利用物理課堂教學進行科學思維培養的實踐初探

張紅明

(北京師范大學附屬中學 北京 100052)

1 問題引入

普通高中物理課程標準2017年版明確提出，高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程，旨在落實立德樹人根本任務，進一步提升學生的物理學科核心素養，為學生的終身發展奠定基礎，促進人類科學事業的傳承與社會的發展.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.物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面.

“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；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.“科學思維”主要包括模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.

科學思維的培養不是一蹴而就的，是一個循序漸進的過程.在物理教學中，我們應該充分挖掘教材中最能體現科學思維、最能培養學生科學思維的素材，創造性地開展教學.對此筆者在物理課堂教學中作了一些初步的探索，并以小案例的方式總結出來.

2 實踐案例

案例一：利用勻變速直線運動的v-t圖像面積求位移

如果對學過高一物理的學生做一個問題調查，問題是“你覺得高一物理中哪一部分內容給你的印象最深刻而且能夠對你產生吸引力”.筆者認為，“利用勻變速直線運動的v-t圖像面積求位移”應該是最具競爭力的答案之一.

教學中筆者首先按照教材的編寫方式，引導學生如何根據v-t圖像面積求出位移，讓學生親身感受學習的成就感.通過這一教學過程已經是對學生的科學思維有一個特別好的培養，然后利用這個契機，引導學生去感悟上述過程中隱藏的“微積分”思想.充分發揮學生的直覺思維，通過下列圖像的方式逐步展示“微積分”思想的4個關鍵步驟：“化整為零”“以恒代變”“積零為整”“再求極限”,如圖1所示.

圖1 “微積分”思想的4個關鍵步驟

再接下來，創造性地開展教學，換一個視角，用代數計算的方式引導學生通過求勻變速直線運動的位移體會“微積分”思想，促進學生科學思維能力的進一步發展，使學生的思維品質產生質的飛躍.教學過程如下：

學習任務：已知勻變速直線運動的初速度v0，加速度a，時間t，求位移Δx.

第一步，體會“化整為零”.

引導學生把總時間t分成n小段，每一段時間為Δt，則

第二步，體會“以恒代變”.

引導學生把每一段的初速度看作是這一段各處的速度，這樣每一段時間里質點做的都是勻速直線運動，利用勻速直線運動的位移公式求各個部分的位移.

…

第三步，體會“積零為整”.

引導學生將各個部分的位移加起來，并加以化簡.

Δx=Δx1+Δx2+…+Δxn=

第四步，體會“再求極限”.

引導學生明確，上一步所求的總位移并不是實際勻變速直線運動的位移，要想得到勻變速直線運動的真正位移，需要運用極限思想，在上式中將n取無窮大，得

這就是勻變速直線運動的位移公式.

案例二：推導第三宇宙速度的表達式

高中物理教學中，只要求理解第三宇宙速度的物理意義，不要求推導第三宇宙速度的計算公式.但是優秀學生還是對如何得到第三宇宙速度非常感興趣，這個時候教師可以因勢利導，讓學生通過查閱大學教材的方式進行學習.但學生讀完大學教材后，還是充滿疑惑.這時創造性地開展物理教學，根據學生的認知背景，通過構建物理模型的方式，逐步推導第三宇宙速度的表達式.經歷這樣一個教學過程，可以很好地發展學生的科學思維.

(1)學習大學物理教材中對第三宇宙速度的推導.

這個動能包含了兩部分，即脫離地球引力所需的動能Ek1和脫離太陽系引力所需的動能Ek2.

Ek=Ek1+Ek2

根據第二宇宙速度可求出質點脫離地球引力所需要的動能Ek1，即

如果準備飛出太陽系的質點的發射方向與地球公轉方向相同，便可以充分利用地球公轉的速度，這樣射出的質點在離開地球時只需要有相對于地球為

v′=(42.2-29.8) km/s=12.4 km/s

的速率便可以擺脫太陽系.與此相對應的動能為

既能擺脫地球引力又能擺脫太陽引力所需要的總能為

即

豐收的季節，田野的風光如畫，田邊小徑將金色稻田分割成不同色塊，小鎮如同在油畫中一般。在低處，看熟透的稻穗，看到的是豐收的喜悅；在高處，看漫山翠綠、稻田金黃、潔白的房屋迎著朝陽，看到的是希望。

可求出第三宇宙速度

(2)質疑大學物理教材中對第三宇宙速度推導，提出困惑.

上述大學物理教材中對第三宇宙速度的推導肯定是經歷了時間的檢驗，而且在討論擺脫太陽系引力時所作的類比也非常的精彩.只是作為一個讀者看下來之后總有一種隱隱的不踏實感.仔細想來，上述對第三宇宙速度的參考系沒有明確地指出，這一點對深入閱讀的讀者會帶來困惑.還有學生提出其中用到的

為什么不是動能的差

這些疑問從上述推導的方法中不好作出解答.

(3)分解物理過程，創設物理模型，創造性地提出一種推導第三宇宙速度的改進辦法.

根據第三宇宙速度的含義，當地面上的質點以第三宇宙速度(相對地心)拋射時，為了充分利用地球公轉速度，設質點擺脫地球束縛到達距離地球無窮遠處時處于地球公轉軌道且相對地心的速度為v*,這個速度如果為零就是恰好擺脫地球的束縛而不能繼續擺脫太陽系的束縛.如圖2所示.

圖2 推導第三宇宙速度的改進方法示意圖

選擇原點在地心，坐標軸指向恒星的慣性參考系，將質點m和地球視為質點系.從地面發射到達距離地球無窮遠處，根據機械能守恒定律有

(1)

根據相對運動公式，此質點相對太陽中心的速度設為v#，地球公轉速度設為vg,則

v#=vg+v*

(2)

對于地球繞太陽中心做勻速圓周運動，根據向心力公式有

(3)

解出vg，得

(4)

其中Ms,rg分別為太陽質量和地球公轉半徑.

質點在地球公轉軌道上以速度v#恰好擺脫太陽系的束縛，從地球公轉軌道到到達距離太陽中心無窮遠處，根據機械能守恒定律有

(5)

解出v#，得

(6)

將式(6)代入式(2)得

(7)

將式(7)代入式(1)得第三宇宙速度

v3≈16.7 km/s

(8)

再根據第二宇宙速度的推導

(9)

根據式(9)和式(1)得到

(10)

此式即為大學物理教材中推導第三宇宙速度所用到的公式.

3 結束語

以上所舉兩個小案例就是選自于教材中特別能夠體現科學思維的教學小片段，應該說這樣的素材是非常非常多的，只要在教學中加以積累，并合理設計教學環節，一定能促進學生科學思維的發展.