基于核心素養理念下培養學生科學思維的教學研究

陳金貴 林炳煌 鄭衛峰

關鍵詞：課堂教學;科學思維;能力培養;超重與失重

《普通高中物理課程標準（2017版）》中指出：“科學思維”是物理核心素養的一個方面[ 1 ]。“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互聯系的認識方式;是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格[ 2 ]。主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素[ 1 ]。筆者以物理魯科版“超重與失重”一節的教學研究為例，探討基于問題解決促進物理核心素養的達成，闡述如何在物理課堂教學活動中培養學生科學思維能力。

1 ?在教學過程中實踐學生“科學思維”發展的達成

1.1 ?問題情境

（1）體驗性實驗

教師：（展示實驗器材）在一個細細的紙帶上懸掛了兩個鉤碼，紙帶沒斷。如果我取走一個鉤碼，不用剪刀只用一只手，能不能讓鉤碼在豎直方向上運動將紙帶撕斷呢？

學生：兩兩一組開始實驗探究。

（2）視頻播放

教師：在一個電梯里，放有兩個測力計：臺秤和彈簧測力計，將重物靜止放在（懸掛）在測力計上。此時臺秤和彈簧測力計的示數反映了物體的重力。那么，當電梯開始運行的時候，示數會發生什么樣的變化呢？由于臺秤便于觀察，當我們在播放錄像時，大家注意觀察臺秤示數的變化并加以記錄。（播放視頻）

學生：認真觀察并進行現象描述。

此教學環節，呈現了超重和失重現象，引導學生回顧已有的牛頓運動定律知識，明確視重概念，定義超重與失重現象。

1.2 ?探索規律

教師：在電梯上升的過程中我們看到了超重現象，也看到了失重現象;在電梯下降的過程中我們同樣也看到了超重現象和失重現象。那么到底在什么情況下會發生超重和失重呢？

活動1 ? 學生利用一個傳感器，用它勾住鉤碼，然后上下移動（這相當于電梯的上下移動）。學生借助DIS實驗，直觀得到彈力隨時間變化圖象，如表1填寫表格的前兩列內容。綜合分析彈力隨時間的變化圖象，進而進行猜想，分析出超重（失重）對應的運動過程。

為了避免只觀看視頻及教師講授，學生缺乏探究體驗獲取知識，本設計借助DIS學生實驗，突出了教學重點（知道超重與失重現象）。學生科學思維得以發展，達成了學習的第一層要求（目標為知道超重與失重現象），同時為第二層要求（目標為理解超重與失重現象產生的條件）的學習提供了歸納、猜想的依據。

活動2 ? ?教師制作了一個模擬升降機，在升降機里放著兩個傳感器，一個力傳感器，下面懸掛一個重物，在運行之后可以記錄彈力隨時間的變化圖象。另一個是位移傳感器，它可以幫助我們記錄下位移隨時間的變化圖象，通過計算機處理轉變成速度與時間的變化圖象。也就是通過教師演示DIS實驗，同時獲得F-t圖像和v-t的圖象，驗證學生的猜想，幫助學生歸納得出超重（失重）的條件。

本活動設計是為了突出了教學重點，突破教學難點——探究超重與失重現象產生的條件。通過獲得F-t圖象和v-t的圖象，引導學生將這兩圖建立聯系，實驗驗證學生的猜想，并從中探究超重和失重。科學思維這一學科核心素養得以體現。

1.3 ?理論分析

教師：我們用DIS模擬實驗的方法找到了產生超重與失重現象的條件。發現物體在向上加速，向下減速的過程中都出現了超重。那么這兩個超重現象有什么共同特點呢？

活動3 ? ?引導學生運用牛頓運動定律通過理論上進一步探究出現超重與失重現象的原因，填寫表1的后兩列。

以電梯里的重物為研究對象，進行受力分析。根據牛頓運動定律，有

Ⅰ.當電梯靜止或做勻速運動時，F_N=G=mg;

Ⅱ.當電梯向上加速或向下減速時，F_N+（-G） =ma，則F_N=m（g +a）>mg，超重;

Ⅲ.當電梯向下加速或向上減速時，G+（-F_N）=ma，則F_N=m（g-a）

總結：在超重和失重現象中，重力沒變，變的是彈力。

本活動是為了落實教學目標：會用牛頓運動定律解釋超重和失重現象。結合理論推導，采用理論與實際聯系相結合，學習掌握運用牛頓運動定律分析問題的方法，歸納出了結論。通過理論分析探究，科學思維這一學科核心素養又得以展現。

