通過科學地設(shè)置問題培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的教學探究

閆鑫

摘 要：只有創(chuàng)設(shè)問題情境，科學地設(shè)置問題，讓整個教學過程圍繞設(shè)計的問題來展開，激發(fā)學生的探究欲望，引導學生積極參與課堂學習的全過程，培養(yǎng)學生猜想、假設(shè)、實驗探究、創(chuàng)新等思維能力，才能有效地培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學思維;實驗探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-11-12 文章編號：1674-120X（2020）16-0092-02

物理學的發(fā)展始于發(fā)現(xiàn)問題，這些問題給人們提供了學習、猜想、假設(shè)、實驗、創(chuàng)新的思維空間。在教學過程中，教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境，科學地設(shè)置問題，來激發(fā)學生的探究欲望，促進學生運用已有的知識和方法主動地建構(gòu)探究途徑，從而提高學生的認知水平，培養(yǎng)學生嚴密的科學思維、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，提升其物理學科核心素養(yǎng)。

一、豐富學生的物理觀念

物理觀念包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、規(guī)律應用、能量觀念等要素。教師應引導學生通過觀察現(xiàn)象、分析規(guī)律等方式形成物理觀念。但是學生具有個體差異性以及認識問題的局限性，這時候教師就要思考如何創(chuàng)設(shè)問題情境以及科學地設(shè)置問題。

案例：探究曲線運動速度的方向。

現(xiàn)象演示：將陀螺放在一張白紙上，讓其高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中在陀螺上面滴幾滴紅墨水，觀察白紙上紅墨水被陀螺甩出的軌跡。

播放視頻：觀察砂輪打磨下來的熾熱微粒的運動軌跡、雨傘轉(zhuǎn)動時雨傘上水滴飛行的軌跡。

提出問題：物體做曲線運動時，速度方向有哪些特點？

生：物體做圓周運動時，速度沿軌跡的切線方向。

師：圓周運動是特殊的曲線運動，速度沿切線方向，那么一般的曲線運動都是這樣的嗎？

生：不確定。

師：同學們回答得很好，我們在任何情況下都不能以特殊的事例就得出普遍的規(guī)律。那么一般的曲線運動中速度方向又如何呢？

實驗探究：在小鋼球外面包一層薄薄的脫脂棉，在紅墨水里浸泡一下（注意不要太濃），放在一張白紙上，給其初速度，然后選用磁性較強的磁鐵控制小球沿任意曲線快速運動，觀察其在白紙上留下的痕跡，如圖1所示。

結(jié)論：物體做曲線運動時在任一時刻速度的方向沿軌跡的切線方向。

構(gòu)建微元模型：圖2中的B點逐漸靠近A點，AB與AF無限接近，說明了什么問題？

問題拓展：這些問題都是從宏觀現(xiàn)象中提取的，那么在微觀現(xiàn)象中成立嗎？

通過猜想、觀察、探究、理論分析，激發(fā)學生的學習興趣，促進學生對物理概念、規(guī)律的認識與理解，在潛移默化的認知過程中不斷積累對物質(zhì)的性質(zhì)、相互作用、規(guī)律、能量的認知能力，逐漸形成更高層次的物理觀念（如量子觀）。

二、提高學生的科學探究能力

學生最大的學習障礙是提不出問題，教師要提出問題或幫助學生提出問題，以積極的態(tài)度為學生創(chuàng)設(shè)一個良好的探究環(huán)境，激發(fā)學生探究的動機，再啟發(fā)學生通過實驗探究、理論分析，尋找證據(jù)，鼓勵同學之間進行合作、交流，用物理語言做出定性解釋和定量分析與計算。

教師提出的問題一定要符合學生的認知能力，如果超越學生的認知能力，那么提出的問題可以說是無效問題;相反，如果所提出的問題符合中學生的認知能力，就會激發(fā)學生的學習熱情與探究欲望。

案例：我國高鐵技術(shù)近幾年發(fā)展特別得快，請學生根據(jù)自己外出旅游的親身體驗以及所學圓周運動知識，對火車安全轉(zhuǎn)彎的速度做出理論分析與計算。

（一）火車轉(zhuǎn)彎時安全速度的理論分析

提出問題：火車轉(zhuǎn)彎時路面傾斜，如果火車的速度符合鐵路設(shè)計要求，向心力由哪些力提供？畫出受力圖，并表示向心力F。

引導學生相互交流、討論，先試著畫出受力圖，然后給學生板書、交流的機會，把自己思考的結(jié)論展示到黑板上（圖3），關(guān)鍵在于把向心力畫到沿斜面方向上了。

