核心素養理念下培養學生科學思維的教學研究

摘 要：本研究以人教版選修3-5《反沖運動 火箭》的教學為例，闡述基于培養與發展學生物理核心素養的旨向，如何在教學設計與課堂教學活動中滲透與實踐學生科學思維的發展.

關鍵詞：科學思維；課堂教學；反沖運動

作者簡介：朱寧寧（1989-），女，北京人，碩士，中學二級教師，研究方向：中學物理學科教學.

當代教育變革的主題是促進學生核心素養的發展.物理學科核心素養是學生在接受物理教育過程中逐漸形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學系內化的帶有物理學科特性的品質，是學生物理學科核心素養的關鍵成分.物理學科核心素養主要有“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態度與責任”等四個要素構成. “科學思維”是從科學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識，是分析綜合、抽象概括、推理論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對他人觀點和結論進行質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質.主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.本文以《反沖運動 火箭》一節的教學研究為例，探討基于核心素養理念，如何在物理課堂教學活動中促進學生科學思維的發展.

1 教學過程與培養學生科學思維的體現

1.1 觀察現象與提出問題

通過觀察“氣球運動”、“盛水容器轉動”實驗及生活中的一些類似現象，分析這些現象的共同特點，既激發與調動了學生參與課堂研究的積極性，同時滲透著培養學生觀察、分析、歸納、概括等能力，有助于逐步培養科學推理等思維能力.

1.2 概括特點與探索規律

1.2.1 概括特點

教師：（引導思考與交流）以上現象中物體的運動都有什么共同特點？

學生通過對多種相似現象的剖析、歸納與交流討論，能夠總結出這些現象都具有“系統分離出一部分物體后，剩下的另一部分物體向反方向運動”的特點.

教師：（概括）物理學把具有這一特點的現象叫做反沖，既“物體在內力的作用下分離出一部分物體，另一部分物體朝反方向運動.”

在基于現象歸納特點的環節，留給學生充足的時間展開分析與討論，進行激烈的思維碰撞與交流活動.這一教學活動的安排，既遵循與體現了學生探究與獲取知識的主動性；又指向了培養學生分析歸納大量現象的共性，有助于分析綜合、抽象概括等思維的發展.

1.2.2 探索規律

教師：（引導思考）大量相同的現象背后一般可能蘊藏著一定的規律.那么，反沖現象蘊含著怎樣的物理規律呢？

學生展開激烈的討論交流，討論范圍涉及牛頓運動規律角度、能量角度、動量角度等.在此基礎上，教師適當引導，同時提出引導性問題.

教師：（問題引導）為什么靜止的物體噴出一部分物體后，另一部分物體會獲得反方向的速度呢？

學生再次陷入討論，發現用動量守恒的觀點解釋各系統中所涉及的反沖現象時，所有的問題均迎刃而解，思路清晰.最終總結得出所有的反沖現象均滿足系統動量守恒定律.

在探索規律的過程中，同樣安排留給學生充足的時間進行分析討論、剖析論證等思維活動的開展.這一教學過程的設計，有以下三處突出優勢：一是遵循了物理規律獲得的一般過程，學生基于大量現象共性的探究而得出規律；二是學生在推理與論證過程中嘗試從多種角度分析問題，最終通過解釋論證了從動量的角度分析物體間的相互作用，有助于學生逐漸形成與豐富對物質的相互作用觀的認識，從而有助于學生物理觀念的形成；三是學生通過反沖現象蘊含規律的分析推理、觀點交流的過程，有助于逐步培養科學推理、解釋論證等科學思維能力，達成了在教學過程中潛移默化地促進學生科學思維培養的核心素養目標.

1.3 規律應用與問題論證

情景1：演示實驗——自制教具“大炮的發射”（圖4）

教師：發射“炮彈”時，炮身為什么會后退？（學生容易分析得出，炮身由于反沖而會獲得向后運動的速度，故而后退.）

教師：（追問）炮身的反沖可能與什么因素有關？如何求炮身獲得的反沖速度？

學生在分析交流中，涉及到可能影響反沖后退速度與后退距離大小的多種因素，基于這些影響因素，學生難以準確分析“如何求炮身獲得的反沖速度”.

