依托物理綜合實踐活動培養(yǎng)高中學生科技素養(yǎng)
——以2020年5月中國測量珠峰高程為例

重慶市涪陵實驗中學校（408000） 石 勇

一、科技素養(yǎng)的內(nèi)涵

2017 年版課程標準指出：（1）高中物理課程在內(nèi)容上注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當代科學技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學思想，同時關(guān)注物理學的技術(shù)應用帶來的社會問題，培養(yǎng)學生的社會參與意識和社會責任感。（2）教師應指導學生有效閱讀相關(guān)的科技文獻，拓展學生的知識面，激發(fā)學生的學習熱情，培養(yǎng)學生主動探索科學問題的意識與能力；教師可指導學生對某一科學問題進行相關(guān)的文獻搜索、閱讀與綜述，使學生初步學會利用文獻探索問題的研究性學習方法。（3）要充分挖掘科技影視片的教育功能，利用科技影視片拓寬學生的科技視野，了解科普常識與科技前沿問題，培養(yǎng)學生的科技素養(yǎng)［1］。

那么，高中學生應該具備什么樣的科技素養(yǎng)呢？高中學生的科技素養(yǎng)是指學生了解科學技術(shù)知識、掌握基本的科學方法、擁有科學思想、具備科學技術(shù)精神、堅持科學技術(shù)發(fā)展觀，以及應用它們處理日常生活、學習、工作中相關(guān)問題的能力和參與公共事務的能力。我國高中學生科技素養(yǎng)包括科技意識、科技知識、科技能力、科技道德等內(nèi)容（如表1）［2］。

表1 高中學生科技素養(yǎng)內(nèi)涵

續(xù)表

二、綜合實踐活動與科技素養(yǎng)的關(guān)系

高中物理綜合實踐活動主要有下列3個特征。

（1）活動具有物理性，更具有學科綜合性?；顒由婕暗闹R必須有物理知識，但不光是物理知識，可能會涉及語文、數(shù)學、信息技術(shù)、美術(shù)、工程學等相關(guān)知識。

（2）活動具有實踐性，更具有可操作性。強調(diào)讓學生參與活動，讓學生動手，讓學生親身體驗，忌空洞說教，忌用枯燥的課堂教學代替豐富的實踐活動。

（3）活動具有交流性，更具有合作性?；顒拥谋举|(zhì)是交流，交流是思維的碰撞，是創(chuàng)新的源泉。交流不是思想的分歧，而是思想的分享和融合。

由于物理本身與生產(chǎn)、生活實際緊密相連，特別是當今世界格局下，高科技產(chǎn)品更需要物理技術(shù)支持。加之，物理綜合實踐活動具有極強的開放性、實踐性和綜合性，因此，依托物理綜合實踐活動的開展能有效提升高中學生的科技素養(yǎng)。

三、利用綜合實踐活動培養(yǎng)學生科技素養(yǎng)的案例

綜合實踐活動非常強調(diào)將課程知識與生產(chǎn)、生活、科技有機結(jié)合起來，力求通過真實的情境，引導學生從理論走向?qū)嶋H，提高學生分析問題和解決問題的能力。比如2020年5月，我國再次對珠峰的高度進行了精確測量，其中一種方法是通過使用重力儀測量重力加速度，進而間接測量海拔高度，顯然該信息顯示了我國在測量方面的重大突破。針對此信息，我們可以沿兩個途徑開展高中物理綜合實踐活動，培養(yǎng)學生的科技素養(yǎng)。

方案設(shè)計一：設(shè)計重力儀

活動目標：培養(yǎng)學生的科學探究能力和實踐操作能力。

活動途徑：方案設(shè)計、交流評議、市場調(diào)查、模型制作。

活動步驟：

第一階段，方案設(shè)計。分小組設(shè)計測量方案，并根據(jù)原理確定需要的器材，做實驗，測出相應的數(shù)據(jù)。一般來說，通過已有知識，學生比較容易想到測量重力加速度常用的5種方案（見表2）。這些方案能有效提升學生的發(fā)散性思維能力。

表2 測量重力加速度的常用方法

第二階段，交流評議。首先讓每個小組代表上臺闡述本組的設(shè)計方案，并展示本組的測量結(jié)果；然后分析各個方案的優(yōu)劣、誤差來源以及減小誤差的方法；最后提出改進措施。可以從以下兩個方面思考。

（1）從測量工具上改進：a.改用精密度更高的游標卡尺測量紙帶上兩點之間的距離；b.改用拉力傳感器測量物體重力；c.利用拉力傳感器或電壓傳感器測量單擺周期。

（2）從測量方法上改進：a.多次測量求平均值；b.應用逐差法求解；c.應用圖像法求解，如分別作h-t2圖像、v-t圖像、T2-L圖像，然后利用斜率即可求得重力加速度。

第三階段，市場調(diào)查。在現(xiàn)代生活中，為了提高某一物理量的測量精度，通常采用傳感器。那么，如何設(shè)計重力儀呢？首先要調(diào)查研究。調(diào)查常用的測量加速度的方法和原理。

第四階段，模型制作。根據(jù)學過的知識，讓學生獨立制作加速度傳感器模型，并展示交流。通過模型制作活動，幫助學生將理論知識與生產(chǎn)、生活結(jié)合起來，提高學生的動手能力和實踐操作能力。

