依托物理綜合實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)高中學(xué)生科技素養(yǎng)

石勇

[摘 要]國(guó)家教育方針指出，學(xué)校要以學(xué)生的全面發(fā)展為本，以提高學(xué)生的科技素養(yǎng)為主要目標(biāo)，使學(xué)生在親身體驗(yàn)和實(shí)踐探究過(guò)程中形成初步的技術(shù)能力。高中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)由于具有極強(qiáng)的開(kāi)放性、實(shí)踐性和綜合性，能夠與科技教育充分融合。文章以2020年5月27日中國(guó)測(cè)量珠穆朗瑪峰（簡(jiǎn)稱(chēng)珠峰）高程為例，從新課程改革的角度闡述通過(guò)物理綜合實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)高中學(xué)生科技素養(yǎng)的途徑和方法。

[關(guān)鍵詞]高中學(xué)生;綜合實(shí)踐活動(dòng);科技素養(yǎng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2022）02-0052-04

一、科技素養(yǎng)的內(nèi)涵

2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)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(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想，同時(shí)關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)參與意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。（2）教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生有效閱讀相關(guān)的科技文獻(xiàn)，拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索科學(xué)問(wèn)題的意識(shí)與能力;教師可指導(dǎo)學(xué)生對(duì)某一科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)的文獻(xiàn)搜索、閱讀與綜述，使學(xué)生初步學(xué)會(huì)利用文獻(xiàn)探索問(wèn)題的研究性學(xué)習(xí)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(xué)生的科技視野，了解科普常識(shí)與科技前沿問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科技素養(yǎng)[1]。

那么，高中學(xué)生應(yīng)該具備什么樣的科技素養(yǎng)呢？高中學(xué)生的科技素養(yǎng)是指學(xué)生了解科學(xué)技術(shù)知識(shí)、掌握基本的科學(xué)方法、擁有科學(xué)思想、具備科學(xué)技術(shù)精神、堅(jiān)持科學(xué)技術(shù)發(fā)展觀，以及應(yīng)用它們處理日常生活、學(xué)習(xí)、工作中相關(guān)問(wèn)題的能力和參與公共事務(wù)的能力。我國(guó)高中學(xué)生科技素養(yǎng)包括科技意識(shí)、科技知識(shí)、科技能力、科技道德等內(nèi)容（如表1）[2]。

二、綜合實(shí)踐活動(dòng)與科技素養(yǎng)的關(guān)系

高中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)主要有下列3個(gè)特征。

（1）活動(dòng)具有物理性，更具有學(xué)科綜合性。活動(dòng)涉及的知識(shí)必須有物理知識(shí)，但不光是物理知識(shí)，可能會(huì)涉及語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、美術(shù)、工程學(xué)等相關(guān)知識(shí)。

（2）活動(dòng)具有實(shí)踐性，更具有可操作性。強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生參與活動(dòng)，讓學(xué)生動(dòng)手，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，忌空洞說(shuō)教，忌用枯燥的課堂教學(xué)代替豐富的實(shí)踐活動(dòng)。

（3）活動(dòng)具有交流性，更具有合作性?；顒?dòng)的本質(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(shí)際緊密相連，特別是當(dāng)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(shí)踐活動(dòng)具有極強(qiáng)的開(kāi)放性、實(shí)踐性和綜合性，因此，依托物理綜合實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)展能有效提升高中學(xué)生的科技素養(yǎng)。

三、利用綜合實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生科技素養(yǎng)的案例

綜合實(shí)踐活動(dòng)非常強(qiáng)調(diào)將課程知識(shí)與生產(chǎn)、生活、科技有機(jī)結(jié)合起來(lái)，力求通過(guò)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生從理論走向?qū)嶋H，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。比如2020年5月，我國(guó)再次對(duì)珠峰的高度進(jìn)行了精確測(cè)量，其中一種方法是通過(guò)使用重力儀測(cè)量重力加速度，進(jìn)而間接測(cè)量海拔高度，顯然該信息顯示了我國(guó)在測(cè)量方面的重大突破。針對(duì)此信息，我們可以沿兩個(gè)途徑開(kāi)展高中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科技素養(yǎng)。

