念、形成概念、建立概念、理解概念、應(yīng)用概念，層層遞進(jìn)，這種清晰的邏輯有助于學(xué)生對(duì)概念的理解和掌握。

2.2 ?概念建立科學(xué)有效

本課在概念建立的階段，給出多個(gè)情境，讓學(xué)生感知其存在，以及大致悟出一些共性的東西。在原因分析的階段，將學(xué)生的視線集中收縮在某一簡(jiǎn)單的情境之上（再看錄像），建立物理模型，具體分析。此后再對(duì)其余的各個(gè)現(xiàn)象、情境作類似的分析（應(yīng)用階段）。老師的這種做法非常符合由情境抽象出物理問題，得到規(guī)律性的東西，再應(yīng)用到實(shí)際的思路，思維得以發(fā)展，容易幫助學(xué)生建立新的物理概念。

2.3 ?突出科學(xué)方法教育

在這節(jié)課的教學(xué)中，自始至終從大量的事實(shí)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，用歸納的方法，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象，總結(jié)出產(chǎn)生超重和失重的條件。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析并找到產(chǎn)生超重和失重的原因。最后應(yīng)用超重和失重的知識(shí)分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理論聯(lián)系實(shí)際。在學(xué)生獲取新知識(shí)的過程中，潛移默化地對(duì)學(xué)生進(jìn)行了科學(xué)方法教育。

2.4 ?融合信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)

經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，編制了計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件，將課前學(xué)生拍攝的錄像、現(xiàn)場(chǎng)攝像以及文字和圖片投影到大屏幕上，學(xué)生直接獲取大量的信息。創(chuàng)設(shè)仿真情境，借助多媒體教學(xué)，猶如身臨其境，有利于學(xué)生對(duì)新知識(shí)的建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的高效。

總之，實(shí)施物理核心素養(yǎng)提升的教學(xué)，教師根據(jù)教學(xué)的內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況，遵循教學(xué)規(guī)律，弄清物理課程所蘊(yùn)含的科學(xué)思維和方法，創(chuàng)設(shè)真實(shí)、鮮活的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生從“霧里”走向“物理”，直到“悟理”，體驗(yàn)物理學(xué)研究過程的科學(xué)精神，問題也得到解決，也領(lǐng)悟到物理學(xué)的價(jià)值，有利于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

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