融通轉(zhuǎn)化“天宮課堂”素材促進(jìn)落實(shí)物理學(xué)科育人

荊 鵬 李超凡 侯 恕

（東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130024）

2021年12月9日，“天宮課堂”第一課在我國(guó)空間站天和核心艙成功舉行，給全國(guó)中小學(xué)生帶來了一場(chǎng)充滿視覺盛宴的科學(xué)教育活動(dòng).此次太空授課激發(fā)了廣大青少年對(duì)科學(xué)的興趣，有利于幫助學(xué)生樹立民族自信心和自豪感.這對(duì)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科育人價(jià)值具有重要意蘊(yùn).觀看之余，筆者認(rèn)為“天宮課堂”授課素材蘊(yùn)含著獨(dú)特、豐富的物理教學(xué)和思政育人資源.隨著我國(guó)首個(gè)空間站作為國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室正式投入運(yùn)營(yíng)，這將使“太空授課”進(jìn)入常態(tài)化階段.如何發(fā)掘授課內(nèi)容中所蘊(yùn)含的教學(xué)資源并應(yīng)用在中學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中將成為未來一段時(shí)間討論研究的熱點(diǎn).本文將就“天宮課堂”授課素材如何融通轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源進(jìn)行初探.

1 “天宮課堂”授課的現(xiàn)實(shí)意義

（1）創(chuàng)設(shè)“新情境”，奇妙現(xiàn)象背后是對(duì)億萬青少年科研興趣的激發(fā).

知識(shí)的傳授向來不局限于形式，太空授課的關(guān)注度高也絕不僅是因?yàn)椤案呔狻钡氖谡n場(chǎng)地.創(chuàng)設(shè)“天宮”新情境、采取天地協(xié)同互動(dòng)方式開展的授課，是對(duì)億萬青少年向往浩瀚太空、希冀探索宇宙好奇心的回應(yīng)，是與學(xué)生前概念產(chǎn)生矛盾的碰撞.諸多物理概念、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都是基于重力場(chǎng)所開展的科學(xué)研究得出.受前概念的影響，學(xué)生結(jié)合日常經(jīng)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有重力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象預(yù)期和結(jié)果并無巨大差異.微重力環(huán)境的“非常規(guī)”情境帶給學(xué)生的震撼，讓學(xué)生認(rèn)知定勢(shì)走出了重力場(chǎng)束縛，讓學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)翻越了應(yīng)試圍墻，開闊了學(xué)生視野，激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣.

（2）訓(xùn)練“新思維”，追問本質(zhì)探究原理是學(xué)科育人核心素養(yǎng)的體現(xiàn).

將科學(xué)思維與日常生活等實(shí)際問題結(jié)合起來，有助于提高學(xué)生的科學(xué)思維水平.［1］“天宮課堂”的授課方式刷新了現(xiàn)有的物理教學(xué)模式，對(duì)日常生活實(shí)際問題進(jìn)行“新情境”演示、對(duì)差異化現(xiàn)象“故作玄虛”作啟發(fā)式引導(dǎo)，讓此次授課演示直觀、生動(dòng)且形象.一次次互動(dòng)以啟迪學(xué)生從科學(xué)視角觀察問題、從嚴(yán)謹(jǐn)邏輯思考問題、采取具體方法解決問題，讓學(xué)生在飛揚(yáng)的思維中“思考—探究—溯源”.這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)探究精神，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值具有重要意蘊(yùn).

（3）聚焦“大思政”，天宮授課彰顯航天力量是潤(rùn)物無聲的思政育人.

在全球化和世界文化相互激蕩、價(jià)值觀多元化的時(shí)代背景下，積極弘揚(yáng)和培育民族精神、強(qiáng)化國(guó)家認(rèn)同，引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)“四個(gè)自信”，變得尤為重要和緊迫.［2］奇妙現(xiàn)象和科學(xué)原理之外，是學(xué)生感受到的偉大載人航天精神和大國(guó)力量，是學(xué)生內(nèi)心對(duì)中華民族偉大復(fù)興的美好愿景.學(xué)科育人——育知識(shí)、育思維、育能力，更重要的是要緊緊圍繞立德樹人這一根本任務(wù)來“育思想”.借助“天宮授課”素材這一豐富載體，把社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中，以期“潤(rùn)物無聲”的融入課程思政理念，實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值.

2 融通轉(zhuǎn)化“天宮課堂”授課素材為教學(xué)資源初探

授課活動(dòng)由中國(guó)載人航天工程辦公室聯(lián)合教育部、科技部、中國(guó)科協(xié)、中央廣播電視總臺(tái)共同主辦，中國(guó)科技館及載人航天工程相關(guān)參研參試單位提供支持.［3］太空授課腳本是廣大教育、工作者集體智慧的結(jié)晶，授課的內(nèi)容具有嚴(yán)謹(jǐn)性、互動(dòng)性、趣味性和啟發(fā)性，操作的實(shí)驗(yàn)新穎、易懂且經(jīng)典，兼顧差異性與觀賞性.

