指向?qū)W科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實(shí)證案例研究

摘 要：物理知識的內(nèi)化、科學(xué)思維的形成、創(chuàng)新熱情的激發(fā)、探究實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的基本路徑.以“天問一號”成功發(fā)射為例，結(jié)合教材中典型問題的教學(xué)處理，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透，為教師教學(xué)中學(xué)科核心素養(yǎng)滲透和學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供實(shí)證借鑒.

關(guān)鍵詞：學(xué)科核心素養(yǎng);實(shí)證案例;天問一號

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0047-02

作者簡介：郭樂水（1964-），男，山東淄博人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：物理教育教學(xué)理論、課堂教學(xué)改革與評價.

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1].通過基礎(chǔ)概念辨析深化物理觀念，結(jié)合情境分析提升科學(xué)思維品質(zhì)，針對實(shí)際情境探索激發(fā)科學(xué)探究精神，運(yùn)用科技前沿典型案例培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和社會責(zé)任，是物理學(xué)科教學(xué)的愿望.

2020年“天問一號”火星探測器的成功發(fā)射，為物理教學(xué)中學(xué)科核心素養(yǎng)滲透提供了典范性案例.

1 由“天問一號”結(jié)構(gòu)分析，促進(jìn)學(xué)生物理觀念形成

“天問一號”火箭最上端是火星車整流罩如圖1所示.當(dāng)運(yùn)載火箭在大氣中飛行時，火星車整流罩用于保護(hù)火星車及其它有效載荷，以防止火星車受空氣阻力吹動、摩擦生熱等環(huán)境的影響，它是運(yùn)載火箭的重要組成部分.整流罩的結(jié)構(gòu)盡管極其復(fù)雜，但其前端形狀類似倒扣光滑圓錐曲面.

整流罩外形設(shè)計(jì)有許多準(zhǔn)則，其一是使空氣阻力抖振最小，這樣不僅利于火星車的保護(hù)，而且易控火箭運(yùn)行方向.否則就像一張紙片、一片樹葉從高空飄蕩搖曳落下一樣.其二是減小空氣阻力，從而減少克服空氣阻力做的功，達(dá)到減少攜帶燃料、減輕火箭重量的目的.運(yùn)載火箭在大氣中飛行時，空氣阻力的大小與火箭相對空氣的運(yùn)動速度v有關(guān)，與大氣稀薄程度即空氣密度ρ有關(guān)，與火箭迎風(fēng)面積S有關(guān)，空氣阻力的大小為f=12CρSv2.其中空氣阻力系數(shù)C和火箭整流罩的迎風(fēng)面積、光滑程度及整體形狀有關(guān).

這樣的教學(xué)案例，有利于在實(shí)際問題教學(xué)情境實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生理解分析和探究實(shí)踐能力，升華物理概念，構(gòu)建物理模型，梳理相關(guān)影響因素，從而找到解決問題方法，逐步形成更高層次的物理觀念.

2 由“天問一號”巡天探究，培育學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(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.教學(xué)中要善于運(yùn)用情境分析提升學(xué)生的綜合分析能力、空間想象能力、科學(xué)推理能力、模型建構(gòu)能力，從而健全物理思想，促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展.

2.1 文昌發(fā)射地點(diǎn)有優(yōu)勢

“天問一號”火星探測器在海南文昌發(fā)射場發(fā)射，文昌航天發(fā)射中心是我國距離赤道最近、緯度最低的發(fā)射點(diǎn)（北緯19度19分），因其低緯度區(qū)位優(yōu)勢，能借助接近赤道的較大線速度，以及慣性帶來的離心現(xiàn)象，使火箭燃料消耗大大減少.

海南文昌地球自轉(zhuǎn)線速度v=2πRcosθT（ 其中，R是地球赤道半徑，θ為地理緯度），大約440m/s.借助地球由西向東自轉(zhuǎn)的慣性向東發(fā)射.類似于在高速行駛的列車上，向列車行駛方向的正前方射擊的子彈，子彈相對地面的速度是子彈相對于槍口的速度和列車行駛速度之和.

2.2 天體運(yùn)行的客觀規(guī)律

在太陽系這個“大操場”上，地球和火星分列三、四道，逆時針繞著太陽旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期分別為365天、 687天，推測地球和火星處于最近點(diǎn)的時間間隔約為780天，約26個月.