教師：在失重狀態時，如果當a=g，那么FN應該等于多少啊？

學生：F_N=0。

教師：要讓物體加速度等于重力加速度，怎么做才可以？

學生：讓物體做自由落體運動！

活動4 ? ?教師操作DIS軟件，通過演示實驗驗證完全失重現象。

本活動是為了落實教學目標：知道完全失重狀態的特征和條件。從感知和理性兩方面加深學生對完全失重概念的認知。

1.4 ? 應用鞏固

（1）解釋上課伊始的小實驗，教師演示，學生觀察：第一次緩慢提升紙帶，紙帶沒斷，第二次快速提升紙帶，紙帶斷了，第三次向下做減速運動，紙帶斷了。引導學生發現：加速度方向都是豎直向上的，都處于超重狀態。學生回答抓住問題的關鍵點——加速度的方向。判斷超重和失重現象就看在豎直方向上加速度方向，與物體運動方向無關。

（2）將兩本書交疊在一起，叫兩位同學對拉，無法拉而分開。教師把這兩本書拋起，輕松地把這兩本書分開。依據是什么？完全失重。

（3）將一只裝滿水的瓶子，在其瓶底鉆了很多小孔，將瓶蓋擰開可以觀察到水從瓶底漏出。將其自由下落，觀察到水不灑出來。（教師演示，錄像并慢鏡頭播放）

（4）學生展示：宇航員的超重和失重現象。

教師點評：航天員為了國家的發展，都需要奉獻精神。

此部分是本課的應用拓展環節，通過對實際問題中超重和失重現象的解釋，通過設計小實驗觀察失重，鞏固對概念的認識與學習。達到第三層目標要求：能根據加速度的方向，判別物體的超重或失重[ 3 ]。

2 ?教學反思與總結

科學思維的培養特別依賴于問題情境的創設，用真實的物理情境聯系物理概念規律，運用問題導向驅動學生思維，通過問題解決展開學習探究，靈活運用多種教學手段，發展學生科學思維。本節課的教學設計就遵循著這些原則，有效創設實驗情境，通過問題解決展開科學探究活動，培養思維能力以達成核心素養，從多個維度來構思和實現教學目標。具體體現在以下幾個方面。

2.1 ?概念教學環節清晰

超重失重作為重要的物理概念，本教學設計在概念教學各環節非常流暢，認識概念、形成概念、建立概念、理解概念、應用概念，層層遞進，這種清晰的邏輯有助于學生對概念的理解和掌握。

2.2 ?概念建立科學有效

本課在概念建立的階段，給出多個情境，讓學生感知其存在，以及大致悟出一些共性的東西。在原因分析的階段，將學生的視線集中收縮在某一簡單的情境之上（再看錄像），建立物理模型，具體分析。此后再對其余的各個現象、情境作類似的分析（應用階段）。老師的這種做法非常符合由情境抽象出物理問題，得到規律性的東西，再應用到實際的思路，思維得以發展，容易幫助學生建立新的物理概念。

2.3 ?突出科學方法教育

在這節課的教學中，自始至終從大量的事實和實驗現象出發，用歸納的方法，指導學生認識超重和失重現象，總結出產生超重和失重的條件。在此基礎上，結合牛頓運動定律分析并找到產生超重和失重的原因。最后應用超重和失重的知識分析相關實驗現象，理論聯系實際。在學生獲取新知識的過程中，潛移默化地對學生進行了科學方法教育。

2.4 ?融合信息技術與學科教學

經過精心設計，編制了計算機教學軟件，將課前學生拍攝的錄像、現場攝像以及文字和圖片投影到大屏幕上，學生直接獲取大量的信息。創設仿真情境，借助多媒體教學，猶如身臨其境，有利于學生對新知識的建構，實現課堂教學的高效。

總之，實施物理核心素養提升的教學，教師根據教學的內容和學生的實際情況，遵循教學規律，弄清物理課程所蘊含的科學思維和方法，創設真實、鮮活的學習情境，引導學生從“霧里”走向“物理”，直到“悟理”，體驗物理學研究過程的科學精神，問題也得到解決，也領悟到物理學的價值，有利于物理學科核心素養的達成。

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版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]王高.物理核心素養培養淺探[D]. 南京：江蘇第二師范學院， 2016.

[3]楊鳴華.做而論道·中學物理課堂教學設計、實施及感悟[M].上海：上海科技教育出版社，2016：125-138.