（二）火車轉(zhuǎn)彎時安全速度的理論計算

展示問題：設(shè)一列質(zhì)量為m的火車在傾角為θ、軌道半徑為r的彎道上安全行駛，此時火車速度多大？

學生活動：交流、討論，展示計算結(jié)果ν=。

定性分析：在彎道半徑為r與傾角為θ確定的情況下，速度滿足上述條件，火車行駛最安全。

（三）火車提速帶來的實際問題以及解決的辦法

設(shè)問：（1）假如你是火車司機，如果火車仍在原來修建的鐵路上運行，但提速了，那么轉(zhuǎn)彎處你該怎么做？

（2）假如你是鐵路的設(shè)計工程師，火車提速，你在設(shè)計鐵路彎道時該怎么做？

三、提高學生的科學思維能力

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的主要組成部分，是教學中的一個關(guān)鍵性要素，因此，教師在教學中要突出培養(yǎng)學生思考問題的方法和能力。正如斯金納說的“當我們將學過的東西忘得一干二凈時，最后剩下來的，就是教育的本質(zhì)了”。這里的本質(zhì)就是在教學過程中借助于概念、規(guī)律以及生活經(jīng)驗，逐步引導學生學會模型構(gòu)建、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學思維方法與能力。

案例：探究太陽與行星間的引力。

問題1：太陽對行星的引力F跟行星到太陽的距離r有什么關(guān)系？

（1）假設(shè)行星繞太陽做勻速圓周運動，行星的質(zhì)量為m，速度為v，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力是多少？

（2）從天文觀察中可以直接得到行星運動的速度v還是行星公轉(zhuǎn)的周期T？它們之間的關(guān)系如何？

結(jié)論：F=m? ① ;T=? ② ;F=③

（3）不同行星的公轉(zhuǎn)周期相同嗎？如果不同，如何找到共性？

根據(jù)開普勒第三定律，=K? ④

化簡③④兩式可知，F(xiàn)=4π2K⑤

（4）對所有行星而言，K是常數(shù)，向心力F與行星的質(zhì)量m、半徑r之間存在怎樣的關(guān)系？

從上面⑤式可以看出，F(xiàn)∝ ⑥

定性結(jié)論：太陽對不同行星的引力，與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比。

問題2：行星對太陽的引力

根據(jù)力的相互作用規(guī)律，太陽對行星存在作用力，那么行星對太陽也必然存在作用力，行星對太陽的作用力遵循怎樣的規(guī)律？

定性結(jié)論：不同行星對太陽的引力，與太陽的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比，即F∝ ⑦

問題3：太陽與行星之間的相互作用力

結(jié)合⑥⑦兩式可以得出：F∝⑧

如果寫成等式：F=G⑨

問題4：上述結(jié)論在月地之間是否成立？

設(shè)月球的軌道半徑為r，地球的半徑為R，r=60R

（1）物體在月球軌道上受到的引力F1與物體在地球表面附近受到的作用力F2之間的關(guān)系如何？

如果等式⑨在月地之間成立，則F1=F2

由F=ma可知，物體在月球軌道上運動的加速度a1，物體在地球表面附近下落的加速度a2，則a1=a2

（2）請學生查找數(shù)據(jù)，月球的軌道半徑為r，月球的公轉(zhuǎn)周期為T，月球公轉(zhuǎn)的向心加速度是多少？

查找結(jié)果：r=384000km，T=27.3天，因此a1==0.029m/s2

（3）物體在地球表面附近下落的加速度a2大約是10m/s2，試比較a1和a2的大小關(guān)系。

a2=0.028m/s2，即a1≈a2

（4）問題4的論述說明了什么？

說明行星與太陽之間的相互作用規(guī)律在月地之間也是成立的，也進一步說明自然界的不同物體之間的相互作用規(guī)律是相同的，即萬有引力。

四、培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任

主要以教材中的“科學漫步與科學足跡欄目”為素材，引導學生多讀物理學史，感受物理學史中涵蓋的哲學思想、科學本質(zhì)，使學生形成一定的方法論和認識論;讓學生體會科學家對待科學的態(tài)度和高度的社會責任感，培養(yǎng)學生積極向上和致力科學研究的科學態(tài)度與責任。

案例：探究從對原子結(jié)構(gòu)的認識到對核能研究與合理利用的過程。

問題1：人們對原子結(jié)構(gòu)的認識經(jīng)過了幾個階段？

問題2：請同學們談?wù)剬四艿恼J識。

問題3：請同學們談?wù)勎覈皩椫浮卞X學森和“兩彈元勛”鄧稼先對我國國防事業(yè)的貢獻。

通過對上述問題的探討、思考與研究，引導學生體會科學家從研究原子結(jié)構(gòu)到研究核能及合理利用核能的漫長過程中所付出的艱辛努力、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和高度的社會責任感，培養(yǎng)學生正確對待科學的態(tài)度與責任。

參考文獻：

[1]吳妙燕.學科核心素養(yǎng)在高中物理實驗教學中落實的有效途徑[J].高考，2018（22）：32-33.

[2]時春華.文化視野下高中物理的教學策略及思考[J]. 中學物理教學參考，2013（3）：2-7.