方案設(shè)計二：測量珠峰的高度

活動目標：培養(yǎng)學生將多學科知識融合在一起的能力以及科學態(tài)度與責任感。

活動途徑：理論研究、小組研討、文獻研究、匯報交流。

活動步驟：

第一階段，理論研究。根據(jù)萬有引力定律，在不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，以及把地球視為質(zhì)量均勻分布的理想化球形的情況下，可知物體受到的萬有引力等于物體的重力。根據(jù)此理論，重力加速度與物體離地心的距離的二次方成反比，即g=（R為地球半徑，h為物體距離地球表面的高度）。學生比較容易從理論上得知，在已知地球質(zhì)量和半徑的前提條件下，只要測定珠峰山頂?shù)闹亓铀俣燃纯伞?/p>

第二階段，小組研討。讓小組探討上述測量方案的可行性。首先，地球本身不是標準球形，而是橢球形，準確地說，是一個兩極稍扁、赤道略鼓的扁球形。地球上不同的地方，地球半徑實際上不一樣。通過網(wǎng)絡(luò)搜索可知，地球半徑最小值約為6357 km，最大值約為6378 km。其次，由于地球自轉(zhuǎn)的影響，除南北兩極外，物體的重力與其受到的萬有引力在數(shù)量上并不相等。因此，想通過重力加速度精確計算出珠峰的高度，實際上是很難的。

第三階段，文獻研究。利用課余時間，讓學生上網(wǎng)查閱實際測量珠峰高度的方法。同時給學生提出以下思考題。

思考1.如何定義珠峰的高度（測量學上叫高程）？每個地方的高程方向是否相同？

思考2.測量高程主要有哪些方法？原理如何？

思考3.歷史上測量的珠峰高程數(shù)值如何？

經(jīng)查閱，關(guān)于高程的定義，是這樣規(guī)定的：某點沿鉛垂線方向到基準面的距離，稱高程。我國現(xiàn)在用的“1985 國家高程基準”中，采用的是青島驗潮站的18 年長期觀測結(jié)果計算出來的平均黃海海水面，作為我國統(tǒng)一的高程起算基準面，也就是海拔零起始面。珠峰的高程實際上就是在珠峰的重力線上相對于青島黃海平均海平面的海拔高度，簡稱“高程”。實際操作中，經(jīng)過幾代測繪人的積累，全國各地都已經(jīng)測量了海拔高度已知的基準點，建立了完善的坐標網(wǎng)絡(luò)，從這些基準點出發(fā)，測量就不需要每一次都回到高程起算基準面從頭測量。珠峰的測量就是從位于西藏拉孜的基準點開始的。

在歷史上，有多個國家多次采用不同的方法對珠峰高程進行測量（見表3），也存在不同的優(yōu)缺點（見表4）。

表3 不同國家測量珠峰高程的方法比較［3］

表4 珠峰高程測量方法的優(yōu)缺點

通過上述文獻研究，教師要積極引導學生形成正確的科學觀。

1.理論在實踐運用過程中要考慮多種因素的影響?？此圃砗唵蔚闹榉甯叱虦y量問題，真正實施起來，并不那么容易，往往要考慮多種因素的影響，比如大地水準面偏差、重垂線偏差等?！罢摺笔抢碚撝?，不易測量，通常用“正常高”代替。

2.在解決實際問題的過程中，不僅需要高深的物理知識（重力場分布）、天文知識（天文測量經(jīng)緯度）以及精密的設(shè)施設(shè)備（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、重力儀、雪深探測儀），還需要豐富的地理學（大地水準面、似大地水準面）、數(shù)學知識（橢球面、三角測量、水準測量）和測量學知識（正高、正常高、大地高概念）。

3.科學研究來不得半點虛假，要有實事求是的精神，要有刻苦鉆研、勇攀高峰的精神，要有敢于質(zhì)疑、敢于打破“權(quán)威”的勇氣，更要有獨立自主、自強不息的精神。

第四階段，小組交流。根據(jù)收集的材料，可組織學生討論以下幾個問題，加強對學生進行愛國主義和責任意識教育。

問題1.都21世紀了，為什么還需要攀登珠峰？

我們知道，GPS 只能測量大地高，無人探測機在珠峰極寒天氣條件下無法正常飛行，而且雪深探測儀、重力儀、覘標必須有人帶到山頂，這些因素決定了必須有人登頂珠峰。

問題2.我國多次測量珠峰高程，而且耗資巨大，請問意義何在？

珠峰地處中國與尼泊爾邊境，一直存在主權(quán)糾紛。在相當長的一段時間內(nèi)，印度對珠峰的測量抱有極高的“熱情”，而且多次主導珠峰高程測量。此次重測珠峰高程，表明我國有能力精確測量自己國家山峰的高度，同時也有宣誓主權(quán)的重要意義。

四、歸納總結(jié)

通過本案例分析表明，物理綜合實踐活動是培育學生科技素養(yǎng)的重要途徑。物理綜合實踐活動不再局限于課外活動范圍，完全可以將課堂教學內(nèi)容與綜合實踐活動有機結(jié)合起來，這樣有利于學生把物理知識與生產(chǎn)、生活、科技聯(lián)系起來，有利于學生把物理知識與跨學科知識綜合起來運用。以物理綜合實踐活動為切入口，充分激發(fā)學生的好奇心和調(diào)動學生的學習積極性，是一種微型創(chuàng)新，具有真實性和可操作性。對于如何通過物理綜合實踐活動培養(yǎng)學生的科技素養(yǎng)，本文給出了一個可操作的方案。綜合實踐活動將是推動我國新課程改革的一門主要課程。