指向科學思維的高中物理“開學第一課”活動設計

何正楊

(浙江省溫州市第五十一中學, 浙江 溫州 325014)

開學第一課即序言教學的重要性不言而喻,利用“首因效應”可建立良好的第一印象,為后續教學定下基調。人教社2019年版高中物理教材以《物理學:研究物質及其運動規律的學科》作為序言開篇,其內容包括:物理學研究的特點、物理學背后的科學精神、物理學的應用、物理學的未來等。本文以高中物理課程目標為指引,通過對教材序言內容進行系統分析,確定以質疑—尋證為主線,以科學思維為指向,開展序言課教學實踐。

1 設計思路

開學第一課需要解決的問題很多。在有趣、有用的前提下,為尋求與課標、教材、后續教學的“三結合”,筆者將上述目標統籌整合,把其中不重要、不緊急的部分移至后續教學中落實,確定以科學思維為本課教學重點,通過創設與學生前概念、生活經驗、思維定勢相沖突的物理情境,初步要求學生“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。”[1]

1.1 教學“明線”——物理學與物理情境

由口罩熱氣球到里拉斜塔、神奇的擺、趣味電磁實驗,點出高中物理必修教材涉及的范圍,激發學生的興趣。

1.2 教學“暗線”——沖突、質疑、尋證

每一個實驗情境對應一個認知沖突,在沖突中引發學生的“質疑”,運用實驗與數學工具進行“尋證”,讓學生初步體驗模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新,發展學生科學思維能力,并致力于把這種“大膽質疑”“小心求證”的觀念和態度轉化為學生后期學習過程中的行為準則,彰顯物理學科的育人價值。

2 指向科學思維的序言教學活動設計與實踐

2.1 “口罩熱氣球”的真偽

情境創設：學生在初中已經學過熱脹冷縮,空氣受熱膨脹后密度會減小,進而上升,疫情防控期間有人據此制作了口罩熱氣球,播放“點燃蠟燭后口罩上升”視頻(圖1)。大部分學生露出驚奇的表情,表示回家也想試試。但也有學生提出:這個實驗可能不真實。

圖1

師:剛才有同學對視頻中的現象提出了質疑,這點非常好。網絡上也有人提出了質疑(圖2),但是同時有更多的人上傳視頻,表明自己仿制成功了(圖3)。

圖2

圖3

師:能否通過你的觀察和思考判斷這個實驗的真偽?

師:能否通過你的觀察和思考判斷這個實驗的真偽?

學生通過觀察討論,發現了一些蛛絲馬跡:圖2中口罩形狀不像熱氣球那樣飽滿,好像有線吊著;圖3成功的視頻中口罩頂部都不在畫面中,可能有人拿著……有學生提出蠟燭的火苗微弱,不足以讓口罩上升。

小結：觀察和思考是高中物理學習中十分重要的方法。歷史上許多物理學家如“神探”般尋找線索,抽絲剝繭,探索自然奧秘,揭露事物現象的本質。他們都有著共同的特征,就是善于觀察和思考。當然,偵探們還有另外有效的“偵察”方法——實驗。

2.2 “里拉斜塔”的探究

情境創設：播放疊木塊視頻(圖4),視頻中稱可以讓最上面一塊木塊完全超出桌面邊緣。

圖4

生:整個木塊不可能完全超出桌面邊緣。

教師展示里拉斜塔圖片(圖5)。

圖5

師:這圖片是真的嗎?

生:可能是真的。

師:利用科學實驗來尋找證據,為我們的設想提供支持,這是物理學研究的重要特點。

前、后桌四位同學組成一個小組,為每個小組提供木塊若干(可用探究摩擦力實驗中的小木塊代替),嘗試用實驗來探索能否實現將最上方木塊完全伸出桌面邊緣。學生動手操作,經過細致實驗都能實現圖6效果。

圖6

小結：能勇敢去質疑所見的真偽,并能通過實驗進行求證,這種精神和思維對今后的物理學習十分重要。接下來的物理必修一學生會學習運動和力的相關知識,到時候就可以用重心的概念來解釋這個奇妙現象。

2.3 神奇的牛頓擺

情境創設：展示牛頓擺(圖7),抬起最右邊一個小球碰撞其他小球。先讓學生猜測現象,再進行演示。

師:為什么會呈現出這樣的對稱美呢?我們先來研究一個擺。

演示“大膽的游戲”——擺球砸臉。利用教室投影儀支架,懸掛一個大擺球。擺球拉至貼到教師臉后釋放(圖8)。教師站定,在學生一片驚呼聲中安然無恙。

圖8

師:這里面蘊含著怎樣的規律?

生:球剛好回到原來高度。

師:小球似乎“記得”原來的高度,這里面隱藏著一個守恒量——能量。

生:能量守恒!

教師繼續演示牛頓碰撞擺,同時拉起邊上的兩個球釋放。讓學生先分析、猜測,再演示現象。

生:會有兩個球彈起。

師:若同時拉起三個球碰撞剩余兩個呢?

適當留時間給學生討論,然后他們發表猜測見解,相互質疑。學生會有以下猜想:彈起三個、彈起兩個、全部彈起,說明依據,進行辯論。不一定能得到“答案”,但在此過程中學生尋找證據和理由來支持自己的觀點,思維和表達都得到了鍛煉。最后教師演示,依然是呈現出對稱之美。

小結：學生自發地進行合作學習,在相互質疑中達成共識,這在科學規律得出的過程中經常會發生。這也是高中物理學習中的一個重要方法,實驗中蘊含著能量與動量守恒,在后續物理選擇性必修1中會涉及。

2.4 電與磁的相互轉化

情境創設：將耳機插入“小蜜蜂”擴音器話筒接口。

師:你看到的雖然是個耳機,但是它可用作話筒。我對著耳機說話,你可以聽到擴音器傳出來聲音,相信嗎?

生:不相信。

展示動圈式話筒與動圈式揚聲器結構圖,讓學生觀察內部的特點。再次讓學生判斷對著耳機說話,擴音器是否能發出聲音。

生:我覺得它倆有點像。

在學生期待中展示實驗現象,“小蜜蜂”中傳來微弱但是可以分辨的聲音。由此介紹19世紀初科學家對于“電生磁”和“磁生電”的探究。

小結：物理現象和知識并不是孤立的,正如電與磁,運動與力等等都是相互聯系的。在今后的學習中我們要用發展、聯系的眼光尋找“證據”,不能只著眼于當前。

3 教學反思

以上的活動和探究都指向了物理“學什么”和“怎么學”這兩個問題。本課從物理學科核心素養中的科學思維切入,讓學生領悟到“敢質疑”和“講證據”在物理學習中的重要性。

本課中學生的質疑和尋證都是在教師的引導下進行的,雖然沒有實質性的主動質疑和創新,但教學不能操之過急。開學第一課先埋下一顆敢于質疑、樂于質疑的種子,在接下來整個高中階段的教學中,教師要注重落實立德樹人根本任務,切實將物理學科核心素養的培養貫穿在整個物理課程的實施中,這顆種子終會發芽。正如課本序言的結尾所講:“多數同學今后未必進行基礎學科的研究,但是,不論從事什么職業,高中物理積累的學科知識,學到的科學方法和實事求是、講求邏輯的理性科學精神,都將會使你終身受益。”這也回答了“為什么”要學物理這個問題。