通過科學地設置問題培養學生物理學科核心素養的教學探究

閆鑫

摘 要：只有創設問題情境，科學地設置問題，讓整個教學過程圍繞設計的問題來展開，激發學生的探究欲望，引導學生積極參與課堂學習的全過程，培養學生猜想、假設、實驗探究、創新等思維能力，才能有效地培養學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：核心素養;科學思維;實驗探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-11-12 文章編號：1674-120X（2020）16-0092-02

物理學的發展始于發現問題，這些問題給人們提供了學習、猜想、假設、實驗、創新的思維空間。在教學過程中，教師通過創設問題情境，科學地設置問題，來激發學生的探究欲望，促進學生運用已有的知識和方法主動地建構探究途徑，從而提高學生的認知水平，培養學生嚴密的科學思維、嚴謹的科學態度，提升其物理學科核心素養。

一、豐富學生的物理觀念

物理觀念包括物質觀念、運動與相互作用觀念、規律應用、能量觀念等要素。教師應引導學生通過觀察現象、分析規律等方式形成物理觀念。但是學生具有個體差異性以及認識問題的局限性，這時候教師就要思考如何創設問題情境以及科學地設置問題。

案例：探究曲線運動速度的方向。

現象演示：將陀螺放在一張白紙上，讓其高速旋轉，旋轉過程中在陀螺上面滴幾滴紅墨水，觀察白紙上紅墨水被陀螺甩出的軌跡。

播放視頻：觀察砂輪打磨下來的熾熱微粒的運動軌跡、雨傘轉動時雨傘上水滴飛行的軌跡。

提出問題：物體做曲線運動時，速度方向有哪些特點？

生：物體做圓周運動時，速度沿軌跡的切線方向。

師：圓周運動是特殊的曲線運動，速度沿切線方向，那么一般的曲線運動都是這樣的嗎？

生：不確定。

師：同學們回答得很好，我們在任何情況下都不能以特殊的事例就得出普遍的規律。那么一般的曲線運動中速度方向又如何呢？

實驗探究：在小鋼球外面包一層薄薄的脫脂棉，在紅墨水里浸泡一下（注意不要太濃），放在一張白紙上，給其初速度，然后選用磁性較強的磁鐵控制小球沿任意曲線快速運動，觀察其在白紙上留下的痕跡，如圖1所示。

結論：物體做曲線運動時在任一時刻速度的方向沿軌跡的切線方向。

構建微元模型：圖2中的B點逐漸靠近A點，AB與AF無限接近，說明了什么問題？

問題拓展：這些問題都是從宏觀現象中提取的，那么在微觀現象中成立嗎？

通過猜想、觀察、探究、理論分析，激發學生的學習興趣，促進學生對物理概念、規律的認識與理解，在潛移默化的認知過程中不斷積累對物質的性質、相互作用、規律、能量的認知能力，逐漸形成更高層次的物理觀念（如量子觀）。

二、提高學生的科學探究能力

學生最大的學習障礙是提不出問題，教師要提出問題或幫助學生提出問題，以積極的態度為學生創設一個良好的探究環境，激發學生探究的動機，再啟發學生通過實驗探究、理論分析，尋找證據，鼓勵同學之間進行合作、交流，用物理語言做出定性解釋和定量分析與計算。

教師提出的問題一定要符合學生的認知能力，如果超越學生的認知能力，那么提出的問題可以說是無效問題;相反，如果所提出的問題符合中學生的認知能力，就會激發學生的學習熱情與探究欲望。