教師：（引導）當我們要面對與研究實際生活情境中的問題時，會有多種因素影響著我們的研究.通常情況下，首先我們要對生活中的物理問題進行忽略次要因素，考慮主要因素，既進行抽象簡化，創設圍繞主要因素的物理情境，將生活問題轉換成物理問題.既建立物理模型的過程.

帶領學生抽象簡化情境，建立動量守恒定律的物理模型：“一門大炮，炮身質量為M，炮彈質量為m.炮彈水平射出時相對于地面的速度為v0，不計炮車與地面的摩擦，求炮身向后反沖的速度v.”

學生在規范作答的情況下，能夠基于炮身與炮彈的系統動量守恒，推導得出“炮身速度v=-m v0/M”.

教師：基于結果分析，如何能夠減小反沖對大炮的影響？

學生根據炮身速度v=-m v0/M，很容易分析論證：減小炮彈的質量，增大炮身的質量均能減小發射炮彈時反沖對大炮的影響.

教師：（聯系實際）有誰了解當前在軍事科技上控制或預防反沖對大炮影響的措施？

學生基于自己的課外了解情況，展開介紹與解釋.同時教師展示當前大炮預防反沖措施的圖片（圖5），包括縮頭炮以及設計液壓緩沖器、止退犁、履帶等方式，一方面驗證學生的猜想，另一方面拓展學生學習的廣度.

這一教學情境的設計與教學過程的開展，實現了對學生剛剛獲得的物理概念和規律的實踐應用；同時關注了對學生進行STSE教育，體現了從生活走向物理、從物理走向生活；又在潛移默化中促進了學生科學思維能力的發展，包括培養創設物理情境與建立物理模型的意識、基于證據對問題進行分析解釋、推理論證的能力.endprint

情景2：演示實驗——自制教具“水火箭”（圖6）

教師：（引導學生觀察）水火箭是如何飛出去的？

航天科技中的火箭又是如何飛上天的呢？（聯系科技播放我國火箭發射升空的視頻）

教師：火箭的發射與水火箭是否相似？

教師：（追問）火箭的速度可能與哪些因素有關？

教師：（追問）你認為火箭的飛行滿足什么規律？其飛行的工作原理是什么？

教師：（追問）如何求火箭獲得的速度？

追問的設計，為學生思考與分析火箭速度問題搭設了思維臺階，引導學生對現象進行比較、分析，對問題進行解釋、預測等.這樣一來，學生比較容易分析出，火箭的發射與飛行是一種反沖運動，火箭的工作原理就是動量守恒定律，從而能夠預測猜想影響火箭速度的可能因素.最后的問題“如何求火箭獲得的速度？”指向引導學生再次建立模型，運用規律進行推理論證.

引導學生結合實際情況，將火箭升空的過程抽象簡化，建立符合題意的物理模型如下：“火箭噴氣前的總質量是M，假設火箭準備起飛時在極短時間內噴出燃氣后，其質量變為m，噴出燃氣的速度相對于地面是u，計算火箭在噴氣后增加的速度△v.”

為方便學生較好地理解火箭獲得速度的過程，本情境選取為火箭準備起飛的過程，參考系選取為地面，且設計了如表2所示的表格，以有助于學生的思維分析.

學生基于表格的填寫與運算，能用動量守恒定律求出火箭增加的速度表達式，并且根據結果，能夠分析得出，影響火箭速度的因素有兩個：Mm和u.

教師：總結火箭速度影響因素有噴氣速度u和火箭質量比Mm.

教師：根據研究結果和你的了解，現代科技上采取什么措施能夠提高火箭的速度？

（學生交流）

教師：（播放嫦娥一號發射的模擬視頻）觀看視頻，驗證與總結提高火箭速度的措施.

學生觀看視頻，能在引導下總結出當前處理方法：一是火箭尾部捆綁助推器，增加噴出燃氣的量；二是設計多級火箭（圖7），燃料燃燒后拋掉空的燃料箱，增加質量比.

教師：論證為什么多級火箭能夠提高最終速度？

引導學生分析論證“假設有兩枚火箭（總質量、所裝推進劑的量均保持一樣）第一枚是單級火箭，發射質量是2t，其中推進劑1.5t；第二枚為二級火箭，各重1t，每級均裝有0.75t的推進劑.”但后者的火箭質量比是前者的2倍（8∶4），所以，分級火箭有利于提高火箭的最終速度.

