指向學科核心素養培養的實證案例研究

摘 要：物理知識的內化、科學思維的形成、創新熱情的激發、探究實驗的進行，是物理學科核心素養培育的基本路徑.以“天問一號”成功發射為例，結合教材中典型問題的教學處理，落實學科核心素養的滲透，為教師教學中學科核心素養滲透和學生核心素養培養提供實證借鑒.

關鍵詞：學科核心素養;實證案例;天問一號

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：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，中學高級教師，研究方向：物理教育教學理論、課堂教學改革與評價.

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力[1].通過基礎概念辨析深化物理觀念，結合情境分析提升科學思維品質，針對實際情境探索激發科學探究精神，運用科技前沿典型案例培養嚴謹的科學態度和社會責任，是物理學科教學的愿望.

2020年“天問一號”火星探測器的成功發射，為物理教學中學科核心素養滲透提供了典范性案例.

1 由“天問一號”結構分析，促進學生物理觀念形成

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

整流罩外形設計有許多準則，其一是使空氣阻力抖振最小，這樣不僅利于火星車的保護，而且易控火箭運行方向.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，達到減少攜帶燃料、減輕火箭重量的目的.運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動速度v有關，與大氣稀薄程度即空氣密度ρ有關，與火箭迎風面積S有關，空氣阻力的大小為f=12CρSv2.其中空氣阻力系數C和火箭整流罩的迎風面積、光滑程度及整體形狀有關.

這樣的教學案例，有利于在實際問題教學情境實踐中，培養學生理解分析和探究實踐能力，升華物理概念，構建物理模型，梳理相關影響因素，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，培育學生科學思維品質

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程.教學中要善于運用情境分析提升學生的綜合分析能力、空間想象能力、科學推理能力、模型建構能力，從而健全物理思想，促進科學思維發展.

2.1 文昌發射地點有優勢

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

海南文昌地球自轉線速度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的慣性向東發射.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 天體運行的客觀規律

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，公轉周期分別為365天、 687天，推測地球和火星處于最近點的時間間隔約為780天，約26個月.

2020年10月14日呈現“火星沖日”的天文學現象，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立運動，所以要提前發射，如圖2所示.如同坐在轉盤上對轉盤外相對地面靜止目標射擊一樣，況且火星還在旋轉.火星探測器最佳的發射時機是“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，擺脫地球引力進入地火轉移軌道，成為繞太陽公轉的人造衛星.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，經歷了多次的軌道修正、軌道機動、軌道“剎車”.

火星的第一宇宙速度是3.53km/s，“天問一號”進入火星大氣層時速度約為4.9km/s.若制動時機把握不當，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，抓住時機制動，完美“剎車”降速，成為火星的一顆人造衛星，其軌道為近火點高度約400km、遠火點高度約180000km、周期約10個地球日的橢圓軌道.隨后調整進入火星極地軌道，再“剎車”進入停泊軌道，開啟了為期3個月的環繞勘測.

“天問一號”的發射，充分利用了地球自轉慣性線速度和萬有引力作用，既縮短了飛行歷程，又節省了更多的燃料攜帶.以及在“天問一號”即將到達火星時的完美“剎車”被火星捕獲等情境中，引導學生提升構建模型、科學推理、科學思維的能力.

3 由“天問一號”火星繞落，培養學生科學探究能力

科學探究是基于觀察和實驗提出物理問題、設計實驗方案、處理信息并得出結論.教學中開展借“天問一號”測火星質量、模擬著陸器著陸實驗等科學探究活動.同時，利用“天問一號”的發射激發學生的創新熱情和社會責任感.

3.1 “天問一號”繞火星運動測火星質量

“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可得火星的質量M.其中，G是萬有引力常數，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行避障懸停，這時發動機向下噴火以獲得反推力如圖3.避障懸停簡化為平衡靜止狀態，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，火星的質量約是地球質量的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 結束語

“天問一號”的成功發射對中學生來說，看似遙不可及，沒有任何關聯，實則與中學物理教學息息相關，其一系列的工作原理與高中物理知識教學有著密切的聯系，是高中物理知識的延伸與應用.

參考文獻：

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

[2]曹寶龍.課堂教學中落實物理學科素養的關鍵問題[J].中學物理，2019，37（17）：9-12.

[3]晉文梅.高中物理教學中培養學生物理學科核心素養的探索與實踐[J].中學物理，2018，36（19）：35-38.

（收稿日期：2021-04-25）