融通轉化“天宮課堂”素材促進落實物理學科育人

荊 鵬 李超凡 侯 恕

（東北師范大學物理學院，吉林長春 130024）

2021年12月9日，“天宮課堂”第一課在我國空間站天和核心艙成功舉行，給全國中小學生帶來了一場充滿視覺盛宴的科學教育活動.此次太空授課激發了廣大青少年對科學的興趣，有利于幫助學生樹立民族自信心和自豪感.這對發展學生核心素養、實現物理學科育人價值具有重要意蘊.觀看之余，筆者認為“天宮課堂”授課素材蘊含著獨特、豐富的物理教學和思政育人資源.隨著我國首個空間站作為國家太空實驗室正式投入運營，這將使“太空授課”進入常態化階段.如何發掘授課內容中所蘊含的教學資源并應用在中學物理教學實踐中將成為未來一段時間討論研究的熱點.本文將就“天宮課堂”授課素材如何融通轉化為教學資源進行初探.

1 “天宮課堂”授課的現實意義

（1）創設“新情境”，奇妙現象背后是對億萬青少年科研興趣的激發.

知識的傳授向來不局限于形式，太空授課的關注度高也絕不僅是因為“高精尖”的授課場地.創設“天宮”新情境、采取天地協同互動方式開展的授課，是對億萬青少年向往浩瀚太空、希冀探索宇宙好奇心的回應，是與學生前概念產生矛盾的碰撞.諸多物理概念、運動規律、實驗現象都是基于重力場所開展的科學研究得出.受前概念的影響，學生結合日常經驗對現有重力場實驗現象預期和結果并無巨大差異.微重力環境的“非常規”情境帶給學生的震撼，讓學生認知定勢走出了重力場束縛，讓學生學習動機翻越了應試圍墻，開闊了學生視野，激發了其學習興趣.

（2）訓練“新思維”，追問本質探究原理是學科育人核心素養的體現.

將科學思維與日常生活等實際問題結合起來，有助于提高學生的科學思維水平.［1］“天宮課堂”的授課方式刷新了現有的物理教學模式，對日常生活實際問題進行“新情境”演示、對差異化現象“故作玄虛”作啟發式引導，讓此次授課演示直觀、生動且形象.一次次互動以啟迪學生從科學視角觀察問題、從嚴謹邏輯思考問題、采取具體方法解決問題，讓學生在飛揚的思維中“思考—探究—溯源”.這對培養學生的科學思維，提高學生創新意識和科學探究精神，從而實現學科育人價值具有重要意蘊.

（3）聚焦“大思政”，天宮授課彰顯航天力量是潤物無聲的思政育人.

在全球化和世界文化相互激蕩、價值觀多元化的時代背景下，積極弘揚和培育民族精神、強化國家認同，引導學生增強“四個自信”，變得尤為重要和緊迫.［2］奇妙現象和科學原理之外，是學生感受到的偉大載人航天精神和大國力量，是學生內心對中華民族偉大復興的美好愿景.學科育人——育知識、育思維、育能力，更重要的是要緊緊圍繞立德樹人這一根本任務來“育思想”.借助“天宮授課”素材這一豐富載體，把社會主義核心價值觀融入學科教學實踐中，以期“潤物無聲”的融入課程思政理念，實現學科育人價值.

2 融通轉化“天宮課堂”授課素材為教學資源初探

授課活動由中國載人航天工程辦公室聯合教育部、科技部、中國科協、中央廣播電視總臺共同主辦，中國科技館及載人航天工程相關參研參試單位提供支持.［3］太空授課腳本是廣大教育、工作者集體智慧的結晶，授課的內容具有嚴謹性、互動性、趣味性和啟發性，操作的實驗新穎、易懂且經典，兼顧差異性與觀賞性.