同時說明級數過多會影響火箭的整體強度，并有復雜的技術問題.一般常用兩級或三級火箭發射運載人造地球衛星.從而介紹多級火箭的構造與用途，以及我國具有不同運載能力的長征系列運載火箭的不同用途，介紹我國火箭研究、航空航天事業的發展歷程與成果，以進一步拓展學生的知識廣度.

這一教學情境的設計與教學過程的開展，既是對反沖現象概念和規律的再次深化應用，更是對學生科學思維的進一步培養.該環節再次讓學生主動經歷了物理模型建構的過程，經歷了基于推理論證進行預測與解釋現象的過程.

綜合而看，“規律應用與問題論證”這一教學過程的設計與實踐，達到了以下三點目標：

（1）學生在觀察實驗、分析解決問題的過程中，體現了對物理概念與規律的學以致用；同時結合當前軍事及航天科技上的發展，體會物理規律在科技上的體現和實用性.

（2）反沖的防止與應用，一反一正兩個案例的教學對比，無形中滲透給學生反沖現象有利有弊，學會一分為二的看問題，使分析問題時思維有所突破.

（3）學生經歷抽象建立物理規律模型，基于分析推理解釋反沖的防止或利用現象，利用結論依據論證如何防止或利用反沖問題等過程，逐漸滲透著對學生科學思維的培養.

2 教學反思與總結

本節課的教學設計與課堂教學過程，一直秉持以下三點原則：（1）用實驗創設情境；（2）以問題驅動思維；（3）在觀察、討論、解釋、論證等學生活動中培養思維能力.基于此，逐步滲透與實現學生物理學科核心素養各要素的培養與發展.

科學思維的培養特別依賴于問題情境的創設，當將物理概念規律的學習與真實的物理情境聯系起來，并以問題引導的方式驅動學生的思維活動展開學習研究時，才能更好的實現概念規律的靈活應用，科學思維才能得以發展.因此.本節課中堅持用實驗創設情境，包括得出概念的情境與規律探索的情境；同時，本節課中精心設計各個問題及追問問題，力求問題符合學生的思維發展，為必要的思維活動搭建問題臺階，從而逐步引導學生展開對物理規律的探索及物理現象的推理論證；此外，課堂特別注重學生的思維闡釋與表達，有意識地引導學生進行觀察分析、總結概括、解釋說明等交流與觀點表述活動，從而逐步培養學生用科學思維分析與解決各種問題.

下面從科學思維要素的角度，總結本課堂教學中對培養學生科學思維的滲透教育.

（1）模型建構：通過對發射大炮與火箭等生活情境的抽象簡化，抓住研究問題的主要因素，忽略次要因素，建立動量守恒定律模型，進而研究發射過程中炮身或火箭獲得的速度.滲透了科學思維中模型建構要素的培養.

（2）科學推理：通過對大量生活現象的分析綜合、歸納概括與科學推理，從而得出反沖運動的概念與所滿足的物理規律；之后運用該規律對發射大炮與火箭飛行等反沖現象進行解釋.學生的這些思維活動過程直接體現了科學思維中科學推理能力要素的培養與發展.

（3）科學論證：學生基于推理得出的炮身或火箭速度表達式，對如何減小或增大反沖現象的效果做出判斷并加以表達闡述；并且批判性地使用證據描述與解釋反沖的利弊，分析論證多級與單級火箭的優劣.這些思維活動過程指向了科學思維中科學論證能力要素的培養與發展.

（4）質疑創新：本教學活動中，學生在多次的討論交流中，能基于自己的證據和邏輯對他人的觀點和結論進行質疑和批判，從而逐漸培養學生的批判性思維意識，而非一味地盲從與接受；在如何設計裝置或構造，使其能夠防止炮身的反沖或增大火箭的反沖的設想交流中，學生敢于從不同角度思考問題，追求創新.這些活動中學生的思維表現滲透著科學思維中質疑創新能力的逐漸發展.

參考文獻：

[1]彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理，2016，34（3）：1-2.

[2]《普通高中物理課程標準修訂稿》內部征求意見稿[M].教育部，2015.

[3]王碩，趙瑩，李春密.核心素養視角下《互感和自感》的教學設計[J].中學物理，2017，35（11）：34.

[4]《普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-5教師教學用書》[M].人民教育出版社，2010.endprint