高中物理科學(xué)思維能力提升策略初探
——以“生活中的圓周運(yùn)動”教學(xué)為例

吳朝霞

(江蘇省南京市寧海中學(xué) 210024)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對物理學(xué)科的核心素養(yǎng)進(jìn)行了水平劃分，其中對科學(xué)思維包含的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素分別劃分了五級水平維度.高中物理核心素養(yǎng)科學(xué)思維劃分的各級水平,主要表現(xiàn)為學(xué)生在不同復(fù)雜情境中運(yùn)用科學(xué)思維解決的關(guān)鍵特征，有由低到高逐漸遞進(jìn)的關(guān)系.筆者結(jié)合高中物理科學(xué)思維劃分的水平維度和學(xué)科目標(biāo)，把物理科學(xué)思維分解為情境轉(zhuǎn)換、現(xiàn)象分析、證據(jù)意識、質(zhì)疑創(chuàng)新四個要素，使得物理科學(xué)思維培養(yǎng)目標(biāo)更為清晰和可操作.

要促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力發(fā)展，就要結(jié)合教學(xué)和學(xué)生基礎(chǔ)，合理設(shè)計教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化課堂教學(xué)環(huán)節(jié),因材施教.“生活中的圓周運(yùn)動”一節(jié)中火車轉(zhuǎn)彎處外軌為何墊高及墊高后哪個力提供向心力，是本節(jié)的重點(diǎn)也是難點(diǎn).本文針對物理教材特點(diǎn)和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，嘗試探討提升學(xué)生科學(xué)思維能力的有效途徑和策略.

一、體驗情景轉(zhuǎn)換，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

【思考1】讓學(xué)生舉出生活中還有哪些物體做圓周運(yùn)動.

【設(shè)計思想】前幾節(jié)課已學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上提出這個問題，學(xué)生就會不自覺地思考我身邊還有哪些物體是做圓周運(yùn)動？同時展示實物自行車，讓學(xué)生找出自行車中哪些部件是做圓周運(yùn)動，然后再出示準(zhǔn)備好的生活圓周運(yùn)動的實例視頻，讓學(xué)生感知圓周運(yùn)動伴隨我們的生活，從而引入課題.這樣很好地調(diào)動了學(xué)習(xí)熱情和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)習(xí)本節(jié)課奠定創(chuàng)設(shè)良好的情境.

二、經(jīng)歷現(xiàn)象分析，認(rèn)清事物本質(zhì)

【思考2】請同學(xué)們介紹一下火車車輪的特點(diǎn)以及如何放置在鐵軌上？

【設(shè)計思想】通過學(xué)生課題小組研究，介紹火車車輪特點(diǎn)，再用自制火車車輪和圖片展示放大鐵軌及火車輪特點(diǎn).利用該實驗培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，觀察分析的能力，合作探究的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和互助精神.為思考3作了很好的鋪墊.

【思考3】如果火車轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外軌無高度差時，誰提供向心力？

生：外軌對車輪緣側(cè)向壓力提供向心力

【設(shè)計思想】先利用已學(xué)過的汽車轉(zhuǎn)彎靜摩擦力提供向心力作為鋪墊，學(xué)生利用類比方法很容易解決這個問題.

【算算看】如果火車質(zhì)量為m=1500t，轉(zhuǎn)彎半徑為r=300m, 轉(zhuǎn)彎速度為v=20m/s.則外軌對車輪緣側(cè)向壓力為多大？

生：(通過計算后讓學(xué)生感知靠外軌對輪緣擠壓提供向心力，會將鐵軌擠斷，后果不敢想象.讓學(xué)生討論交流應(yīng)采取什么措施，這樣很自然引入思考4.)

三、樹立證據(jù)意識，大膽表達(dá)觀點(diǎn)

【思考4】如果你是一位鐵路設(shè)計師，在火車轉(zhuǎn)彎處應(yīng)采取什么措施才能避免火車車輪對鐵軌擠壓造成危害？

生：讓外軌墊高一點(diǎn)

【設(shè)計思想】學(xué)生交流討論，但對于為什么墊高、對于墊高后誰對圓周運(yùn)動提供向心力，學(xué)生心中依然有揮之不去的謎團(tuán)，這也是本節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一.接著播放外軌墊高動畫，通過動畫引導(dǎo)學(xué)生分析外軌墊高后哪個力會對火車轉(zhuǎn)彎提供向心力有幫助.

【思考5】外軌墊高后轉(zhuǎn)彎時的運(yùn)動平面是水平的還是與斜面平行的？

【設(shè)計思想】搞清火車在哪個面內(nèi)做圓周運(yùn)動是分析外軌墊高后向心力來源的基礎(chǔ).另通過實物“小火車轉(zhuǎn)彎”實驗，讓學(xué)生觀察討論，明確火車是在平行于地面的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，從而突破難點(diǎn)之一.也為分析思考6奠定基礎(chǔ).

四、敢于質(zhì)疑創(chuàng)新，多視角審視檢驗

【思考6】若內(nèi)、外高度差對應(yīng)傾角為α，轉(zhuǎn)彎半徑為R，火車的速度為多大時，恰好無側(cè)壓力？

生：支持力的一個分力提供向心力

【設(shè)計思想】在思考5的基礎(chǔ)上，通過計算讓學(xué)生感受火車內(nèi)外的高度差所對應(yīng)的傾角、火車轉(zhuǎn)彎半徑以及轉(zhuǎn)彎速度滿足上述條件時，確實是由支持力的一個分力提供向心力，從而解決思考3中“算算看”中所造成的危害性，同時也真正知道思考4所采取的措施是正確的，從而突破難點(diǎn)之二，解開學(xué)生心中的謎團(tuán).該處對培養(yǎng)學(xué)生思維能力是很有幫助的.

【設(shè)計思想】進(jìn)一步強(qiáng)化鞏固思考6，接著視頻、圖片展示2008年4月28日膠濟(jì)鐵路事故.在轉(zhuǎn)彎處規(guī)定速度為80km/h，事故后專家計算分析當(dāng)火車在該處轉(zhuǎn)彎速度達(dá)到131km/h.從而也看出有些事情可以創(chuàng)新，有些事情必須按章辦事，這個教訓(xùn)是慘痛的，滲透情感教育.

本節(jié)課以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，按照科學(xué)思維四要素來設(shè)計教學(xué)方案.同時通過小組合作、模型展示、實例類比、理論分析等方法從淺入深、從易到難、層層分解來突破難點(diǎn).有效地對學(xué)生進(jìn)行了思維訓(xùn)練，也促進(jìn)了思維由低階到高階的進(jìn)一步發(fā)展.