表1為本次“天宮課堂”的授課項目.授課項目蘊含豐富的物理元素.筆者以人教版教材為例，列出了本次授課中所涉及部分知識點，如表2 和表3所示.授課項目涵蓋了物理、化學、生物等多個學科的知識，利用好這一教學資源有利于學生基于真實情境下學科和跨學科問題解決能力的發展，促進學生素養的發展有重要價值.［4］

表1 “天宮課堂”授課項目

表2 對應人教版初中教材知識點

表3 對應人教版高中教材知識點

續表

3 “天宮課堂”教學素材的應用思考

吳加澍先生認為：好的物理教師不是在“教”物理，而是激發學生自己去學好物理，他的高明之處在于能為學生適時地創設問題情境，搭建認知舞臺，從而不斷培養和提高學生探求新知識的能力.［5］“天宮課堂”為搭建認知舞臺創造了契機，教師利用好這一資源讓學生在輕松活躍的氛圍中體驗物理現象，發現物理問題，學習物理知識，探索物理規律.［6］引導學生透過現象看本質，避免在物理教學中“照本宣科”地單向“滿堂灌”，有助于培養學生科學探究的態度，實現物理學科的育人價值.

下文以此次授課項目中“太空轉身”為例，結合人教版高中物理必修2 第7 章“萬有引力與宇宙航行”教學實踐應用提出幾點問題思考.

（1）問題鏈1：重力是萬有引力嗎？宇航員為什么會失重？空間站是完全失重環境嗎？

圖1 重力與萬有引力關系示意圖

問題3：空間站是完全失重環境嗎？事實上，在分析宇航員失重過程中，我們將宇航員看作了質點，對質點分析上式成立，即在質點處是完全失重的.但對整個航天器而言，并非所有點可看作質點.這些點因向心力與萬有引力不完全相等而獲得有相對于質心的微小加速度，稱其為微重力現象.研究表明，微重力大小加速度為10－5g到10－4g，其大小通過航天器所受到各種干擾力的加速度來度量.［7］

（2）問題鏈2：在地球上，人是怎么轉身的？在太空中，宇航員如何不靠外力轉身？宇航員吹氣為何未能使自身獲得速度？

問題1：在地球上，人是怎么轉身的？地面上人受重力作用，由Ff＝μFN知人與地面之間存在摩擦力.由轉動定律M＝Iα.可知，摩擦力的力矩使人體產生角加速度，所以人能進行轉身.

問題2：在太空中，宇航員如何不靠外力轉身？“天宮課堂”授課教師葉光富嘗試了幾種方式：一是上半身向左轉，下半身就會自動往右轉，如圖2所示.

圖2 宇航員嘗試太空轉身

由于宇航員不受外力，所以系統角動量守恒.當上半身向左轉時會相應的產生一個相反的角動量，［8］進而使下半身向左轉.最后，宇航員成功轉身的方法是右手臂持續畫圈，如圖3所示.這也是利用角動量守恒來實現的.

圖3 再次嘗試轉身

除此以外，冬奧會花滑項目中也運用了角動量守恒.運動員通過伸展和收縮手臂改變自身半徑進而改變轉動慣量，這是根據系統角動量守恒I1ω1＝I2ω2.改變了I進而改變了角速度.

問題3：宇航員吹氣為何未能使自身獲得速度？在宇航員吹氣過程中，并無外力作用，所以系統動量守恒，即0＝m1v1＋m2v2，其中m1為空氣質量，m2為宇航員質量.當人吹氣時，氣流會有一個向前的速度v1，人會產生相反方向的速度.“天宮課堂”中，宇航員未能通過吹起改變自身速度是因為m1相對m2太小，v2≈0.如圖4所示.

圖4 宇航員吹氣獲得速度

故人不能通過吹氣獲得速度，但若有一個氣泵與人相連，氣泵噴出動量很大的氣體，人方能獲得較大的反向速度，航天器加速便是此原理.

4 結語

“天宮課堂”是中國航天的再一次高光，是億萬青少年逐夢科研的啟蒙場.融通轉化天宮授課這一素材，還需廣大教育工作者去發掘其中蘊含的物理學科及跨學科教學資源，以期在更多的教學實踐中能用、會用、巧用之，培養學生科學思維與科學探究能力，傳遞給學生這份榮耀、責任與使命，從而促成物理學科的育人價值.