表1為本次“天宮課堂”的授課項(xiàng)目.授課項(xiàng)目蘊(yùn)含豐富的物理元素.筆者以人教版教材為例，列出了本次授課中所涉及部分知識(shí)點(diǎn)，如表2 和表3所示.授課項(xiàng)目涵蓋了物理、化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，利用好這一教學(xué)資源有利于學(xué)生基于真實(shí)情境下學(xué)科和跨學(xué)科問題解決能力的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展有重要價(jià)值.［4］

表1 “天宮課堂”授課項(xiàng)目

表2 對(duì)應(yīng)人教版初中教材知識(shí)點(diǎn)

表3 對(duì)應(yīng)人教版高中教材知識(shí)點(diǎn)

續(xù)表

3 “天宮課堂”教學(xué)素材的應(yīng)用思考

吳加澍先生認(rèn)為：好的物理教師不是在“教”物理，而是激發(fā)學(xué)生自己去學(xué)好物理，他的高明之處在于能為學(xué)生適時(shí)地創(chuàng)設(shè)問題情境，搭建認(rèn)知舞臺(tái)，從而不斷培養(yǎng)和提高學(xué)生探求新知識(shí)的能力.［5］“天宮課堂”為搭建認(rèn)知舞臺(tái)創(chuàng)造了契機(jī)，教師利用好這一資源讓學(xué)生在輕松活躍的氛圍中體驗(yàn)物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)物理問題，學(xué)習(xí)物理知識(shí)，探索物理規(guī)律.［6］引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，避免在物理教學(xué)中“照本宣科”地單向“滿堂灌”，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的態(tài)度，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科的育人價(jià)值.

下文以此次授課項(xiàng)目中“太空轉(zhuǎn)身”為例，結(jié)合人教版高中物理必修2 第7 章“萬有引力與宇宙航行”教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用提出幾點(diǎn)問題思考.

（1）問題鏈1：重力是萬有引力嗎？宇航員為什么會(huì)失重？空間站是完全失重環(huán)境嗎？

圖1 重力與萬有引力關(guān)系示意圖

問題3：空間站是完全失重環(huán)境嗎？事實(shí)上，在分析宇航員失重過程中，我們將宇航員看作了質(zhì)點(diǎn)，對(duì)質(zhì)點(diǎn)分析上式成立，即在質(zhì)點(diǎn)處是完全失重的.但對(duì)整個(gè)航天器而言，并非所有點(diǎn)可看作質(zhì)點(diǎn).這些點(diǎn)因向心力與萬有引力不完全相等而獲得有相對(duì)于質(zhì)心的微小加速度，稱其為微重力現(xiàn)象.研究表明，微重力大小加速度為10－5g到10－4g，其大小通過航天器所受到各種干擾力的加速度來度量.［7］

（2）問題鏈2：在地球上，人是怎么轉(zhuǎn)身的？在太空中，宇航員如何不靠外力轉(zhuǎn)身？宇航員吹氣為何未能使自身獲得速度？

問題1：在地球上，人是怎么轉(zhuǎn)身的？地面上人受重力作用，由Ff＝μFN知人與地面之間存在摩擦力.由轉(zhuǎn)動(dòng)定律M＝Iα.可知，摩擦力的力矩使人體產(chǎn)生角加速度，所以人能進(jìn)行轉(zhuǎn)身.

問題2：在太空中，宇航員如何不靠外力轉(zhuǎn)身？“天宮課堂”授課教師葉光富嘗試了幾種方式：一是上半身向左轉(zhuǎn)，下半身就會(huì)自動(dòng)往右轉(zhuǎn)，如圖2所示.

圖2 宇航員嘗試太空轉(zhuǎn)身

由于宇航員不受外力，所以系統(tǒng)角動(dòng)量守恒.當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)相反的角動(dòng)量，［8］進(jìn)而使下半身向左轉(zhuǎn).最后，宇航員成功轉(zhuǎn)身的方法是右手臂持續(xù)畫圈，如圖3所示.這也是利用角動(dòng)量守恒來實(shí)現(xiàn)的.

圖3 再次嘗試轉(zhuǎn)身

除此以外，冬奧會(huì)花滑項(xiàng)目中也運(yùn)用了角動(dòng)量守恒.運(yùn)動(dòng)員通過伸展和收縮手臂改變自身半徑進(jìn)而改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這是根據(jù)系統(tǒng)角動(dòng)量守恒I1ω1＝I2ω2.改變了I進(jìn)而改變了角速度.

問題3：宇航員吹氣為何未能使自身獲得速度？在宇航員吹氣過程中，并無外力作用，所以系統(tǒng)動(dòng)量守恒，即0＝m1v1＋m2v2，其中m1為空氣質(zhì)量，m2為宇航員質(zhì)量.當(dāng)人吹氣時(shí)，氣流會(huì)有一個(gè)向前的速度v1，人會(huì)產(chǎn)生相反方向的速度.“天宮課堂”中，宇航員未能通過吹起改變自身速度是因?yàn)閙1相對(duì)m2太小，v2≈0.如圖4所示.

圖4 宇航員吹氣獲得速度

故人不能通過吹氣獲得速度，但若有一個(gè)氣泵與人相連，氣泵噴出動(dòng)量很大的氣體，人方能獲得較大的反向速度，航天器加速便是此原理.

4 結(jié)語(yǔ)

“天宮課堂”是中國(guó)航天的再一次高光，是億萬青少年逐夢(mèng)科研的啟蒙場(chǎng).融通轉(zhuǎn)化天宮授課這一素材，還需廣大教育工作者去發(fā)掘其中蘊(yùn)含的物理學(xué)科及跨學(xué)科教學(xué)資源，以期在更多的教學(xué)實(shí)踐中能用、會(huì)用、巧用之，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，傳遞給學(xué)生這份榮耀、責(zé)任與使命，從而促成物理學(xué)科的育人價(jià)值.