方案設(shè)計(jì)一：設(shè)計(jì)重力儀

活動(dòng)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和實(shí)踐操作能力。

活動(dòng)途徑：方案設(shè)計(jì)、交流評(píng)議、市場(chǎng)調(diào)查、模型制作。

活動(dòng)步驟：

第一階段，方案設(shè)計(jì)。分小組設(shè)計(jì)測(cè)量方案，并根據(jù)原理確定需要的器材，做實(shí)驗(yàn)，測(cè)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)已有知識(shí)，學(xué)生比較容易想到測(cè)量重力加速度常用的5種方案（見(jiàn)表2）。這些方案能有效提升學(xué)生的發(fā)散性思維能力。

第二階段，交流評(píng)議。首先讓每個(gè)小組代表上臺(tái)闡述本組的設(shè)計(jì)方案，并展示本組的測(cè)量結(jié)果;然后分析各個(gè)方案的優(yōu)劣、誤差來(lái)源以及減小誤差的方法;最后提出改進(jìn)措施?？梢詮囊韵聝蓚€(gè)方面思考。

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

（2）從測(cè)量方法上改進(jìn)：a.多次測(cè)量求平均值;b.應(yīng)用逐差法求解;c.應(yīng)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(chǎng)調(diào)查。在現(xiàn)代生活中，為了提高某一物理量的測(cè)量精度，通常采用傳感器。那么，如何設(shè)計(jì)重力儀呢？首先要調(diào)查研究。調(diào)查常用的測(cè)量加速度的方法和原理。

第四階段，模型制作。根據(jù)學(xué)過(guò)的知識(shí)，讓學(xué)生獨(dú)立制作加速度傳感器模型，并展示交流。通過(guò)模型制作活動(dòng)，幫助學(xué)生將理論知識(shí)與生產(chǎn)、生活結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐操作能力。

方案設(shè)計(jì)二：測(cè)量珠峰的高度

活動(dòng)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生將多學(xué)科知識(shí)融合在一起的能力以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

活動(dòng)途徑：理論研究、小組研討、文獻(xiàn)研究、匯報(bào)交流。

活動(dòng)步驟：

第一階段，理論研究。根據(jù)萬(wàn)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(wàn)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=GM（R+h）2]（[R]為地球半徑，[h]為物體距離地球表面的高度）。學(xué)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(cè)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(cè)量方案的可行性。首先，地球本身不是標(biāo)準(zhǔn)球形，而是橢球形，準(zhǔn)確地說(shuō)，是一個(gè)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(shí)際上不一樣。通過(guò)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(wàn)有引力在數(shù)量上并不相等。因此，想通過(guò)重力加速度精確計(jì)算出珠峰的高度，實(shí)際上是很難的。

第三階段，文獻(xiàn)研究。利用課余時(shí)間，讓學(xué)生上網(wǎng)查閱實(shí)際測(cè)量珠峰高度的方法。同時(shí)給學(xué)生提出以下思考題。

思考1.如何定義珠峰的高度（測(cè)量學(xué)上叫高程）？每個(gè)地方的高程方向是否相同？

思考2.測(cè)量高程主要有哪些方法？原理如何？

思考3.歷史上測(cè)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(diǎn)沿鉛垂線方向到基準(zhǔn)面的距離，稱(chēng)高程。我國(guó)現(xiàn)在用的“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”中，采用的是青島驗(yàn)潮站的18年長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果計(jì)算出來(lái)的平均黃海海水面，作為我國(guó)統(tǒng)一的高程起算基準(zhǔn)面，也就是海拔零起始面。珠峰的高程實(shí)際上就是在珠峰的重力線上相對(duì)于青島黃海平均海平面的海拔高度，簡(jiǎn)稱(chēng)“高程”。實(shí)際操作中，經(jīng)過(guò)幾代測(cè)繪人的積累，全國(guó)各地都已經(jīng)測(cè)量了海拔高度已知的基準(zhǔn)點(diǎn)，建立了完善的坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，從這些基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)，測(cè)量就不需要每一次都回到高程起算基準(zhǔn)面從頭測(cè)量。珠峰的測(cè)量就是從位于西藏拉孜的基準(zhǔn)點(diǎn)開(kāi)始的。