2020年10月14日呈現(xiàn)“火星沖日”的天文學(xué)現(xiàn)象，火星、地球和太陽三者所處的軌道位置大致在一條直線上，火星和地球的距離相對最近.因地球、火星探測器、火星三者同時在各自的軌道上獨(dú)立運(yùn)動，所以要提前發(fā)射，如圖2所示.如同坐在轉(zhuǎn)盤上對轉(zhuǎn)盤外相對地面靜止目標(biāo)射擊一樣，況且火星還在旋轉(zhuǎn).火星探測器最佳的發(fā)射時機(jī)是“火星沖日”之前兩個月左右.因此我國“天問一號”選擇7月23日發(fā)射.

2.3 巡天原理及艱辛歷程

“天問一號”探測器組合體被直接加速到超過11.2km/s的地球逃逸速度，擺脫地球引力進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，成為繞太陽公轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星.它利用慣性，在太陽、地球、火星三者與火星探測器間的萬有引力共同作用下飛行.期間，經(jīng)歷了多次的軌道修正、軌道機(jī)動、軌道“剎車”.

火星的第一宇宙速度是3.53km/s，“天問一號”進(jìn)入火星大氣層時速度約為4.9km/s.若制動時機(jī)把握不當(dāng)，要么會因速度過快與火星擦肩而過;要么會因速度過慢墜毀在火星上.“天問一號”在接近火星的時候，抓住時機(jī)制動，完美“剎車”降速，成為火星的一顆人造衛(wèi)星，其軌道為近火點(diǎn)高度約400km、遠(yuǎn)火點(diǎn)高度約180000km、周期約10個地球日的橢圓軌道.隨后調(diào)整進(jìn)入火星極地軌道，再“剎車”進(jìn)入停泊軌道，開啟了為期3個月的環(huán)繞勘測.

“天問一號”的發(fā)射，充分利用了地球自轉(zhuǎn)慣性線速度和萬有引力作用，既縮短了飛行歷程，又節(jié)省了更多的燃料攜帶.以及在“天問一號”即將到達(dá)火星時的完美“剎車”被火星捕獲等情境中，引導(dǎo)學(xué)生提升構(gòu)建模型、科學(xué)推理、科學(xué)思維的能力.

3 由“天問一號”火星繞落，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、處理信息并得出結(jié)論.教學(xué)中開展借“天問一號”測火星質(zhì)量、模擬著陸器著陸實(shí)驗(yàn)等科學(xué)探究活動.同時，利用“天問一號”的發(fā)射激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和社會責(zé)任感.

3.1 “天問一號”繞火星運(yùn)動測火星質(zhì)量

“天問一號”探測器停泊軌道周期約2個火星日 （一個火星日平均時長是24小時39分）.將停泊軌道視為圓軌道，由GmMr2=m2πT2r可得火星的質(zhì)量M.其中，G是萬有引力常數(shù)，T是“天問一號”停泊軌道周期，r是軌道半徑.

3.2 模擬著陸器避障懸停探究反推力

“天問一號”著陸器和火星車的總重約1.3噸，在著陸時探測器會進(jìn)行避障懸停，這時發(fā)動機(jī)向下噴火以獲得反推力如圖3.避障懸停簡化為平衡靜止?fàn)顟B(tài)，由受力分析可知，反推力F等于著陸器和火星車的總重力mg，即F=mg（其中m=1300kg，g是火星表面的重力加速度）.火星的直徑約是地球直徑的12，火星的質(zhì)量約是地球質(zhì)量的19，由萬有引力GmMR2=mg，可得火星表面的重力加速度g火=49g地，從而得反推力F.

4 結(jié)束語

“天問一號”的成功發(fā)射對中學(xué)生來說，看似遙不可及，沒有任何關(guān)聯(lián)，實(shí)則與中學(xué)物理教學(xué)息息相關(guān)，其一系列的工作原理與高中物理知識教學(xué)有著密切的聯(lián)系，是高中物理知識的延伸與應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]曹寶龍.課堂教學(xué)中落實(shí)物理學(xué)科素養(yǎng)的關(guān)鍵問題[J].中學(xué)物理，2019，37（17）：9-12.

[3]晉文梅.高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J].中學(xué)物理，2018，36（19）：35-38.

（收稿日期：2021-04-25）