案例：我國高鐵技術近幾年發展特別得快，請學生根據自己外出旅游的親身體驗以及所學圓周運動知識，對火車安全轉彎的速度做出理論分析與計算。

（一）火車轉彎時安全速度的理論分析

提出問題：火車轉彎時路面傾斜，如果火車的速度符合鐵路設計要求，向心力由哪些力提供？畫出受力圖，并表示向心力F。

引導學生相互交流、討論，先試著畫出受力圖，然后給學生板書、交流的機會，把自己思考的結論展示到黑板上（圖3），關鍵在于把向心力畫到沿斜面方向上了。

（二）火車轉彎時安全速度的理論計算

展示問題：設一列質量為m的火車在傾角為θ、軌道半徑為r的彎道上安全行駛，此時火車速度多大？

學生活動：交流、討論，展示計算結果ν=。

定性分析：在彎道半徑為r與傾角為θ確定的情況下，速度滿足上述條件，火車行駛最安全。

（三）火車提速帶來的實際問題以及解決的辦法

設問：（1）假如你是火車司機，如果火車仍在原來修建的鐵路上運行，但提速了，那么轉彎處你該怎么做？

（2）假如你是鐵路的設計工程師，火車提速，你在設計鐵路彎道時該怎么做？

三、提高學生的科學思維能力

科學思維是物理學科核心素養的主要組成部分，是教學中的一個關鍵性要素，因此，教師在教學中要突出培養學生思考問題的方法和能力。正如斯金納說的“當我們將學過的東西忘得一干二凈時，最后剩下來的，就是教育的本質了”。這里的本質就是在教學過程中借助于概念、規律以及生活經驗，逐步引導學生學會模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新的科學思維方法與能力。

案例：探究太陽與行星間的引力。

問題1：太陽對行星的引力F跟行星到太陽的距離r有什么關系？

（1）假設行星繞太陽做勻速圓周運動，行星的質量為m，速度為v，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力是多少？

（2）從天文觀察中可以直接得到行星運動的速度v還是行星公轉的周期T？它們之間的關系如何？

結論：F=m? ① ;T=? ② ;F=③

（3）不同行星的公轉周期相同嗎？如果不同，如何找到共性？

根據開普勒第三定律，=K? ④

化簡③④兩式可知，F=4π2K⑤

（4）對所有行星而言，K是常數，向心力F與行星的質量m、半徑r之間存在怎樣的關系？

從上面⑤式可以看出，F∝ ⑥

定性結論：太陽對不同行星的引力，與行星的質量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比。

問題2：行星對太陽的引力

根據力的相互作用規律，太陽對行星存在作用力，那么行星對太陽也必然存在作用力，行星對太陽的作用力遵循怎樣的規律？

定性結論：不同行星對太陽的引力，與太陽的質量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比，即F∝ ⑦

問題3：太陽與行星之間的相互作用力

結合⑥⑦兩式可以得出：F∝⑧

如果寫成等式：F=G⑨

問題4：上述結論在月地之間是否成立？

設月球的軌道半徑為r，地球的半徑為R，r=60R

（1）物體在月球軌道上受到的引力F1與物體在地球表面附近受到的作用力F2之間的關系如何？

如果等式⑨在月地之間成立，則F1=F2

由F=ma可知，物體在月球軌道上運動的加速度a1，物體在地球表面附近下落的加速度a2，則a1=a2

（2）請學生查找數據，月球的軌道半徑為r，月球的公轉周期為T，月球公轉的向心加速度是多少？

查找結果：r=384000km，T=27.3天，因此a1==0.029m/s2

（3）物體在地球表面附近下落的加速度a2大約是10m/s2，試比較a1和a2的大小關系。

a2=0.028m/s2，即a1≈a2

（4）問題4的論述說明了什么？

說明行星與太陽之間的相互作用規律在月地之間也是成立的，也進一步說明自然界的不同物體之間的相互作用規律是相同的，即萬有引力。

四、培養學生的科學態度與責任

主要以教材中的“科學漫步與科學足跡欄目”為素材，引導學生多讀物理學史，感受物理學史中涵蓋的哲學思想、科學本質，使學生形成一定的方法論和認識論;讓學生體會科學家對待科學的態度和高度的社會責任感，培養學生積極向上和致力科學研究的科學態度與責任。

案例：探究從對原子結構的認識到對核能研究與合理利用的過程。

問題1：人們對原子結構的認識經過了幾個階段？

問題2：請同學們談談對核能的認識。

問題3：請同學們談談我國“導彈之父”錢學森和“兩彈元勛”鄧稼先對我國國防事業的貢獻。

通過對上述問題的探討、思考與研究，引導學生體會科學家從研究原子結構到研究核能及合理利用核能的漫長過程中所付出的艱辛努力、嚴謹的科學態度和高度的社會責任感，培養學生正確對待科學的態度與責任。

參考文獻：

[1]吳妙燕.學科核心素養在高中物理實驗教學中落實的有效途徑[J].高考，2018（22）：32-33.

[2]時春華.文化視野下高中物理的教學策略及思考[J]. 中學物理教學參考，2013（3）：2-7.