在歷史上，有多個(gè)國(guó)家多次采用不同的方法對(duì)珠峰高程進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)表3），也存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)（見(jiàn)表4）。

通過(guò)上述文獻(xiàn)研究，教師要積極引導(dǎo)學(xué)生形成正確的科學(xué)觀。

1.理論在實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中要考慮多種因素的影響?？此圃砗?jiǎn)單的珠峰高程測(cè)量問(wèn)題，真正實(shí)施起來(lái)，并不那么容易，往往要考慮多種因素的影響，比如大地水準(zhǔn)面偏差、重垂線偏差等。“正高”是理論值，不易測(cè)量，通常用“正常高”代替。

2.在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，不僅需要高深的物理知識(shí)（重力場(chǎng)分布）、天文知識(shí)（天文測(cè)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(cè)儀），還需要豐富的地理學(xué)（大地水準(zhǔn)面、似大地水準(zhǔn)面）、數(shù)學(xué)知識(shí)（橢球面、三角測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量）和測(cè)量學(xué)知識(shí)（正高、正常高、大地高概念）。

3.科學(xué)研究來(lái)不得半點(diǎn)虛假，要有實(shí)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(dú)立自主、自強(qiáng)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(xué)生討論以下幾個(gè)問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義和責(zé)任意識(shí)教育。

問(wèn)題1.都21世紀(jì)了，為什么還需要攀登珠峰？

我們知道，GPS只能測(cè)量大地高，無(wú)人探測(cè)機(jī)在珠峰極寒天氣條件下無(wú)法正常飛行，而且雪深探測(cè)儀、重力儀、覘標(biāo)必須有人帶到山頂，這些因素決定了必須有人登頂珠峰。

問(wèn)題2.我國(guó)多次測(cè)量珠峰高程，而且耗資巨大，請(qǐng)問(wèn)意義何在？

珠峰地處中國(guó)與尼泊爾邊境，一直存在主權(quán)糾紛。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，印度對(duì)珠峰的測(cè)量抱有極高的“熱情”，而且多次主導(dǎo)珠峰高程測(cè)量。此次重測(cè)珠峰高程，表明我國(guó)有能力精確測(cè)量自己國(guó)家山峰的高度，同時(shí)也有宣誓主權(quán)的重要意義。

四、歸納總結(jié)

通過(guò)本案例分析表明，物理綜合實(shí)踐活動(dòng)是培育學(xué)生科技素養(yǎng)的重要途徑。物理綜合實(shí)踐活動(dòng)不再局限于課外活動(dòng)范圍，完全可以將課堂教學(xué)內(nèi)容與綜合實(shí)踐活動(dòng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，這樣有利于學(xué)生把物理知識(shí)與生產(chǎn)、生活、科技聯(lián)系起來(lái)，有利于學(xué)生把物理知識(shí)與跨學(xué)科知識(shí)綜合起來(lái)運(yùn)用。以物理綜合實(shí)踐活動(dòng)為切入口，充分激發(fā)學(xué)生的好奇心和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是一種微型創(chuàng)新，具有真實(shí)性和可操作性。對(duì)于如何通過(guò)物理綜合實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的科技素養(yǎng)，本文給出了一個(gè)可操作的方案。綜合實(shí)踐活動(dòng)將是推動(dòng)我國(guó)新課程改革的一門(mén)主要課程。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：74-75.

[2]? 黎剛，曹衛(wèi)真.青少年科技素養(yǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建[J].科技傳播，2015（17）：165-167.

[3]? 常吉慶.歷次珠峰高程測(cè)量情況簡(jiǎn)介[J].測(cè)繪通報(bào)，2005（10）：2-6.

（責(zé)任編輯 易志毅）

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