高中物理科學思維能力提升策略初探
——以“生活中的圓周運動”教學為例

吳朝霞

(江蘇省南京市寧海中學 210024)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對物理學科的核心素養進行了水平劃分，其中對科學思維包含的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素分別劃分了五級水平維度.高中物理核心素養科學思維劃分的各級水平,主要表現為學生在不同復雜情境中運用科學思維解決的關鍵特征，有由低到高逐漸遞進的關系.筆者結合高中物理科學思維劃分的水平維度和學科目標，把物理科學思維分解為情境轉換、現象分析、證據意識、質疑創新四個要素，使得物理科學思維培養目標更為清晰和可操作.

要促進學生科學思維能力發展，就要結合教學和學生基礎，合理設計教學目標，優化課堂教學環節,因材施教.“生活中的圓周運動”一節中火車轉彎處外軌為何墊高及墊高后哪個力提供向心力，是本節的重點也是難點.本文針對物理教材特點和學生的認知規律，嘗試探討提升學生科學思維能力的有效途徑和策略.

一、體驗情景轉換，激發學習興趣

【思考1】讓學生舉出生活中還有哪些物體做圓周運動.

【設計思想】前幾節課已學習了圓周運動，在此基礎上提出這個問題，學生就會不自覺地思考我身邊還有哪些物體是做圓周運動？同時展示實物自行車，讓學生找出自行車中哪些部件是做圓周運動，然后再出示準備好的生活圓周運動的實例視頻，讓學生感知圓周運動伴隨我們的生活，從而引入課題.這樣很好地調動了學習熱情和學生的學習興趣，為學習本節課奠定創設良好的情境.

二、經歷現象分析，認清事物本質

【思考2】請同學們介紹一下火車車輪的特點以及如何放置在鐵軌上？

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

【思考3】如果火車轉彎處內外軌無高度差時，誰提供向心力？

生：外軌對車輪緣側向壓力提供向心力

【設計思想】先利用已學過的汽車轉彎靜摩擦力提供向心力作為鋪墊，學生利用類比方法很容易解決這個問題.

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

生：(通過計算后讓學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.讓學生討論交流應采取什么措施，這樣很自然引入思考4.)

三、樹立證據意識，大膽表達觀點

【思考4】如果你是一位鐵路設計師，在火車轉彎處應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

【設計思想】學生交流討論，但對于為什么墊高、對于墊高后誰對圓周運動提供向心力，學生心中依然有揮之不去的謎團，這也是本節學生學習的難點之一.接著播放外軌墊高動畫，通過動畫引導學生分析外軌墊高后哪個力會對火車轉彎提供向心力有幫助.

【思考5】外軌墊高后轉彎時的運動平面是水平的還是與斜面平行的？

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

四、敢于質疑創新，多視角審視檢驗

【思考6】若內、外高度差對應傾角為α，轉彎半徑為R，火車的速度為多大時，恰好無側壓力？

生：支持力的一個分力提供向心力

【設計思想】在思考5的基礎上，通過計算讓學生感受火車內外的高度差所對應的傾角、火車轉彎半徑以及轉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，從而突破難點之二，解開學生心中的謎團.該處對培養學生思維能力是很有幫助的.

【設計思想】進一步強化鞏固思考6，接著視頻、圖片展示2008年4月28日膠濟鐵路事故.在轉彎處規定速度為80km/h，事故后專家計算分析當火車在該處轉彎速度達到131km/h.從而也看出有些事情可以創新，有些事情必須按章辦事，這個教訓是慘痛的，滲透情感教育.

本節課以學生為主體，教師為主導，按照科學思維四要素來設計教學方案.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.有效地對學生進行了思維訓練，也促進了思維由低階到高階的進一步發展.